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Ionomer distribution control in porous carbon-supported catalyst layers for high-power and low Pt-loaded proton exchange membrane fuel cells

离聚物 材料科学 质子交换膜燃料电池 化学工程 碳纤维 阴极 催化作用 催化剂载体 法拉第效率 复合材料 电极 电解质 化学 有机化学 冶金 物理化学 工程类 复合数 聚合物 金属 共聚物
作者
Sebastian Ott,Alin Orfanidi,Henrike Schmies,Björn Anke,Hong Nhan Nong,Jessica Hübner,Ulrich Gernert,Manuel Gliech,Martin Lerch,Peter Strasser
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:19 (1): 77-85 被引量:489
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0487-0
摘要

The reduction of Pt content in the cathode for proton exchange membrane fuel cells is highly desirable to lower their costs. However, lowering the Pt loading of the cathodic electrode leads to high voltage losses. These voltage losses are known to originate from the mass transport resistance of O2 through the platinum–ionomer interface, the location of the Pt particle with respect to the carbon support and the supports’ structures. In this study, we present a new Pt catalyst/support design that substantially reduces local oxygen-related mass transport resistance. The use of chemically modified carbon supports with tailored porosity enabled controlled deposition of Pt nanoparticles on the outer and inner surface of the support particles. This resulted in an unprecedented uniform coverage of the ionomer over the high surface-area carbon supports, especially under dry operating conditions. Consequently, the present catalyst design exhibits previously unachieved fuel cell power densities in addition to high stability under voltage cycling. Thanks to the Coulombic interaction between the ionomer and N groups on the carbon support, homogeneous ionomer distribution and reproducibility during ink manufacturing process is ensured. Reducing Pt content in cathodes for proton exchange membrane fuel cells is crucial to lower costs but results in high voltage losses. A Pt catalyst/support design that substantially reduces local oxygen-related mass transport resistance is reported.
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