Grooved electrodes for high-power-density fuel cells

耐久性 质子交换膜燃料电池 材料科学 电极 燃料电池 多物理 膜电极组件 离聚物 复合材料 电解质 化学 化学工程 工程类 聚合物 结构工程 有限元法 物理化学 共聚物
作者
ChungHyuk Lee,Wilton J. M. Kort-Kamp,Haoran Yu,David A. Cullen,Brian M. Patterson,Tanvir Alam Arman,Siddharth Komini Babu,Rangachary Mukundan,Rod L. Borup,Jacob S. Spendelow
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:8 (7): 685-694 被引量:101
标识
DOI:10.1038/s41560-023-01263-2
摘要

Abstract Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are leading candidates to decarbonize the transport sector, but widespread deployment will require improvements in lifetime, fuel economy and cost. Here we present the grooved electrode, an alternative electrode structure that enhances PEMFC performance and durability by coupling high ionomer (ion-conducting binder) content for improved H + transport with grooves for rapid O 2 transport. Grooved electrodes provide up to 50% higher performance than state-of-the-art conventional electrodes under standard operating conditions. Fuel cell diagnostics combined with multiphysics modelling demonstrate that grooved electrodes provide facile O 2 transport despite their high ionomer content, enabling improved reaction rate uniformity. Grooved electrodes also provide improved durability, with less performance loss after carbon corrosion compared with baseline electrodes. Machine learning analysis demonstrates the potential to further optimize grooved structures for next-generation PEMFCs with enhanced performance and durability, enabling smaller and cheaper fuel cell stacks with higher fuel efficiency.
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