Interaction of Pore Size and Hydrophobicity/Hydrophilicity for Improved Oxygen and Water Transport through Microporous Layers

微型多孔材料 化学工程 材料科学 水银孔隙仪 接触角 扫描电子显微镜 多孔性 复合材料 多孔介质 工程类
作者
Christoph Simon,Joseph Endres,Benjamin Nefzger-Loders,Florian Wilhelm,Hubert A. Gasteiger
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:166 (13): F1022-F1035 被引量:26
标识
DOI:10.1149/2.1111913jes
摘要

Microporous layers consisting of different ratios of acetylene black and carbon fibers with either a hydrophobic polytetrafluoroethylene (PTFE) or a hydrophilic perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer binder are investigated with regards to oxygen and water transport in PEMFCs. For that, the materials are characterized by scanning electron microscopy and mercury porosimetry, revealing an increase of porosity and pore sizes for an increasing carbon fiber content. MPLs, coated onto a commercial hydrophobized non-woven gas diffusion layer substrate, are examined in H2/air fuel cell tests under differential-flow conditions at various dry and humid operating conditions. For both hydrophobic and hydrophilic MPLs in the presence of significant amounts of liquid water in the diffusion layer substrate, the materials with larger pore sizes, i.e. higher carbon fiber contents, perform superior at 0.6 V and show the lowest oxygen transport resistance. However, at the same carbon composition, hydrophilic MPLs have a lower performance compared to the corresponding hydrophobic MPLs, which is explained by the capillary pressure barriers for different pore properties. At operating conditions relevant for automotive applications, a performance enhancement of 48% could be achieved for a purely carbon fiber based MPL compared to a commercial reference.
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