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Enregistrement W2263758335 · doi:10.1149/ma2014-02/21/1206

Doing More with Less: Challenges for PEMFC Catalyst Layer Design

2014· article· en· W2263758335 sur OpenAlexaff
Jürgen Stumper

Notice bibliographique

RevueECS Meeting Abstracts · 2014
Typearticle
Langueen
DomaineEngineering
ThématiqueFuel Cells and Related Materials
Établissements canadiensAutomotive Fuel Cell Cooperation (Canada)
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésProton exchange membrane fuel cellTafel equationCatalysisCathodeCurrent densityMaterials scienceMembrane electrode assemblyExchange current densityOxideNanotechnologyElectrodeChemical engineeringElectrochemistryChemistryElectrical engineeringElectrolyteEngineeringMetallurgy

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Proton exchange membrane (PEM) fuel cells are being developed as alternative energy sources for both residential and automotive application. In order for this technology to become fully commercial, the reduction of cost and improvements in performance and durability of PEM fuel cells membrane electrode assemblies (MEAs) are still required [1,2]. To address the requirement for further cost reduction the Pt loading of the cathode catalyst layer (CCL) needs to be reduced to 0.2- 0.1 mg/cm2 while maintaining high currents and efficiency. Consequently, it becomes increasingly important to not only develop new catalyst materials, but also optimize the 3D structural arrangement of the CCL components such as catalyst, ionomer and void space so that all critical functionalities can be achieved simultaneously. In general terms this entails to provide sites catalytically active for ORR, and to further provide transport to/from these sites for the reactants O2, protons, electrons and products H2O and heat, respectively. Whereas tremendous progress has been achieved over the years using traditional ink based manufacturing methods [3] in reducing Pt loadings, the performance after ohmic correction at high current density shows a significantly larger decrease as the Pt loading approaches 0.1 mg/cm2 than would be expected from a simple Tafel slope scaling due to the reduction in exchange current density. This “loading effect” has been observed by several authors [5] with explanations ranging from the oxide state of the Pt surface [6] to unknown transport losses at or near the Pt surface. Ohma etal. have proposed a transmission line model of CCL mass transport resistances distributed in through plane (z) direction with the Knudsen/ionomer diffusion resistances in series/parallel, respectively. This model could explain the loading effect if the ionomer diffusion resistance dominates mass transport in the CCL[7]. One question arising from these results is if the loading effect could somehow be associated with the structure of the CCL and if there are alternative CCL structures that do not suffer from such limitations. The only alternative catalyst layer structures available on commercial scale are the so called nano-structured thin film (NSTF) catalyst layers available from 3M [4]. M. K. Debe has recently proposed a model based on kinetic gas theory where the collision frequency of gas molecules with the catalyst surface taking place in the Knudsen regime (i.e. assuming a gas phase process as rate determining) explains another effect, i.e. the differences of >1order of magnitude in specific activities [mA/cm2Pt] observed between NSTF and traditional dispersed carbon supported catalysts [8]. According to the model, the high specific activities observed with NSTF are a due to a structural effect, however, the loading effect is still observed albeit to a reduced extent compared to traditional CCL structures. Therefore, in order to be able to design CCL structures that meet the performance and durability requirements, it is necessary to obtain a better understanding of structure versus performance relationships. This requires the capability to fabricate different CCL structures, to characterize the spatial distribution of all components within the catalyst layer (carbon, Pt, ionomer and void), to measure the physico-chemical properties (both ex-situ and in-situ) and finally to use these experimental data as inputs for the development a model based understanding of the relationship between CCL structure and CCL performance and durability References: Y. Wang, K.S. Chen, J. Mishler, S.C. Cho, X.C. Adroher, Applied Energy 88 (2011) 981. R. Borup, J. Meyers, B. Pivovar, Y. Seung Kim, R. Mukundan, N. Garland, D. Myers, F. Garzon, D. Wood, P. Zelanay, K. More, K. Stroth, T. Zawodinski, J. Boncella, J. E. McGrath, M. Inaba, J. Miyatake, M. Hori, K. Ota, Z. Ogumi, S. Miyata, A. Niskikata, Z. Siroma, Y. Uchimoto, K. Yasuda, K. Kimijima and Norio Iwashita, Chem. Rev. 107 3904 (2007). S. S. Kocha in Handbook of Fuel Cells Vol. 3, W. Vielstich, A. Lamm, H. Gasteiger (Eds.), Wiley (2003), p 538 M. K. Debe in Handbook of Fuel Cells Vol. 3, W. Vielstich, A. Lamm, H. Gasteiger (Eds.), Wiley (2003), p 576 T. Greszler, S. Kumaraguru, N. Subramanian, B. Litteer, Z. Liu, andR. Makharia, 2008 Fuel Cell Seminar, Phoenix, AZ, Oct. 28, (2008) http://www.fuelcellseminar.com/assets/pdf/2008/wednesdayPM/GHT33-2_SKumaraguru.ppt.pdf N. P Subramanian J Electrochem Soc 159(5) B531 (2012) A.Ohma, T.Mashio, K.Sato, H.Iden, Y.Ono, K.Sakai, K.Akizuki, S.Takaichi, K.Shinohara, Electrochim Acta, 56 10832 (2011) M. K. Debe J Electrochem Soc 159(1) B54 (2012)

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,002
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Sans objet · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,006
Score d'incertitude au seuil0,020

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0020,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,000
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0030,005
Science ouverte0,0020,001
Intégrité de la recherche0,0030,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0060,004

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,025
Tête enseignante GPT0,221
Écart entre enseignants0,196 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSans objet
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2014
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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