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Impact of catalyst layer morphology on the operation of high temperature PEM fuel cells

  • Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a well-established method to analyze a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). However, without further data processing, the impedance spectrum yields only qualitative insight into the mechanism and individual contribution of transport, kinetics, and ohmic losses to the overall fuel cell limitations. The distribution of relaxation times (DRT) method allows quantifying each of these polarization losses and evaluates their contribution to a given electrocatalyst's depreciated performances. We coupled this method with a detailed morphology study to investigate the impact of the 3D-structure on the processes occurring inside a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC). We tested a platinum catalyst (Pt/C), a platinum-cobalt alloy catalyst (Pt3Co/C), and a platinum group metal-free iron-nitrogen-carbon (Fe–N–C) catalyst. We found that the hampered mass transport in the latter is mainly responsible for its lowElectrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a well-established method to analyze a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). However, without further data processing, the impedance spectrum yields only qualitative insight into the mechanism and individual contribution of transport, kinetics, and ohmic losses to the overall fuel cell limitations. The distribution of relaxation times (DRT) method allows quantifying each of these polarization losses and evaluates their contribution to a given electrocatalyst's depreciated performances. We coupled this method with a detailed morphology study to investigate the impact of the 3D-structure on the processes occurring inside a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC). We tested a platinum catalyst (Pt/C), a platinum-cobalt alloy catalyst (Pt3Co/C), and a platinum group metal-free iron-nitrogen-carbon (Fe–N–C) catalyst. We found that the hampered mass transport in the latter is mainly responsible for its low performance in the MEA (along with its decreased intrinsic performances for the ORR reaction). The better performance of the alloy catalyst can be explained by both improved mass transport and a lower ORR resistance. Furthermore, single-cell tests show that the catalyst layer morphology influences the distribution of phosphoric acid during conditioning.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:N. Bevilacqua, T. Asset, M. A. Schmid, Henning MarkötterORCiD, I. Manke, P. Atanassov, R. Zeis
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Journal of Power Sources Advances
Jahr der Erstveröffentlichung:2021
Organisationseinheit der BAM:8 Zerstörungsfreie Prüfung
8 Zerstörungsfreie Prüfung / 8.5 Röntgenbildgebung
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Elsevier Ltd.
Jahrgang/Band:7
Erste Seite:100042
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Distribution of relaxation times analysis; High-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell; Mass transport; Oxygen reduction reaction; Platinum-free catalyst
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Energie
Energie / Wasserstoff
DOI:10.1016/j.powera.2020.100042
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-520917
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International
Datum der Freischaltung:10.02.2021
Referierte Publikation:Nein
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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