Nanostructure Engineering of Cathode Layers in Proton Exchange Membrane Fuel Cells: From Catalysts to Membrane Electrode Assembly

质子交换膜燃料电池 材料科学 纳米结构 阴极 电极 催化作用 膜电极组件 纳米技术 化学工程 燃料电池 阳极 化学 生物化学 物理化学 工程类
作者
Bolong Yang,Zhonghua Xiang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (18): 11598-11630 被引量:64
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c01113
摘要

The membrane electrode assembly (MEA) is the core component of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), which is the place where the reaction occurrence, the multiphase material transfer and the energy conversion, and the development of MEA with high activity and long stability are crucial for the practical application of PEMFCs. Currently, efforts are devoted to developing the regulation of MEA nanostructure engineering, which is believed to have advantages in improving catalyst utilization, maximizing three-phase boundaries, enhancing mass transport, and improving operational stability. This work reviews recent research progress on platinum group metal (PGM) and PGM-free catalysts with multidimensional nanostructures, catalyst layers (CLs), and nano-MEAs for PEMFCs, emphasizing the importance of structure-function relationships, aiming to guide the further development of the performance for PEMFCs. Then the design strategy of the MEA interface is summarized systematically. In addition, the application of in situ and operational characterization techniques to adequately identify current density distributions, hot spots, and water management visualization of MEAs is also discussed. Finally, the limitations of nanostructured MEA research are discussed and future promising research directions are proposed. This paper aims to provide valuable insights into the fundamental science and technical engineering of efficient MEA interfaces for PEMFCs.
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