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Nature-Inspired Energy- and Material-Efficient Design of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

电解质 质子交换膜燃料电池 经销商 材料科学 比能量 阴极 催化作用 化学工程 化学 分析化学(期刊) 电极 热力学 色谱法 有机化学 物理 物理化学 工程类
作者
Signe Kjelstrup,Marc‐Olivier Coppens,Jon G. Pharoah,Peter Pfeifer
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:24 (9): 5097-5108 被引量:77
标识
DOI:10.1021/ef100610w
摘要

A design procedure is presented that improves the energy efficiency and saves catalyst material of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The method is demonstrated for a single cell in a stack and uses the theorem of equipartition of entropy production to maximize energy efficiency. The gas supply and water outlet systems, designed to produce entropy uniformly, have a fractal structure inspired by the human lung. The tree-like gas distributor engraved in the bipolar plates may eliminate the need for porous transport layers. Mathematical solutions are given for the optimal height, macroporosity, and nanoporous column width of the electro-catalytic layer beneath the gas supply system. It is shown that the optimal macroporosity of the catalytic layer is equal to 1/2 for the model chosen and that the optimal height of the catalytic layer depends upon the coefficient for first-order reaction kinetics at the cathode, the diffusion constant for oxygen in the gas phase, and the oxygen concentration of the inlet flow. An upper bound can be used for the column width. The general results are illustrated using the standard E-TEK Elat/Std/DS/V2 gas diffusion electrode with 0.5 mg of Pt/cm2 membrane area and 20% Pt/C on Vulcan XC-72 as a support material. It is indicated that the amount of catalyst can be reduced by a factor of 4−8, while the energy efficiency can be increased by 10−20% at high current densities.
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