Investigating Freeze-Thaw Cycling-Induced Degradation in Proton Exchange Membrane Fuel Cells
Notice bibliographique
Résumé
Freeze-thaw (F-T) cycling in Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) poses significant challenges to the long-term durability of their components [1,2]. Previous studies primarily relied on 2D imaging techniques to assess degradation effects. Recent advancements in X-ray tomography now enable high-resolution virtual 3D imaging, providing detailed volumetric insights and significantly improved structural information. This approach also preserves the cell’s operational integrity, avoiding artifacts introduced by disassembly and reassembly processes. This study leverages these advancements to investigate F-T cycling-induced degradation mechanisms in a small-scale fuel cell (active area: 0.39 cm²) using advanced in-situ X-ray Computed Tomography (XCT) imaging and electrochemical diagnostics. A custom-designed fuel cell fixture facilitated precise temperature control and real-time visualization of structural changes within the catalyst-coated membrane (CCM) [3]. The experimental design strategically applied localized stresses by controlling the initial water distribution within the membrane and catalyst layers, intensifying the effects of F-T cycling for focused investigation. XCT imaging revealed structural degradation after only 20 cycles (Figure 1), including delamination at the membrane-catalyst interface, crack formation in the catalyst layers (CLs) and membrane. Electrochemical analyses corroborated these findings, showing performance losses characterized by increased ohmic and mass transport resistances in polarization curves. Cyclic voltammetry highlighted significant reductions in the electrochemically active surface area (ECSA) of the catalyst, while impedance spectroscopy revealed substantial increases in high-frequency and catalyst layer resistance. These findings underscore the vulnerability of PEMFC components to F-T cycling and highlight the critical importance of advanced material design and mitigation strategies enhance durability of PEMFC’s components in harsh climates. Keywords: Freeze-Thaw Cycling – Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) – X-ray Computed Tomography (XCT) – Membrane Degradation – Fuel Cell Durability Acknowledgements: This research is funded by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Ballard Power Systems, Simon Fraser University, the Canada Foundation for Innovation, the British Columbia Knowledge Development Fund, the Canada Research Chairs Program, Mitacs and Pacific Economic Development Canada. References: [1] A. Ozden, S. Shahgaldi, J. Zhao, X. Li, and F. Hamdullahpur, "Degradations in porous components of a proton exchange membrane fuel cell under freeze-thaw cycles: Morphology and microstructure effects," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 5, pp. 3618-3631, 2020. [2] Lee, Y., Kim, B., Kim, Y., & Li, X. (2011). Effects of a microporous layer on the performance degradation of proton exchange membrane fuel cells through repetitive freezing. Journal of Power Sources, 196(4), 1940-1947. [3] White, R. T., Wu, A., Najm, M., Orfino, F. P., Dutta, M., & Kjeang, E. (2017). 4D in situ visualization of electrode morphology changes during accelerated degradation in fuel cells by X-ray computed tomography. Journal of Power Sources, 350, 94-102. Figure 1
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi 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.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».