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Effects of Cathode Corrosion on Through-Plane Water Transport in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

质子交换膜燃料电池 腐蚀 阴极 材料科学 化学工程 电极 电化学 水运 等温过程 X射线光电子能谱 复合材料 化学 水流 环境工程 热力学 物理 工程类 物理化学 生物化学
作者
Joseph D. Fairweather,Dusan Spernjak,Adam Z. Weber,David J. Harvey,Silvia Wessel,Daniel S. Hussey,David L. Jacobson,Kateryna Artyushkova,Rangachary Mukundan,Rodney L. Borup
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:160 (9): F980-F993 被引量:78
标识
DOI:10.1149/2.024309jes
摘要

The corrosion of carbon in the cathodes of proton-exchange-membrane fuel cells leads to electrode collapse, reduced active catalyst area, and increased surface hydrophilicity. While these effects have been linked to performance degradation over cell lifetime, the role of corrosion in the evolving water balance has not been clear. In this study, neutron imaging was used to evaluate the through-plane water distribution within several cells over the course of accelerated stress testing using potential holds and square-wave cycling. A dramatic decrease in water retention was observed in each cell after the cathode was severely corroded. The increasing hydrophilic effect of carbon surface oxidation (quantified by ex situ X-ray photoelectron spectroscopy) was overwhelmed by the drying effect of increased internal heat generation. To evaluate this mechanism, the various observed electrode changes are included in a multiphase, non-isothermal one-dimensional cell model, and the simulated alterations to cell performance and water content are compared with those observed experimentally. Simulation results are consistent with the idea that collapse and compaction of the catalyst layer is the dominant limitation to cell performance and not the lower amounts of active Pt surface area, and that higher temperature gradients result in drying out of the cell.
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