ПРОТОНООБМЕННЫЕ МЕМБРАННЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Глобальная энергия. Том 29, № 3, 2023. С. 7-15. Global Energy, 2023, 29 (3); 7-15.

Материал был ранее опубликован. Ссылка для цитирования: Х. Цзян Протонообмен-ные мембранные топливные элементы. 4-й ежегодный доклад Ассоциации "Глобальная энергия". С. 94-102. Оригинальный полный текст доклада доступен по ссылке: https:// globalenergyprize.org/ru/2023/06/15/doklad-10-proryvnyh-idej-v-jenergetike-na-sledujushhie-10-let/

X. Цзян

Институт биоэнергетики и технологии биопроцессов Циндао, Китайская академия наук, Шаньдун, Китай

ПРОТОНООБМЕННЫЕ МЕМБРАННЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Введение. Рост уровня глобального потребления энегрии и загрязнение окружающей среды послужили толчком к поиску экологически чистых и возобновляемых альтернатив энергии, которые позволили бы удовлетворять потребности в энергии не за счет углеродного цикла. Благодаря своей экологичности и высокой удельной энергоемкости водород считается экологически чистым топливом и накопителем энергии, который найдет свое применение в энергетике будущего [1]. В водородном цикле решающее значение для преобразования энергии водорода в электрическую энергию имеют транспортные средства на топливных элементах. По сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания, используемыми сегодня во многих транспортных средствах, водородные топливные элементы обладают рядом несомненных преимуществ. Их эксплуатация обходится дешевле, они обладают более высокой эффективностью и надежностью, а вместо парниковых газов они выделяют чистую воду и тепло [2]. Эти достоинства указывают на то, что топливные элементы представляют собой перспективную технологию преобразования энергии для «зеленого» будущего [3].

Топливные элементы с протонообменной мембраной (ТЭПМ) представляют собой наиболее распространенный тип топливных элементов. Они могут преобразовывать химическую энергию топлива в электричество с КПД не менее 60%. Являясь универсальной технологией производства электроэнергии нового поколения, ТЭПМ способны работать при низких температурах (~80—120°С), питая электроэнергией транспортные средства и портативные устройства, а также крупные стационарные энергосистемы. Электрохимическая конверсия водорода в топливных элементах не производит вредных выбросов. Единственными отходами водородных топливных элементов являются чистая вода и потенциально полезное тепло; таким образом, в месте эксплуатации в воздух не выбрасываются загрязнения, вызывающие проблемы со здоровьем или парниковый эффект. Кроме того, топливные элементы работают бесшумно, что позволяет избежать возможного шумового загрязнения.

Топливные элементы зачастую сравнивают с батареями, поскольку электродвигатели, работающие от батарей, также являются перспективным низкоуглеродным решением [4]. На рис. 1 приводится схема сравнения их технических характеристик (Цзяо и др.) [5]. Топливные элементы обычно обладают более высокой плотностью энергии, чем батареи, благодаря свойствам, присущим используемому в них топливу. Топливным элементам требуется меньше времени для перезарядки по сравнению с батареями благодаря более быстрой заправке водородом. Топливные элементы способны функционировать в условиях низких температур, но в батареях обычно наблюдается значительно сниженная разрядная емкость. Что касается затрат, то здесь ситуация

© Х. Цзян, 2023. Издатель: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Рис. 1. Сравнение технических характеристик и применения транспортных средств на топливных элементах (ТСТЭ) и аккумуляторных электромобилей (АЭМ) в автомобильном транспорте будущего

несколько усложняется. При нынешнем уровне стоимости электроэнергии и водорода использование батарей в транспортных средствах малой дальности (< 200 миль, 322 км) обходится немного дешевле, чем использование топливных элементов; однако же, затраты становятся сопоставимыми для транспортных средств, используемых для перевозок на большие расстояния (> 300 миль, 483 км) [6]. Таким образом, по своим техническим характеристикам топливные элементы в настоящее время больше подходят для дальних и большегрузных перевозок, тогда как батареи имеют конкурентные преимущества для ближних и малотоннажных перевозок [5].

Топливные элементы обладают высокой энергетической эффективностью, высокой удельной мощностью, быстрым запуском, и не оставляют углеродный след. Эти свойства привлекают к ним все больше и больше внимания. За последние несколько десятилетий, благодаря использованию ТЭПМ, был достигнут значительный прогресс в разработке транспортных средств на топливных элементах. Учитывая производительность, стоимость и долговечность существующих моделей, крупномасштабная коммерциализация ТЭПМ вполне вероятна.

Функционирование ТЭПМ

ТЭПМ используют твердый полимер в качестве электролита и пористый углерод, наполненный катализатором, в качестве электродов (рис. 2а). Вместе они составляют основной компонент — мембранный блок электродов (МБЭ). Типичный МБЭ включает в себя протонообменную мембрану (ПМ), каталитические слои (КС) и газодиффузионные слои (ГДС) с микропорами. В составе ТЭПМ мембрана ПМ или полимерный электролит, в настоящее время на основе перф-торсульфоновой кислоты (ПФСК), действует как электрический изолятор, проводник протонов

а)

b)

Рис. 2. Схематическое изображение (а) структуры ТЭПМ и (б) принципа работы ТЭПМ

и газоотделитель. С обеих сторон протонообменной мембраны (рис. 2а), где происходят реакции восстановления кислорода и окисления водорода, добавляется КС, куда обычно входит насыщенный платиной углерод, тонко диспергированный в иономерах. За пределами КС расположены ГДС и слои карбоновой бумаги, которые облегчают распределение газа и удаление фильтрата, а также способствуют механической поддержке и электрической связи. Для эффективной работы МБЭ типичного одиночного ТЭПМ необходимы биполярные пластины (БП). БП, выполненные в основном из углерода, металла или композитов, обеспечивают электропроводность между ячейками и жесткими опорами для стека, на котором формируются поля течения реагентов и теплоносителей. Эти компоненты критически важны, их уникальные свойства и характеристики влияют на общую производительность, стоимость и долговечность ТЭПМ.

ТЭПМ работают как батареи; однако же, в отличие от батарей, они могут производить тепло и электроэнергию до тех пор, пока подается топливо, и не требуют подзарядки. МБЭ является частью топливного элемента, производящего электроэнергию (рис. 2b). В частности, когда водород подается на анод в водородном топливном элементе, катализаторы, расположенные на анодном КС, разлагают молекулы водорода на электроны и протоны. После этого электроны и протоны перемещаются к катоду разными путями. Электроны переносятся по внешней цепи, индуцируя электрический ток, а протоны мигрируют через ПМ к катализаторам на катодной КС, и в конечном итоге объединяются с подаваемым кислородом и электронами, производя тепло и воду. ГДС обеспечивает баланс между высвобождением воды, которое поддерживает поры открытыми для диффузии топливного газа в КС, и удержанием воды, которое поддерживает проводимость мембраны. Поскольку в типичных рабочих условиях один топливный элемент вырабатывает менее 1 В, что вряд ли удовлетворяет требованиям большинства областей применения, БП последовательно соединяют несколько топливных элементов и, таким образом, позволяют обеспечить эффективное напряжение на выходе.

За последние десятилетия был достигнут впечатляющий прогресс в преодолении технических сложностей ТЭПМ. В применении к легковым автомобилям усовершенствованные одиночные топливные элементы (общая загрузка Pt 0,175 мг см-2, загрузка катода Pt 0,15 мг см-2) могут поддерживать удельную мощность до 911 мВт см-2 при напряжении на ячейке 0,65 В в течение 8000 часов [9]. Соответствующая общая стоимость стека по сравнению с 2000 г., когда основная часть расходов на катализаторы и БП составляла 40% и 22% соответственно [9], снизилась на 8 долл. США/кВт, к 2022 г. составив примерно 31 долл. США/кВт. Эталоном для развития и инноваций в области ТЭПМ может стать пассажирский автомобиль Toyota Mirai на топливных элементах Mirai. В 2014 году Toyota запустила первую коммерческую серийную модель Mirai. Теперь Mirai

второго поколения, запущенный в конце 2020 года, обеспечивает удельную мощность стека с торцевыми пластинами и без них, 4,4 кВт л-1 и 5,4 кВт л-1 соответственно, и добился увеличения на 42% и 54% по сравнению с аналогичными показателями в первого поколения [10]. Однако же, розничная цена Mirai достигает 57 000 долларов США, и в Соединенных Штатах сдаются в аренду или продаются лишь около 7 000 устройств [11]. Напротив, рынок аккумуляторных электромобилей за последние два десятилетия значительно расширился благодаря быстрому техническому развитию литий-ионных аккумуляторов в сочетании с подзарядкой от домашней сети. Соответственно, электромобили, работающие на ТЭПМ, очевидно, находятся на ранних стадиях коммерческого внедрения. Их себестоимость еще не выдерживает конкуренции, а современные методы снижения стоимости могут значительно сократить срок службы стека. Основными решающими ограничениями для широкой коммерциализации пакета ТЭПМ являются ограниченная удельная мощность, стоимость, сравнимая со стоимостью бензина, и неудовлетворительная износостойкость. Поэтому для разработки ТЭПМ жизненно важны повышение удельной мощности, снижение эксплуатационных расходов и продление срока службы.

Разработка ТЭПМ

Для разработки ТЭПМ следующего поколения были приложены огромные научные усилия. На рис. 3 авторства Цзяо и др. хорошо представлены текущие возможности и проблемы на уровне компонентов [5]. Направление развития этих компонентов, включая их взаимосвязь и разработку, определяет потенциальные ожидания и крупномасштабную коммерциализацию ТЭПМ.

ГДС: Основным выбором для промышленных ТЭПМ является карбоновая бумага. Однако же, газопроницаемость и управление водобалансом, связанные с ее массообменом, относительно медленны, а межфазное сопротивление, особенно между ГДС и БП, очень велико. Была сертифицирована структурная модификация, в частности, регулирование размера пор ГДС [12] и лазерная перфорация [13]. Например, ГДС с достаточным градиентом размера пор, в сочетании с углеродным волокном, могут снизить контактное сопротивление и облегчить удаление воды и подачу реагентов за счет создания более эффективного моста между МБЭ и БП. Совсем недавно для снижения контактного сопротивления были предложены также ГДС из металлического листа [14], но их эксплуатация сопровождается коррозией, поэтому необходимо изучение новых материалов. Таким образом, до сих пор ожидается, что в будущих ТЭПМ будет использоваться регулируемая карбоновая бумага.

КС: Как основные затраты, так и максимальная удельная мощность четко ассоциируются с катализаторами на КЛ. В настоящее время в основном используется платиносодержащий углерод, диспергированный на иономерах, благодаря своей долговечности и превосходным характеристикам в электрохимической среде. Были рассмотрены три аспекта повышения производительности и снижения затрат: снижение содержания металлов платиновой группы (МПГ), изменение конструкции иономера и упорядочение структуры МБЭ.

При работе с катализаторами обычно используют три метода, нацеленные на то, чтобы снизить количество используемой платины и повысить их производительность и долговечность. Один из методов заключается в том, что наночастицы платины сплавляют с элементами переходных металлов или лантаноидами, такими как Ni, Co, Cu, Pr [15, 16]. Эти введенные атомы изменяют электронные свойства поверхности катализатора и ослабляют сильное взаимодействие поверхности с промежуточным звеном за счет сочетания эффектов деформации и лиганда, что позволяет оптимизировать перенос электронов [17]. Типичным примером является Pt3Ni(111) с внешним слоем, обогащенным Pt, и вторым атомным слоем, обогащенным Ni, который в 90 раз более активен, чем коммерческие катализаторы Pt/C [18]. Другим перспективным подходом является проектирование архитектур катализаторов, таких как оболочка ядра, наноклетки, на-нопроволоки, нанокаркасы, нанокристаллы [19]. Согласно количественному определению, вы-

Рис. 3. Современные конструкции МБЭ: (а) два перспективных подхода к проектированию будущих ГДС, (Ь) важные достижения в КС, (с) современная методология разработки ПМ

полненному с помощью обобщенного метода координационных чисел, полые или слипающиеся наночастицы Р1 с большим количеством вогнутых участков позволяют значительно улучшить кинетику электрокатализа [20]. Разработка катализаторов, не содержащих металлов платиновой группы, так же может способствовать снижению затрат [8, 21, 22]. Например, переходные металлы в сочетании с углеродом, легированным азотом, демонстрируют эффективность восстановления кислорода, сравнимую с современными катализаторами Р/С как в полуэлементных, так и в рабочих условиях ТЭПМ [23]. Однако же, вследствие непостоянных характеристик, демонстрируемых катализаторами в ходе испытаний полуэлементов и ТЭПМ, непостоянства наночастиц и нестабильной геометрии необходима стабилизация активных центров катализаторов, которая позволит повысить их устойчивость при сохранении сверхвысоких характеристик в рабочей среде ТЭПМ [24].

Иономеры помогают доставлять протоны от частиц и к частицам катализатора на КС. Их распределение оказывает существенное воздействие на использование платинового катализатора и ионную проводимость. По сравнению с обычной сажей углеродные носители, легированные азотом, и углеродные носители с внутренними порами нужного размера вполне можно использовать для обеспечения более равномерного покрытия иономера. Например, при применении чистого платинового катализатора углеродные подложки, легированные азотом, увеличивают удельную мощность ТЭПМ до 1390 мВт/см-2 [25]. Сокращение длины боковой цепи иономеров также может повысить объемы использования Pt и активизировать доставку протонов [26]. Тем не менее, для набухания/сжатия в воде по-прежнему будут требоваться высокостабильные иономеры с надежной водоудерживающей способностью.

Упорядоченные в структуру МБЭ обеспечивают эффективные пути массопереноса, что в свою очередь обеспечивает интенсивное воздействие на место реакции и утилизацию Pt. Эффективными способами создания МБЭ с упорядоченной структурой являются наноструктури-рованные тонкопленочные катализаторы 3M и массивы углерода в иономерах. Тонкопленочные наноструктурированные КС 3M обеспечивают плотность мощности до 1000 мВт/см-2 при сверхнизком содержании платины 0,094 мг/см-2 [27]. Упорядоченный в структуру МБЭ на основе вертикально ориентированных массивов углеродных нанотрубок также способен обеспечивать высокую плотность мощности, 1560 мВт/см-2, с низкой загрузкой катода Pt (0,1 мг/см-2) [28]. Как ожидается, применяя данные стратегии к катализаторам и архитектуре КС, можно будет добиться повышения мощности, снижения стоимости и увеличения срока службы ТЭПМ.

ПМ: Чтобы облегчить применение ТЭПМ, для будущих ТЭПМ желательно изобрести новую мембрану, обладающую высокой протонной проводимостью, хорошей электрохимической и механической стабильностью и низкой стоимостью. Один из основных способов - усовершенствование коммерческих мембран из перфторсульфоновой кислоты. Уменьшение толщины мембраны может снизить поверхностное сопротивление, облегчая перенос протонов и водоподачу. Однако же, при этом снизится электрохимическая и механическая стабильность. Кроме того, в устройствах Mirai первого поколения поле течения в пористой среде может быть использовано для расширения механической поддержки тонкого ПМ [29]. Также в коммерческой практике в мембрану включают соли церия для повышения стабильности тонких мембран. Например, в устройствах Mirai второго поколения были достигнуты улучшенные показатели электрохимической и механической устойчивости за счет введения солей церия в мембраны, несмотря на то, что толщина мембраны была примерно на 30% меньше [30]. Другой перспективный метод это поиск новых альтернатив мембранам из перфторсульфоновой кислоты. Среди них широко исследуются сульфированные углеводородные полимеры благодаря своей хорошей термической стабильности и протонной проводимости [31]. Кроме того, ожидается, что свойства мембран улучшит ориентация структур переноса протонов и включение в мембраны ферроцианидных групп. Соответственно, представляется, что мембраны из перфторсульфоновой кислоты все еще будут применяться в течение следующего десятилетия, но большее распространение, по-видимому, получат не столь дорогие неперфторированные ПМ.

БП: Массообменные свойства пакета ТЭПМ зависят от структуры поля потока БП. Более 30% стоимости и 70% объема всего стека ТЭПМ приходится на БП5. Для повышения массообмен-ных свойств БП в основном использовали модификацию канально-реберной структуры и создание полей течения без ребер, но с пористой структурой или микро-перегородками. Например, перегородки, штампованные в виде рыбьей чешуи, используемые в трехмерном БП, облегчили массоперенос в Mirai первого поколения [32]. С точки зрения стоимости и объема интеграция компонентов обеспечивает более компактную ячеистую структуру.

Полное устранение ГДС, а именно интегрированной структуры БП-МБЭ, значительно уменьшает объем ТЭПМ и с успехом устраняет межфазный перенос массы, тепла и электронов [33].

Кроме того, долговечность БП, на которую оказывают влияние электрохимическая коррозия и механическая деградация, также представляет собой серьезный практический фактор. Обработка БП слоем пассивного покрытия, в том числе с формированием низкоомных оксидных пленок и антикоррозионных покрытий, позволяет повысить его долговременную стабильность [32]. Ожидается, что коммерциализации ТЭПМ будет способствовать точность и единообразие используемых в настоящее время металлических/углеродных БП и покрытий.

Иными словами, сегодня решающим направлением является создание усовершенствованной, управляемой и простой в производстве структурной конструкции для текущих ключевых компонентов ТЭПМ, в то время как разработка новых материалов обещает дать значительный импульс к окончательной крупномасштабной коммерциализации ТЭПМ.

ТЭПМ: сложности и возможности

Всё больше стран начинают заботиться о развитии водородной энергетики, обращая особое внимание на инновации в области ТЭПМ. Такое развитие может ускорить модернизацию энергетики, обеспечить углеродную нейтральность и способствовать экономическому росту. Местные администрации и органы государственной власти прилагают значительные усилия, стремясь воспользоваться открывающимися возможностями. Китай, крупнейший производитель водорода с годовым объемом производства 33 миллиона тонн, в марте обнародовал свою первую в истории национальную водородную стратегию, в соответствии с которой к 2025 году на дорогах Китая будет эксплуатироваться более 50 000 электромобилей на водородных топливных элементах. Во многих европейских странах принят закон о запрете двигателей внутреннего сгорания и земене их двигателями на ТЭПМ. Европейский союз планирует запретить продажу новых автомобилей с двигателем внутреннего сгорания с 2035 года. Министерство энергетики США поддерживает исследования и разработки, связанные с топливными элементами, уже с конца 1970-х годов. При поддержке от правительства и промышленности, индустрия ТЭПМ будет быстро развиваться, аналогично индустрии литий-ионных аккумуляторов.

Однако же, для повышения производительности, снижения затрат и повышения долговечности ТЭПМ, а следовательно, их крупномасштабной коммерциализации, по-прежнему необходимы передовые технологии. Правительства многих стран установили соответствующие при-оритты исследований и разработок, способных обеспечить широкое коммерческое применение ТЭПМ. По данным Организации по развитию новой энергетики и промышленных технологий Японии, целевыми значениями удельной мощности автомобильного блока топливных элементов, установленными для 2030 и 2040 гг., являются 6,0 кВт л-1 и 9,0 кВт л-1 соответственно [34]. По заявлению Совместного предприятия Европейского Союза по топливным элементам и водороду 2 (EU-FCH2JU), целевая плотность мощности пакета ТЭПМ к 2024 г. должна составлять 9,3 кВт л-1 (с торцевыми пластинами) при напряжении одного элемента 0,6 В и плотности тока 2,67 А см-2 [35]. Министерство энергетики США установило значение целевой стоимости блока ТЭПМ для легковых автомобилей на уровне 40 долларов за киловатт к 2025 году и 60 долларов за киловатт для большегрузных автомобилей к 2030 году [9]. Тем не менее, эти целевые показатели затрат труднодостижимы в рамках текущей модели усовершенствованного стека, поскольку по прогнозам стоимость составит 50 и 145 долларов США за киловатт соответственно [9]. Таким образом, технологические инновации по-прежнему необходимы для того, чтобы добиться повышения удельной мощности этих критических компонентов, снижения затрат и повышения долговечности ТЭПМ.

Заключение

Подводя итог, мы приходим к выводу, что ТЭПМ достигли ранней стадии индустриализации и коммерциализации, но их неосновным компонентам все еще необходимо преодолеть некоторые

технические барьеры. Тремя критериями для оценки свойств и характеристик этих важнейших компонентов являются производительность, стоимость и долговечность ТЭПМ. При наличии поддержки на государственном уровне, в рамках эффективной и действенной нормативно-правовой базы, в будущем возможно добиться успешной коммерциализации ТЭПМ.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

[1] Bockris J.O.M. A hydrogen economy. Science 176, 1323-1323 (1972).

[2] Fichtner J. et al. Tailoring the oxygen reduction activity of Pt nanoparticles through surface defects: a simple top-down approach. ACS catalysis 10, 3131-3142 (2020).

[3] Mekhilef S., Saidur R., Safari A. Comparative study of different fuel cell technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16, 981-989 (2012).

[4] Cano Z.P. et al. Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets. Nature Energy 3, 279-289 (2018).

[5] Jiao K. et al. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells. Nature 595, 361-369 (2021).

[6] Groger O., Gasteiger H.A., Suchsland J.-P. Electromobility: Batteries or fuel cells? Journal of The Electrochemical Society 162, A2605 (2015).

[7] Miyake J. et al. Rechargeable proton exchange membrane fuel cell containing an intrinsic hydrogen storage polymer. Communications Chemistry 3, 1-7 (2020).

[8] Tang M., Zhang S., Chen, S. Pt utilization in proton exchange membrane fuel cells: structure impacting factors and mechanistic insights. Chemical Society Reviews (2022).

[9] James B.D. Fuel Cell Cost and Performance Analysis (2022 DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Annual Merit, 2022); https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review22/fc353_james_2022_o.pdf

[10] Full specs of Toyota MIRAI 2021. Toyota USA https://www.toyota.com/MIRAI/features/mileage_es-timates/3002/3003 (2020).

[11] Shao M., Chang Q., Dodelet J.-P., Chenitz R. Recent advances in electrocatalysts for oxygen reduction reaction. Chemical reviews 116, 3594-3657 (2016).

[12] Li M. et al. Ultrafine jagged platinum nanowires enable ultrahigh mass activity for the oxygen reduction reaction. Science 354, 1414-1419 (2016).

[13] Gerteisen D., Sadeler C. Stability and performance improvement of a polymer electrolyte membrane fuel cell stack by laser perforation of gas diffusion layers. Journal of Power Sources 195, 5252-5257 (2010).

[14] Tanaka S., Bradfield W.W., Legrand C., Malan A.G. Numerical and experimental study of the effects of the electrical resistance and diffusivity under clamping pressure on the performance of a metallic gas-diffusion layer in polymer electrolyte fuel cells. Journal of Power Sources 330, 273-284 (2016).

[15] Oezaslan M., Hasche F., Strasser P. PtCu3, PtCu and Pt3Cu alloy nanoparticle electrocatalysts for oxygen reduction reaction in alkaline and acidic media. Journal of The Electrochemical Society 159, B444 (2012).

[16] Stephens I.E., Bondarenko A.S., Grenbjerg U., Rossmeisl J., Chorkendorff I. Understanding the elec-trocatalysis of oxygen reduction on platinum and its alloys. Energy & Environmental Science 5, 6744-6762 (2012).

[17] Kitchin J.R., Nerskov J.K., Barteau M.A., Chen J. Role of strain and ligand effects in the modification of the electronic and chemical properties of bimetallic surfaces. Physical Review Letters 93, 156801 (2004).

[18] Stamenkovic V.R. et al. Improved oxygen reduction activity on Pt3Ni (111) via increased surface site availability. Science 315, 493-497 (2007).

[19] Garlyyev B. et al. Optimizing the size of platinum nanoparticles for enhanced mass activity in the electrochemical oxygen reduction reaction. Angewandte Chemie International Edition 58, 9596-9600 (2019).

[20] Calle-V&llejo F. et al. Finding optimal surface sites on heterogeneous catalysts by counting nearest neighbors. Science 350, 185-189 (2015).

[21] Gai H. etal. Sandwich-like hierarchical porous dual-carbon catalyst with more accessible sites for boosting oxygen reduction reaction. Materials Today Energy 21, 100809 (2021).

[22] Xue S., Liang Y., Hou S., Zhang Y., Jiang H. Alpha-nickel hydroxide coating of metallic nickel for enhanced alkaline hydrogen evolution. ChemSusChem 15, e202201072 (2022).

[23] Wan X. et al. Fe—N—C electrocatalyst with dense active sites and efficient mass transport for high-performance proton exchange membrane fuel cells. Nature Catalysis 2, 259-268 (2019).

[24] Lazaridis T., Stuhmeier B.M., Gasteiger H.A., El-Sayed H.A. Capabilities and limitations of rotating disk electrodes versus membrane electrode assemblies in the investigation of electrocatalysts. Nature Catalysis 5, 363-373 (2022).

[25] Ott S. et al. Ionomer distribution control in porous carbon-supported catalyst layers for high-power and low Pt-loaded proton exchange membrane fuel cells. Nature materials 19, 77-85 (2020).

[26] Poojary S., Islam M.N., Shrivastava U.N., Roberts E.P., Karan K. Transport and electrochemical interface properties of ionomers in Low-Pt loading catalyst layers: effect of ionomer equivalent weight and relative humidity. Molecules 25, 3387 (2020).

[27] Crowtz T., Dahn J.R. Screening bifunctional Pt based NSTF catalysts for durability with the rotating disk electrode: The effect of Ir and Ru. Journal of The Electrochemical Society 165, F854 (2018).

[28] Murata S., Imanishi M., Hasegawa S., Namba R. Vertically aligned carbon nanotube electrodes for high current density operating proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources 253, 104-113 (2014).

[29] Wang Y., Diaz D.F.R., Chen K.S., Wang Z., Adroher X.C. Materials, technological status, and fundamentals of PEM fuel cells-a review. Materials today 32, 178-203 (2020).

[30] Pearman B.P. et al. The chemical behavior and degradation mitigation effect of cerium oxide nan-oparticles in perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membranes. Polymer degradation and stability 98, 1766-1772 (2013).

[31] Miyatake K., Chikashige Y., Higuchi E., Watanabe M. Tuned polymer electrolyte membranes based on aromatic polyethers for fuel cell applications. Journal of the American Chemical Society 129, 3879-3887 (2007).

[32] James B.D., Huya-Kouadio J.M., Houchins C., DeSantis D.A. Mass production cost estimation of direct H2 PEM fuel cell systems for transportation applications: 2012 update. report by Strategic Analysis, Inc., under Award Number DEEE0005236 for the US Department of Energy 18 (2012).

[33] Tanaka S., Shudo T. Corrugated mesh flow channel and novel microporous layers for reducing flooding and resistance in gas diffusion layer-less polymer electrolyte fuel cells. Journal of Power Sources 268, 183-193 (2014).

[34] Amamiya I., Tanaka S. Current topics proposed by PEFC manufacturers, etc. - current status and topics of fuel cells for FCV. In Hydrogen, Fuel Cell Project Evaluation, and Issue Sharing Week (Japan New Energy and Industrial Technology Development Organization, 2019); available at https://www.nedo.go.jp/con-tent/100895101.pdf (in Japanese).

[35] Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking (FCH 2 JU). 2019 annual work plan and budget (FCH 2 JU, 2018); https://ec.europa.eu/research/participants/data/ref/h2020/other/wp/jtis/h2020-wp19-fch_en.pdf.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

ЦЗЯН Хецин - руководитель группы мембранного разделения и катализа, Институт биоэнергетики и технологии биопроцессов Циндао, Китайская академия наук.

Global Energy, 2023, 29 (3); 16-23. Глобальная энергия. Том 29, № 3, 2023. С. 16-23.

This article has been previously published. Citation link: H. Jiang Proton exchange membrane fuel cells. 4rd Annual Report of the Global Energy Association. pp. 83-90. The original full text of the report is available at the link: https://globalenergyprize.org/en/2023/06/15/10-breakthrough-ideas-in-energy-for-the-next-10-years/

H. Jiang

Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Science, Shandong, China

PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS

Introduction. With the increased global energy consumption and environmental pollution, efforts are being made to find eco-friendly and renewable energy alternatives to decouple the energy demands from the carbon cycle. Due to its eco-friendliness and high weight-energy density, hydrogen is regarded as a non-polluting fuel and energy-storage medium for the future of energy [1]. In the hydrogen cycle, fuel cell vehicles are critical for converting hydrogen energy to electrical energy. Over conventional internal combustion engines used in many vehicles today, hydrogen fuel cells exhibit several attractive advantages such as higher efficiency, zero greenhouse gas emissions, pure water and heat as the only by-products, lower operating costs, and robust reliability [2]. These merits point to fuel cells as a promising energy conversion technology for our green future [3].

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), the most common type of fuel cells, can convert the chemical energy in fuels to electricity with efficiencies of at least 60%. As a versatile new-generation power generation technology, PEMFCs can operate at low temperatures (~80—120 °C), supplying electricity to transport vehicles and portable devices, as well as to large-scale stationary power systems. The electrochemical conversion of hydrogen in fuel cells produces no harmful emissions. When fed with hydrogen, the only by-productions of fuel cells are pure water and potentially useful heat; thus, no air pollutants that cause health problems or the greenhouse effect are emitted at the point of operation. Besides, fuel cells are quiet during operation, avoiding possible noise pollution.

Generally, fuel cells are often compared with batteries, as electric motors powered by batteries are a promising low-carbon transport route as well [4]. Figure 1 gives a good summary for comparison of their technical characteristics from Jiao et al. [5]. Fuel cells typically exhibit higher energy density than batteries due to the inherent property of the used fuel. During the refill process, fuel cells are able to take less time relative to batteries thanks to the faster hydrogen refueling. For fuel cells, the performance can be maintained under low temperature conditions, but a considerably decreased discharge capacity is generally observed on batteries. Concerning the costs, the situation becomes a bit complex. At the current cost levels of electricity and hydrogen, using batteries costs a bit less than that using fuel cells for short-range vehicles (< 200 miles, 322 km), but the costs become comparable for long-range vehicles (> 300 miles, 483 km) [6]. Therefore, based on their respective technical characteristics, fuel cells are currently more suitable for long-distance and heavy-duty transportation, whereas batteries have more competitive advantages for short-distance and light-duty transportation [5].

Fuel cells have high energy-convention efficiency, high power density, zero carbon footprints, and fast start-up, thus attracting rapidly growing attention. In the past several decades, PEMFCs have made significant progress on the development of fuel cell vehicles. Considering the performance, cost, and durability of current models, there are still gaps for PEMFCs in large-scale commercialization.

© H. Jiang, 2023. Published by Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

50

"Ш 10

N 2

FCV domain

д*

0 200 400 600 Cruising range (km) 800

BEV FCV

Storage media Li-ion batteries Hydrogen

Energy density <200 W h kg'1 -300 W h kg"1

Refuelling time Hours Minutes

Low temperature Severe degradation Demonstrated at -30 °C

Efficiency -90% -60%

Infrastructure Grid and charging piles Hydrogen stations

Fig. 1. Comparison of the application in future automotive transportation of fuel cell vehicles (FCVs) and battery electric vehicles (BEVs) and their technical characteristics

PEMFC performance

PEMFCs use a solid polymer as an electrolyte and porous catalyst-loaded carbon as electrodes (Fig. 2a), which co-construct the core component — the membrane electrode assembly (MEA). The typical MEA comprises a proton-exchange membrane (PEM), catalyst layers (CL), and gas diffusion layers (GDL) with micropores. In PEMFCs, the PEM or polymer electrolyte membrane, currently perfluorosulfonic acid (PFSA)-based, functions as an electrical insulator, a proton conductor, and a gas separator. The CL, conventionally including platinum-loaded carbon finely dispersed within ionomers, is added on both sides of the proton-exchange membrane (Fig. 2a), where the oxygen reduction and hydrogen oxidation reactions occur. The GDLs, layers of carbon paper, locate outside the CLs, facilitating gas distribution and removal of product water as well as assisting mechanical support and electrical connection. A typical single PEMFC requires bipolar plates (BPs) to operate MEA effectively. The BPs, mostly made of carbon, metal, or composites, provide electrical conduction between cells and rigid supports for the stack, onto which flow fields of reactants and coolants are fabricated. These critical components in PEMFCs, their unique properties, and characteristics affect the overall performance, cost, and durability of PEMFCs.

PEMFCs work like batteries; however, they can produce heat and electricity as long as fuel is fed and do not require recharging compared to batteries. The MEA is the part of the fuel cell that produces power (Fig. 2b). Specifically, when hydrogen is supplied to the anode in a hydrogen fuel cell, catalysts located on the anodic CL decompose hydrogen molecules into electrons and protons. The electrons and protons then take different paths to the cathode. The electrons transport through an external circuit, inducing an electricity flow, and the protons migrate through the PEM to the catalysts on the cathodic CL, finally uniting with oxygen fed and the electrons to produce heat and water. The GDLs enable the balance between water release that keeps the pores open capable of fuel gas diffusion into the CLs and water retention that maintains membrane conductivity. Since a single fuel cell produces less than 1 V under typical operating

Fig. 2. Schematics of PEMFC (a) structure and (b) working principle

conditions that hardly meet most application requirements, the BPs connect multiple fuel cells in series and thus enable to provide a practical output voltage.

Impressive progress has been made to overcome the technical barriers of PEMFCs in the past decades. In terms of light-duty vehicles conditions, the advanced single fuel cells (total Pt loading 0.175 mg cm-2, cathode Pt loading 0.15 mg cm-2) can maintain a power density as high as 911 mW cm-2 with a cell voltage of 0.65 V for 8,000 hrs [9]. The corresponding total stack cost decreased to about $31/kW in 2022, reduced by $8/kW compared to that in 2000, in which costs of catalysts and BPs accounted for the main part, 40% and 22%, respectively[9]. Toyota Mirai passenger fuel cell vehicle can be a benchmark for PEMFC development and innovation. In 2014, Toyota launched the first commercially mass-produced Mirai. Now the second-generation Mirai, launched at the end of 2020, enabled stack power densities with and without end plates, 4.4 kW L-1 and 5.4 kW L-1, respectively, and achieved an increase of 42% and 54% compared to those in the first generation [10]. However, the retail price of Mirai is high to $57,000, with only ~ 7,000 leased or sold in the United States [11]. In contrast, the battery electric market has expanded massively over the past two decades thanks to the rapid lithium-ion battery technical development combined with grid at-home recharging. Accordingly, PEMFC electric vehicles are obviously in the early stages of commercialization. Their initial cost is not yet competitive, and current methods for reducing the cost can decrease the stack lifetime dramatically. Limited power density, cost parity with gasoline, and unsatisfied durability are crucial constraints for widespread PEMFC stack commercialization. Therefore, improving power density, lowering operation costs, and prolonging lifetime are vital for developing PEMFCs.

PEMFC development

Tremendous scientific efforts have been made in designing the next generation of PEMFCs. In Fig. 3, the current potentials and challenges were well provided at the component level by Jiao et. al.[5]. The development direction of those components, including their interrelationship and design, determines the potential expectations and large-scale commercialization of PEMFCs.

GDL Carbon paper is the mainstream choice for commercialized PEMFCs, yet the gas permeation and water management related to its mass transfer are relatively slow, and the interfacial resistance, especially between the GDL and the BP, is much high. Structural modification has been certified as an effective approach, such as regulating GDL pore sizes [12] and laser perforation [13]. For example, GDLs with a sufficient gradient pore size, assisted by the carbon fiber arrangement, can reduce the contact resistance and facilitate water removal and reactant supply by establishing a more effective bridge between the MEA and the BP. More recently, a metal-sheet GDL was also proposed to reduce the contact resistance [14], but corrosions accompanied by the operation requires exploring new materials. Therefore till now, regulated carbon paper is still expected to function in future PEMFCs.

Fig. 3. State-of-the-art MEA designs. (a) Two promising design approaches for future GDL. (b) Important advances in CLs. (c) Recent approaches for PEM development

CL Both the main costs and the maximum power density are closely associated with catalysts on the CLs. Currently, platinum-loaded carbon, dispersed with ionomers, is mostly used due to its excellent durability and performance in an electrochemical environment. Three aspects have been considered to increase the performance and reduce the costs: decreasing the platinum group metal (PGM) loading, redesigning the ionomer, and ordering the MEA structure.

Three approaches are typically pursued for catalysts to lower the Pt utilization amount and enhance their performance and durability. One way is to alloy Pt nanoparticles with transition metal elements or lanthanides, such as Ni, Co, Cu, Pr [15, 16]. These introduced atoms alter the electronic properties of the catalyst surface and weaken the strong surface-intermediate interactions through a combination of strain and ligand effects, thus allowing the optimization of electron transfer [17]. A representative ex-

ample is Pt3Ni(111) with a Pt-rich outermost layer and a Ni-rich second atomic layer, which is 90-fold more active than the commercial Pt/C catalysts [18]. Another promising approach is the design of catalyst architectures, such as core-shell, nanocages, nanowires, nanoframes, nanocrystals [19]. As quantified by the generalized coordination number approach, hollow or coalescing Pt nanoparticles with rich concave sites enable significantly improved electrocatalysis kinetics [20]. Besides, developing platinum group metal-free catalysts is an alternative direction to address the high-cost issue fundamentally [8, 21, 22]. For example, transition metals combined with nitrogen co-doped carbons exhibit comparable oxygen reduction performance to state-of-the-art Pt/C catalysts under both half-cell and PEMFC operating conditions [23]. However, the inconsistent performance of catalysts in the half-cell and PEMFC tests, the fickleness of the nanoparticles, and unstable shape geometries all call for stabilizing active sites of catalysts to enhance the durability while maintaining the ultrahigh performance in a PEMFC operating environment [24].

Ionomers help deliver protons from and to the catalyst particles on CLs, and their distribution significantly affects the Pt catalyst utilization and ionic conductivity. Compared with the typical carbon black, nitrogen-doped carbon supports and carbon supports with a preferred internal pore are promising candidates that ensure more uniform coverage of the ionomer. For example, nitrogen-doped carbon supports promote the power densities of PEMFCs to 1,390 mW cm-2 with a pure Pt catalyst [25]. Shortening the side-chain length of ionomers can also increase Pt utilization and enhance proton delivery [26]. However, concerning the water swelling/deswelling issues, highly stable ionomers with reliable water retention ability are still required in the future.

Order-structured MEAs provide efficient mass transport pathways that ensure a high reaction site exposure and Pt utilization. The 3M nanostructured thin film catalysts and carbon arrays in ionomers are both effective ways for constructing order-structured MEAs. The 3M nanostructured thin film CLs enable a power density as high as 1000 mW cm-2 with an ultra-low Pt loading of 0.094 mg cm-2 [27]. Order-structured MEA based on vertically aligned carbon nanotube arrays can also deliver a high power density, 1,560 mW cm-2, with a low cathode Pt loading (0.1 mg cm-2) [28]. Through those mentioned strategies on catalysts and CL architecture, it is expected that improvement in power, reduction in cost, and extension of PEMFC lifetime will be achieved.

PEM In order to expedite the application of PEMFCs, a new membrane with high proton conductivity, good electrochemical and mechanical stability, and low cost is desired for future PEMFCs. One main approach is to adjust the commercial perfluorosulfonic acid membranes. Reducing the membrane thickness can decrease the surface resistance, facilitating proton transfer and water transport, yet the electrochemical and mechanical stability are diminished. As an effective strategy, introducing PTFE into thin membranes can reinforce mechanical and dimensional stability. In addition, in the first-generation Mirai, a porous-medium flow field can be used to extend the mechanical support of the thin PEM [29]. Incorporating cerium salt into the membrane is also adapted in commercial practice to promote the stability of thin membranes. For example, despite membrane thickness being ~30% thinner, improved electrochemical and mechanical durability was achieved by introducing cerium salts into the membranes in the second-generation Mirai [30]. Finding new alternatives to perfluorosulfonic acid membranes is another promising approach. Among them, sulfonated hydrocarbon polymers are widely investigated due to their good thermal stability and proton conductivity [31]. Also, orienting proton-transport structures and incorporating ferrocyanide groups in membranes are expected to improve the property of membranes. Accordingly, it appears that perfluorosulfonic acid membranes seemingly will remain in play for about the next 10 years, but less expensive non-perfluorinated PEMs will gain more prominence.

BP The mass transport capacity of the PEMFC stack depends on the flow field design of BPs, and over 30% cost and 70% volume of the entire PEMFC stack is accounted for BPs5. In order to promote

the mass transport ability of BPs, modifying the channel-rib structure and developing flow fields without ribs but with porous structures or micro bafflers have been mainly used. For example, baffles stamped in a fish-scale pattern used in the three-dimensional BP facilitated the mass transfer of the first-generation Mirai [32]. In terms of the cost and volume issues, the component integration provides a more compact cell structure. The complete removal of the GDL, namely an integrated BP-MEA structure, both significantly reduces PEMFCs volume and advantageously eliminates the interfacial transport of mass, heat, and electrons [33]. Besides, the durability of the BP is also a severe factor in practice that is influenced by electrochemical corrosion and mechanical degradation. Coating the BP with a passive layer, including the formation of low-resistance oxide films and corrosion-resistant coatings, can improve its long-term stability [32]. Precision and uniform manufacturing of currently used metal/carbon BPs and coatings are expected to facilitate PEMFC commercialization.

In short, for current key components in PEMFCs, establishing a refined, controllable, and easy-to-man-ufacture structural design is a crucial direction, while developing new materials promises to have far-reaching impacts on PEMFC final large-scale commercialization.

Opportunities and challenge of PEMFCS

The hydrogen energy industry development, especially PEMFC technology innovation, has gradually attracted much attention from many countries worldwide, since it can accelerate energy upgrades, serve carbon neutrality, and promote economic growth. Local and national authorities have taken significant action to seize emerging opportunities. China, the largest hydrogen producer with an annual output of 33 million tonnes, released its first-ever national hydrogen strategy in March, in which more than 50,000 hydrogen fuel cell electric vehicles will run on the road in China by 2025. Many countries in European have enacted legislation to ban internal combustion engines in support of PEMFCs, and European Union plans to ban the sale of new combustion engine cars from 2035. The United States Department of Energy (DOE) has supported fuel cell-related research and development since the late 1970s. With support from the government and the industry, the PEMFC industry will develop rapidly in the future, similar to the development of the lithium-ion battery industry.

However, advanced technologies are still required to improve performance, reduce costs, and promote durability of PEMFCs for their large-scale commercialization. Associated research and development targets capable of this commercialization have been set by the various national authorities. According to the New Energy and Industrial Technology Development Organization of Japan, 6.0 kW L-1 and 9.0 kW L-1 are the power density targets of the fuel cell stack for automotive applications in 2030 and 2040, respectively [34]. The European Union Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking (EU-FCH2JU) recently demonstrated that the power density goal of a PEMFC stack is 9.3 kW L-1 (with end plates) at a single-cell voltage of 0.6 V and a current density of 2.67 A cm-2 by 2024 [35]. The United States DOE set the cost goal of a PEMFC stack is $40 per kilowatt under light-duty vehicles conditions in 2025 and $60 per kilowatt under heavy-duty vehicles conditions in 2030 [9]. Nevertheless, those cost targets are hard to achieve under the current advanced stack model since the predictions are $50 and $145 per kilowatt, respectively [9]. Therefore, technological innovation is still required on those critical components to improve power densities, reduce costs, and increase the durability of PEMFCs.

Conclusion

To sum up, we can conclude that the PEMFCs have evolved to the early stage of industrialization and commercialization, but there are still technical barriers that need to be overcome in critical components of PEMFCs. The performance, costs, and durability of PEMFCs are the three criteria for evaluating the properties and characteristics of these critical components. With policy support and technological advancement, the PEMFCs will be successfully commercialized under an efficient and effective regulatory framework in the future.

REFERENCES

[1] J.O.M. Bockris, A hydrogen economy. Science 176, 1323-1323 (1972).

[2] J. Fichtner, et al., Tailoring the oxygen reduction activity of Pt nanoparticles through surface defects: a simple top-down approach. ACS catalysis 10, 3131-3142 (2020).

[3] S. Mekhilef, R. Saidur, A. Safari, Comparative study of different fuel cell technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16, 981-989 (2012).

[4] Z.P. Cano, et al., Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets. Nature Energy 3, 279-289 (2018).

[5] K. Jiao, et al., Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells. Nature 595, 361-369 (2021).

[6] O. Groger, H.A. Gasteiger, J.-P. Suchsland, Electromobility: Batteries or fuel cells? Journal of The Electrochemical Society 162, A2605 (2015).

[7] J. Miyake, et al., Rechargeable proton exchange membrane fuel cell containing an intrinsic hydrogen storage polymer. Communications Chemistry 3, 1-7 (2020).

[8] M. Tang, S. Zhang, S. Chen, Pt utilization in proton exchange membrane fuel cells: structure impacting factors and mechanistic insights. Chemical Society Reviews (2022).

[9] B.D. James, Fuel Cell Cost and Performance Analysis (2022 DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Annual Merit, 2022); https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review22/fc353_james_2022_o.pdf

[10] Full specs of Toyota MIRAI 2021. Toyota USA https://www.toyota.com/MIRAI/features/mileage_es-timates/3002/3003 (2020).

[11] M. Shao, Q. Chang, J.-P. Dodelet, R. Chenitz, Recent advances in electrocatalysts for oxygen reduction reaction. Chemical reviews 116, 3594-3657 (2016).

[12] M. Li, et al., Ultrafine jagged platinum nanowires enable ultrahigh mass activity for the oxygen reduction reaction. Science 354, 1414-1419 (2016).

[13] D. Gerteisen, C. Sadeler, Stability and performance improvement of a polymer electrolyte membrane fuel cell stack by laser perforation of gas diffusion layers. Journal of Power Sources 195, 5252-5257 (2010).

[14] S. Tanaka, W.W. Bradfield, C. Legrand, A.G. Malan, Numerical and experimental study of the effects of the electrical resistance and diffusivity under clamping pressure on the performance of a metallic gas-diffusion layer in polymer electrolyte fuel cells. Journal of Power Sources 330, 273-284 (2016).

[15] M. Oezaslan, F. Hasche, P. Strasser, PtCu3, PtCu and Pt3Cu alloy nanoparticle electrocatalysts for oxygen reduction reaction in alkaline and acidic media. Journal of The Electrochemical Society 159, B444 (2012).

[16] I.E. Stephens, A.S. Bondarenko, U. Granbjerg, J. Rossmeisl, I. Chorkendorff, Understanding the elec-trocatalysis of oxygen reduction on platinum and its alloys. Energy & Environmental Science 5, 6744-6762 (2012).

[17] J.R. Kitchin, J.K. Narskov, M.A. Barteau, J. Chen, Role of strain and ligand effects in the modification of the electronic and chemical properties of bimetallic surfaces. Physical Review Letters 93, 156801 (2004).

[18] V.R. Stamenkovic, et al., Improved oxygen reduction activity on Pt3Ni (111) via increased surface site availability. Science 315, 493-497 (2007).

[19] B. Garlyyev, et al., Optimizing the size of platinum nanoparticles for enhanced mass activity in the electrochemical oxygen reduction reaction. Angewandte Chemie International Edition 58, 9596-9600 (2019).

[20] F. Calle-Vllejo, et al., Finding optimal surface sites on heterogeneous catalysts by counting nearest neighbors. Science 350, 185-189 (2015).

[21] H. Gai, et al., Sandwich-like hierarchical porous dual-carbon catalyst with more accessible sites for boosting oxygen reduction reaction. Materials Today Energy 21, 100809 (2021).

[22] S. Xue, Y. Liang, S. Hou, Y. Zhang, H. Jiang, Alpha-nickel hydroxide coating of metallic nickel for enhanced alkaline hydrogen evolution. ChemSusChem 15, e202201072 (2022).

[23] X. Wan, et al., Fe-N-C electrocatalyst with dense active sites and efficient mass transport for high-performance proton exchange membrane fuel cells. Nature Catalysis 2, 259-268 (2019).

[24] T. Lazaridis, B.M. Stuhmeier, H.A. Gasteiger, H.A. El-Sayed, Capabilities and limitations of rotating disk electrodes versus membrane electrode assemblies in the investigation of electrocatalysts. Nature Catalysis 5, 363-373 (2022).

[25] S. Ott, et al., Ionomer distribution control in porous carbon-supported catalyst layers for high-power and low Pt-loaded proton exchange membrane fuel cells. Nature materials 19, 77-85 (2020).

[26] S. Poojary, M.N. Islam, U.N. Shrivastava, E.P. Roberts, K. Karan, Transport and electrochemical interface properties of ionomers in Low-Pt loading catalyst layers: effect of ionomer equivalent weight and relative humidity. Molecules 25, 3387 (2020).

[27] T. Crowtz, J.R. Dahn, Screening bifunctional Pt based NSTF catalysts for durability with the rotating disk electrode: The effect of Ir and Ru. Journal of The Electrochemical Society 165, F854 (2018).

[28] S. Murata, M. Imanishi, S. Hasegawa, R. Namba, Vertically aligned carbon nanotube electrodes for high current density operating proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources 253, 104-113 (2014).

[29] Y. Wang, D.F.R. Diaz, K.S. Chen, Z. Wang, X.C. Adroher, Materials, technological status, and fundamentals of PEM fuel cells-a review. Materials today 32, 178-203 (2020).

[30] B.P. Pearman, et al., The chemical behavior and degradation mitigation effect of cerium oxide na-noparticles in perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membranes. Polymer degradation and stability 98, 1766-1772 (2013).

[31] K. Miyatake, Y. Chikashige, E. Higuchi, M. Watanabe, Tuned polymer electrolyte membranes based on aromatic polyethers for fuel cell applications. Journal of the American Chemical Society 129, 3879-3887 (2007).

[32] B.D. James, J.M. Huya-Kouadio, C. Houchins, D.A. DeSantis, Mass production cost estimation of direct H2 PEM fuel cell systems for transportation applications: 2012 update. report by Strategic Analysis, Inc., under Award Number DEEE0005236 for the US Department of Energy 18 (2012).

[33] S. Tanaka, T. Shudo, Corrugated mesh flow channel and novel microporous layers for reducing flooding and resistance in gas diffusion layer-less polymer electrolyte fuel cells. Journal of Power Sources 268, 183-193 (2014).

[34] I. Amamiya, S. Tanaka, Current topics proposed by PEFC manufacturers, etc. - current status and topics of fuel cells for FCV. In Hydrogen, Fuel Cell Project Evaluation, and Issue Sharing Week (Japan New Energy and Industrial Technology Development Organization, 2019); available at https://www.nedo.go.jp/ content/100895101.pdf (in Japanese).

[35] Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking (FCH 2 JU). 2019 annual work plan and budget (FCH 2 JU, 2018); https://ec.europa.eu/research/participants/data/ref/h2020/other/wp/jtis/h2020-wp19-fch_en.pdf

INFORMATION ABOUT AUTHOR

Heqing JIANG — Leader of Membrane Separation & Catalysis Group, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Science.