Designing Tailored Gas Diffusion Layers with Pore Size Gradients via Electrospinning for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

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作者
Manojkumar Balakrishnan,Pranay Shrestha,Nan Ge,ChungHyuk Lee,Kieran F. Fahy,Roswitha Zeis,Volker P. Schulz,Benjamin D. Hatton,Aimy Bazylak
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:3 (3): 2695-2707 被引量:65
标识
DOI:10.1021/acsaem.9b02371
摘要

We present electrospinning as a versatile technique to design and fabricate tailored polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell gas diffusion layers (GDLs) with a pore-size gradient (increasing from catalyst layer to flow field) to enhance the high current density performance and water management behavior of a PEM fuel cell. The novel graded electrospun GDL exhibits highly robust performance over a range of inlet gas relative humidities (RH). At relatively dry (50% RH) inlet conditions that exacerbate ohmic losses, the graded GDL lowers ohmic resistance and improves high current density performance compared to a uniform GDL with larger pores and fiber diameters. Specifically, the graded GDL facilitates a beneficial degree of liquid water retention at the catalyst layer/GDL interface due to the high capillary pressure inherent in its microstructure, thereby improving membrane hydration. Additionally, enhanced graphitization and connectivity of the graded electrospun fibers improves heat dissipation from the catalyst layer interface compared to the GDL with larger fiber diameters, thereby reducing membrane dehydration. When the inlet RH is raised to fully humid (100% RH) conditions, the graded GDL mitigates liquid water accumulation and lowers mass transport resistance. Specifically, the pore size gradient directs the removal of liquid water from the GDL, resulting in superior performance at high current densities.
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