Designing Flexible Carbon Nanofiber Membranes by Electrospinning and Cross-Linking for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

材料科学 静电纺丝 纳米纤维 质子交换膜燃料电池 碳纳米纤维 燃料电池 化学工程 碳纤维 纳米技术 复合材料 碳纳米管 聚合物 复合数 遗传学 工程类 生物
作者
Ze Kun Yao,Dezhi Sun,Qin Tong,Zhengzheng Li,Xiaohua Jing,Yuping Li,Feng Duan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c02589
摘要

Traditional carbon-based materials suffer from fragility, low mechanical strength, and electrical conductivity when they are used as a gas diffusion layer (GDL) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), resulting in low power density. In this study, a flexible carbon nanofiber membrane (CFM) was studied for use as a GDL, prepared by polyacrylonitrile (PAN) electrospinning with the incorporation of carboxylated multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs), polyethylenimine (PEI) impregnation, glutaraldehyde (GA) cross-linking, and thermal treatment. The concentrations of MWCNTs in the electrospinning solution and PEI in the impregnation solution were investigated. Interestingly, the mechanical strength and electrical conductivity of CFM showed a triangle trend with the MWCNTs or PEI concentration. The optimal sample (CNT1.5/PEI7/GA-CFM) demonstrated good flexibility, with an in-plane resistivity of 18.60 mΩ cm, a tensile strength of 7.94 MPa, and a bending strength of 20.65 MPa. The peak power density and maximum current density were respectively 1169 mW cm-2 and 2720 mA cm-2, exceeding those of commercial Toray and Cetech GDLs under identical testing conditions. These results illustrate the potential of high-performance electrospun CFMs for GDL applications.
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