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Enregistrement W4412511180 · doi:10.1149/ma2025-01381878mtgabs

Development of a Miniaturized Cell for <i>in-Situ</i> X-Ray Computed Tomographic Visualization of Membrane Degradation in PEM Water Electrolyzers

2025· article· en· W4412511180 sur OpenAlexaboutno aff
Biswajit Samir De, Nima Shaigan, Marius Dinu, Francesco P. Orfino, Khalid Fatih, Erik Kjeang

Notice bibliographique

RevueECS Meeting Abstracts · 2025
Typearticle
Langueen
DomaineEngineering
ThématiqueFuel Cells and Related Materials
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésVisualizationDegradation (telecommunications)In situX-rayProton exchange membrane fuel cellMaterials scienceMembraneTomographic reconstructionTomographyComputer scienceChemistryOpticsPhysicsEngineeringElectrical engineeringArtificial intelligence

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Membrane failure is a serious safety concern that influences the operational lifetime and hydrogen production cost of the proton exchange membrane (PEM) water electrolyzer. The membrane degradation is nuanced, and the causes are multifaceted. A two-phase flow of oxygen and water is induced at the anode under a high operating current density (2-3 A cm-2). The oxygen gas crossover from the anode to the cathode occurs by convection or diffusion 1,2. The oxygen reacts at Pt active sites at the cathode and forms H2O2, which, in the presence of metal ion contaminants, forms harmful radicals that attack the side-chain of the perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer membrane, leading to membrane thinning via an unzipping reaction 3,4. The oxygen permeability through the membrane increases owing to membrane thinning and membrane degradation, which leads to the formation of a combustible gas mixture, causing electrolyzer shutdown. Moreover, the physical and electrochemical interface between the porous transport layer (PTL) and the catalyst-coated membrane (CCM) plays a crucial role in governing the stability of the membrane. A poorly designed PTL-CCM interface induces high ohmic and activation overpotential owing to oxygen accumulation, which in turn leads to poor reactant access by masking of catalyst reaction sites and local overheating accelerating the interface degradation. The condition further aggravates catalyst agglomeration and delamination from the membrane, resulting in local hotspot formation and possibly exacerbating local membrane degradation 5–8. The 2D visualization using a scanning electron microscope (SEM) is insufficient to capture the multifaceted cause of membrane degradation. In-situ X-ray computed tomography (XCT) is a non-destructive technique that serves as a 3D visualization tool to improve the fundamental understanding of membrane degradation 9,10. The present study aims to develop a miniaturized cell for a PEM water electrolyzer for simultaneous in-situ XCT visualization of the membrane, catalyst layers, and PTLs. The conventional PEM water electrolyzer hardware comprises a titanium bipolar plate, which attenuates X-rays, rendering it unsuitable for XCT visualization. The miniaturized cell hardware is additively manufactured and encompasses the flow fields. A platinized titanium mesh is used as a current collector that allows XCT imaging of PEM water electrolyzer components in the miniaturized cell. In-situ XCT imaging facilitates the root cause diagnosis for membrane degradation via membrane thinning and oxygen gas crossover. The beginning-of-life (BOL) performance of the miniaturized cell is evaluated at 60 °C. The commercially fabricated CCM (Ion Power Inc.) consisted of a Nafion 115 membrane with catalyst loading of 0.5 mg cm-2 Pt/C (40 wt% Pt) at cathode and 1 mg cm-2 at IrOx anode. The diffusion layers comprised a 250 µm thick platinized titanium PTL (Bekaert) at the anode and 410 µm thick carbon cloth with a microporous layer (FuelCellStore) at the cathode. A polarization curve and galvanostatic electrochemical impedance spectroscopy (GEIS) are obtained at 60 °C to determine the BOL performance of the miniaturized cell (Figure 1). Stressors for degradation are imposed to obtain a degradation mechanism of the membrane, which is based on the intertwining relationship between the membrane’s chemical/mechanical aspects and the PTL-CCM interface using the XCT visualization. Electrochemical characterizations are performed to evaluate the beginning-of-life (BOL) and end-of-life (EOL) performance of the PEM water electrolyzers, which is correlated against the observed membrane degradation mechanisms. Acknowledgments The research was supported by the National Research Council, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Canada Foundation for Innovation, British Columbia Knowledge Development Fund, Western Economic Diversification Canada, Pacific Economic Development Canada, and Canada Research Chairs. References P. Trinke, B. Bensmann, and R. Hanke-Rauschenbach, Electrochem commun, 82, 98–102 (2017). M. Schalenbach, M. Carmo, D. L. Fritz, J. Mergel, and D. Stolten, Int J Hydrogen Energy, 38, 14921–14933 (2013). T. Sugawara, N. Kawashima, and T. N. Murakami, J Power Sources, 196, 2615–2620 (2011). T. Xie and C. A. Hayden, Polymer (Guildf), 48, 5497–5506 (2007). A. Bazarah et al., Int J Hydrogen Energy, 47, 35976–35989 (2022). D. Kulkarni et al., Appl Catal B, 308 (2022). J. T. Lang et al., Chem Rev (2022). C. Liu et al., J Electrochem Soc, 170, 034508 (2023). Y. Chen et al., J Electrochem Soc, 170, 114526 (2023). N. Kumar et al., J Electrochem Soc, 171, 074513 (2024). 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)0,000
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: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,002
Score d'incertitude au seuil0,006

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

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

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 Opus0,006
Tête enseignante GPT0,211
Écart entre enseignants0,205 · 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

Citations0
Publié2025
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