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Enregistrement W2302916415 · doi:10.1149/ma2015-02/37/1357

3D Failure Analysis of PEM Fuel Cell Catalyst Layers Using Multi-Length Scale X-Ray Computed Tomography

2015· article· en· W2302916415 sur OpenAlexaffabout
Anish Pokhrel, Erik Kjeang, Monica Dutta, Mohamed El Hannach

Notice bibliographique

RevueECS Meeting Abstracts · 2015
Typearticle
Langueen
DomaineEngineering
ThématiqueFuel Cells and Related Materials
Établissements canadiensSimon Fraser University
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésProton exchange membrane fuel cellCatalysisMaterials scienceElectrolyteElectrochemistryPlatinumCorrosionCarbon fibersChemical engineeringComposite materialLayer (electronics)Membrane electrode assemblyIonomerDegradation (telecommunications)MembraneElectrodePolymerChemistryOrganic chemistryCopolymerComputer science

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Catalyst layers are a critical component in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells and are where the electrochemical reactions take place. These layers play a major role in both performance and durability of fuel cells. Catalyst layer degradation is a result of carbon corrosion, detachment of platinum particles from their carbon support, formation of carbon surface oxides, electrolyte expansion and contraction, etc. [1]. Hence, understanding CL degradation mechanisms in fuel cells is an area of intense, but very challenging study. One challenge lies in the structural characterization of the catalyst layers of the bonded membrane electrode assembly (MEA). A challenge which significantly increases as the MEA degrades, and the catalyst layers are intermingled with other layers in the MEA and difficult to separate. Even if the layers were to separate, the samples might be altered chemically and structurally. A non-destructive technique which allows one to study the catalyst layer properties is X-ray computed tomography (XCT). Such scanners use X-rays to scan the MEA in a completely non-invasive process. XCT scanners operate at ambient conditions which are ideal since fewer morphological artifacts due to dehydration of the ionomer would be observed. The objective of the present work is to qualify the XCT technique for 3D failure analysis of degraded catalyst layers. Previous research studies have shown that catalyst layers with higher catalyst crack area show higher carbon corrosion degradation [2] after 4700 voltage cycles with an upper potential limit of 1.3 V. The EOL MEA sample along with a conditioned beginning of life (BOL) sample with the high catalyst crack area are analyzed and compared upon failure using ZEISS Xradia 520 Versa and ZEISS Xradia 810 Ultra XCT instruments having a maximum image resolution of 700 and 50 nm, respectively. A 1cm x 1cm sample is scanned in the Versa whereas a 350 µm diameter sample is punched out of the 1cm x 1cm sample and scanned in the Ultra. A significantly increased crack size in the cathode catalyst layer (CCL) is observed due to degradation. As illustrated in Figure 1, the average crack diameter at BOL is 6 µm and grows to about 18 µm at EOL. The brighter surface observed in the EOL CCL is interpreted as being due to carbon corrosion; hence, a cross sectional study is performed to validate this assumption. Thickness measurements show catalyst layer thinning on both anode and cathode catalyst layers. Loss of surface area in the catalyst layers is believed to occur via Pt dissolution, coalescence of Pt nanoparticles, loss of the carbon support due to carbon corrosion, loss of Pt surface area due to agglomeration, and carbon corrosion [3]. This is believed to be one of the main reasons for performance degradation during fuel cell operation. Here, substantial catalyst layer thinning indicates severe carbon corrosion. The absorption contrast mode of the Ultra XCT instrument is used to perform high-resolution scans on the individual island structures in the BOL CCL. The data are post-processed in Avizo and the BOL CCL porosity is determined to be 52.6%. This result is compared with the mercury intrusion porosimetry (MIP) technique, which results in 53.0% porosity. A similar study on the EOL CCL sample is in progress. The comparison between the BOL and EOL porosity data is expected to confirm structural collapse of the CCL due to carbon corrosion. Acknowledgements Funding for this research was provided by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Canada Foundation for Innovation, British Columbia Knowledge Development Fund, and Ballard Power Systems through an Automotive Partnership Canada grant. References S. Zhang, X.Yuan, J Hin, H Wang, K Friedrich, M. Schulze, A review of platinum-based catalyst layer degradation in proton exchange membrane fuel cells. J Power Sources 2009; 194(2): 588–600 Silvia Wessel, David Harvey, “Development of Micro-Structural Mitigation Strategies for PEM Fuel Cells: Morphological Simulations and Experimental Approaches”, 2013 Annual Merit Review Proceedings: Fuel Cells, 16 May 2013, Project ID# FC049. J. Zhang, PEM fuel cell electro catalysts and catalysts layer, London: Springer, May 2008: p. 1063-1087 Figure 1

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)0,000
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: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: Expérimental (laboratoire)
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,002
Score d'incertitude au seuil0,006

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0020,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,000
Intégrité de la recherche0,0010,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,000

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 Opus0,017
Tête enseignante GPT0,220
Écart entre enseignants0,203 · 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'étudeExpérimental (laboratoire)
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

Citations3
Publié2015
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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