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C6.2 - Design and (nano)engineering of PEMFC cathode catalyst layers to boost the efficiency and life-time under aviation conditions

C6.2 - Design and (nano)engineering of PEMFC cathode catalyst layers to boost the efficiency and life-time under aviation conditions

Introduction

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are on the verge of commercialization on a larger scale, with one major obstacle standing in the way: low platinum loading with high performance and long-term durability. These challenges need to be overcome for future mobile applications such as aviation. Many approaches to achieving power-specific price and platinum (Pt) loading targets are based on replacing Pt with cheap transition metals or increasing the utilization of the platinum used. Over last two decades, Pt-based alloy cathode materials have been developed with superior catalytic performance for the very sluggish oxygen reduction reaction (ORR), enabling a reduction of the overall PEMFC stack costs. However, when the cathode Pt loading goes down to below 0.1 mg/cm2 to meet the cost targets, an as yet unexplained oxygen transport resistance occurs. The cause for the considerable voltage losses at high current density (> 1 A/cm2) is attributed to the insufficient supply of the O2 reactant into the porous cathode catalyst layer (CL), which dramatically affect the specific power density output of the PEMFC. Therefore, it is highly crucial to reduce the local O2 resistance near the catalyst surface to operate the PEMFC at high power density. It is suggested that these transport phenomena will play an even more important role in aviation application due to the differences in altitude (air dilution). In this proposal, the groups of Mehtap Oezaslan and Gabriele Raabe will systematically study the relevant key parameters to increase the O2 permeation and diffusivity through the ionomer film to the catalytically active Pt-Co and Pt-Ni surface. Therefore, it is very important to obtain fundamental insights into the catalyst – ionomer interface by linking the experiment with MD simulations. This knowledge may allow us to predict and ultimately to design and (nano)engineer material properties to overcome the high material PEMFC stack cost and dramatic performance losses for aviation application.

Obtaining fundamental insights into the catalyst – ionomer interface by linking the experiment with MD simulations

Objectives

Our multi-dimensional approach obtained from the MD simulations at molecular level to macroscopic porous CL on the cell level will bring new fundamental understanding of these catalyst – ionomer interactions without any loss of the ORR rates to light. Thus, our specific objectives are the following:

  • Development of atomistic molecular model to describe the interaction of the ionomer, water, hydronium ions and oxygen with the Pt-Ni and Pt-Co catalyst surface.
  • Correlation between the electrochemical performance and morphology of the Pt-Co and Pt-Ni CL with the ORR rates and operating conditions (temperature, relative humidity (RH), pressure) on 5 cm2 cell level.
  • Relationship between electrochemical diagnostic results (proton and O2 transport resistance) and spatial distribution and thickness of the ionomer film in the porous Pt-Co and Pt-Ni CL using microscopic and spectroscopic techniques.
  • Providing fundamental insight into the underlying molecular processes at the catalyst-ionomer interface such as accumulation of different compounds and the resulting oxygen solubility, diffusivity and distribution within the ionomer film by MD simulations.
  • Identification of the critical parameters to steer the ionomer distribution and thickness within the CL for high O2 permeation to the catalytically active Pt-Co and Pt-Ni surface based on the MD simulations and experimental data.
Project Supervision

Prof. Dr. Mehtap Oezaslan

Technical Electrocatalysis Laboratory,

TU Braunschweig

Institut für Technische Chemie

Franz-Liszt-Str. 35a (PVZ)

38106 Braunschweig

+49 (0)531 391 65792 (Head's Office)

m.oezaslan(at)tu-braunschweig.de

 

Prof. Dr.-Ing. Gabriele Raabe

Molecular Thermodynamics 

TU Braunschweig

Institut für Thermodynamik

Hans-Sommer-Str. 5

38106 Braunschweig

+49 (0)531 391 2628

G. Raabe(at)tu-Braunschweig.de 

Doctoral Researchers

Aditya Kale, M.Sc.
a.kale(at).tu-braunschweig.de

Field of Research: Molecular dynamics
Technische Universität Braunschweig
Institute für Thermodynamik, Molecular Thermodynamics Group

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