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Effect of catalyst layer mesoscopic pore-morphology on cold start process of PEM fuel cells

Frontiers in Energy 2021年第2期15卷 460-472页

作者： Ahmed Mohmed DAFALLA Fangming JIANG Laboratory of Advanced Energy Systems Guangdong Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and DevelopmentCAS Key Laboratory of Renewable EnergyGuangzhou Institute of Energy ConversionChinese Academy of Sciences(CAS)Guangzhou 510640China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China

Water transport is of paramount importance to the cold start of proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs).Analysis of water transport in cathode catalyst layer(CCL)during cold start reveals the distinct characteristics from the normal temperature operation.This work studies the effect of CCL mesoscopic pore-morphology on PEMFC cold start.The CCL mesoscale morphology is characterized by two tortuosity factors of the ionomer network and pore structure,respectively.The simulation results demonstrate that the mesoscale morphology of CCL has a significant influence on the performance of PEMFC cold start.It was found that cold-starting of a cell with a CCL of less tortuous mesoscale morphology can succeed,whereas starting up a cell with a CCL of more tortuous mesoscale morphology may fail.The CCL of less tortuous pore structure reduces the water back diffusion resistance from the CCL to proton exchange membrane(PEM),thus enhancing the water storage in PEM,while reducing the tortuosity in ionomer network of CCL is found to enhance the water transport in and the water removal from CCL.For the sake of better cold start performance,novel preparation methods,which can create catalyst layers of larger size primary pores and less tortuous pore structure and ionomer network,are desirable.

关键词： cold start energy conversion fuel cells mesoscale morphology tortuosity water management

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