XPS investigation of the PTFE induced hydrophobic properties of electrodes for low temperature fuel cells

Schulze, Mathias; Christenn, Claudia

doi:10.1016/j.apsusc.2005.02.007

Cited by 44 publications

(30 citation statements)

References 5 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…cyclic voltammetry, current-voltage curves, and impedance analysis. Post mortem analysis of electrodes was performed in a variety of methods, including different microscopy methods, scanning electron microscopy, 37,50 transmission electron microscopy, [51][52][53][54][55] AFM; 56,57 spectroscopic techniques such as infrared spectroscopy (IR, attenuated total reflection (ATR)), X-ray spectroscopy (XPS, scanning transmission X-ray microscopy (STXM)), 52,54,[58][59][60][61][62] neutron reflectivity, 63 and other experiments such as water sorption, 64 BET-analysis (surface determination invented by S. Brunauer, P. H. Emmett, E. Teller), differential scanning calorimetry, 65 at electrode surfaces or MEA cross-sections. 50,66,67 In this study we performed post-test analysis on cross-sections of fuel cell electrodes.…”

Section: F3140mentioning

confidence: 99%

High-Resolution Analysis of Ionomer Loss in Catalytic Layers after Operation

Morawietz

Handl

Oldani

et al. 2018

J. Electrochem. Soc.

View full text Add to dashboard Cite

The function of catalytic layers in fuel cells and electrolyzers depends on the properties of the ionically conductive phase, which are most commonly perfluorinated ionomers based on Nafion and Aquivion. An analysis by atomic force microscopy reveals that the ultrathin ionomer films around Pt/C agglomerates have a thickness distribution ranging from 3.5 nm to 20 nm. Their conductivity and gas permeation properties determine the fuel cell performance to a large extend. For electrodes in Aquivion-based membraneelectrode-assemblies operation-induced structure changes were investigated by means of material-and conductivity-sensitive atomic force microscopy, infrared spectroscopy and electron-dispersive X-ray analysis. The observed thinning of the ultrathin ionomer films was mainly caused by polymer degradation deduced from reduced swelling after long-time operation and a significant loss of ionomer with operation time detected by infrared spectroscopy. From the linear thickness increase of the ultrathin films with rising humidity, a mainly layered structure of the ionomer was deduced. An influence of thickness of such ultrathin ionomer films on fuel cell lifetime was found by analysis of differently prepared membrane-electrode-assemblies, where a linear increase of irreversible degradation rate with ionomer film thickness in the electrodes of unused membrane-electrode-assemblies was found.

show abstract

Section: F3140mentioning

confidence: 99%

High-Resolution Analysis of Ionomer Loss in Catalytic Layers after Operation

Morawietz

Handl

Oldani

et al. 2018

J. Electrochem. Soc.

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…3 The inferior performance of AMFCs have been explained by the low hydroxide mobility in anion exchange membranes, 4,5 carbonate/bicarbonate formation, [6][7][8] slow hydrogen oxidation reaction (HOR) kinetics, 9,10 and poor water management. [11][12][13] The differences in performance between AMFCs and PEMFCs are also largely derived from the polymer electrolytes employed in the electrodes that provide different environments for electrochemical reactions and material diffusion.…”

mentioning

confidence: 99%

A Microelectrode Study of Interfacial Reactions at the Platinum-Alkaline Polymer Interface

Yim

Chung

Chlistunoff

et al. 2015

J. Electrochem. Soc.

View full text Add to dashboard Cite

Hydrogen oxidation (HOR) and oxygen reduction (ORR) reactions at the platinum/alkaline ionomer interface were investigated using two different alkaline polymer electrolytes, i.e., benzyl-trimethyl ammonium tethered poly(phenylene) (ATM-PP) and phenylpentamethyl guanidinium tethered perfluorinated polymer (M-Nafion-FA-TMG). Substantial inhibition of HOR was taking place at the platinum-ATM-PP interface due to the possible cationic group adsorption of ATM-PP, whereas the reaction was virtually unaffected at the platinum-M-Nafion-FA-TMG interface after high anodic potential preconditioning. Moreover, the apparent ORR activity of platinum coated with M-Nafion-FA-TMG was found higher than that in 0.1 M tetra methyl guanidinium solution. In addition, the oxygen permeability of M-Nafion-FA-TMG was found to be ∼2.5 times higher than that of ATM-PP. The above properties of the perfluorinated polymer make it a very promising ionomeric binder for the use in both anode and cathode of alkaline membrane fuel cells. Alkaline membrane fuel cells (AMFCs) have drawn tremendous attention because they have the potential to convert hydrogen fuel to electricity without using precious metal catalysts in the electrodes. 1,2However, the current performances of AMFCs using non-precious or even precious metal catalysts are inferior to those of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) counterparts.3 The inferior performance of AMFCs have been explained by the low hydroxide mobility in anion exchange membranes, 4,5 carbonate/bicarbonate formation, [6][7][8] slow hydrogen oxidation reaction (HOR) kinetics, 9,10 and poor water management.11-13 The differences in performance between AMFCs and PEMFCs are also largely derived from the polymer electrolytes employed in the electrodes that provide different environments for electrochemical reactions and material diffusion.The effects of cation-tethered alkaline polymer electrolytes on AMFC performance have been investigated by several research groups. Varcoe et al. first used a hydroxide conducting ionomer in preparation of alkali metal-cation-free AMFC electrodes.14 There was a substantial increase in the peak power density of AMFCs (55 vs. 1.6 mW cm −2 ) by adding quaternized poly(vinylbenzyl chloride) to the catalyst layers and further improved AMFC performance was reported later using better ionomer dispersion technology, 15 i.e., the peak power density of 185 mW cm −2 . However, the improved AMFC performance was still inferior to the state-of-the-art PEMFC performance. They suggested that relatively low gas permeation by ionomer binder may be the reason for the inferior performance. Researchers from Tokuyama Corporation reported a series of hydroxide conducting ionomers for AMFC applications.16,17 They found that the peak power density of the AMFC performance increased from 22 mW cm −2 to 296 mW cm −2 , as the ion exchange capacity of their hydrocarbon ionomers increased from 0.7 to 1.8 meq. g −1 . They suggested the ionic conductivity of the ionomer is the major factor contributing to the p...

show abstract

“…Вуглецеві матеріали разом з політетрафторетиленом, як зв'язуючою добавкою, що використовуються для виготовлення електродів КПЕШ, є в переважній більшості гідрофобними, а це, в свою чергу, негативно впливає на процес змочування їх водними розчинами електролітів (наприклад, KOH, H 2 SO 4 ) [5,6]. Такі електроліти мають ряд важливих переваг перед органічними безводними системами: екологічність, пожежобезпечність, низька вартість та висока електропровідність.…”

Section: вступunclassified

Impact of Moisture Sorbed from Air by Activated Carbon Electrodes on their Capacitance in Aqueous Electrolyte of Supercapacitor

Gromadskyi¹

2015

PCSS

View full text Add to dashboard Cite

Вплив вологи, сорбованої з повітря активованими вугільними електродами, на їхні ємнісні характеристики в водному електроліті суперконденсатора Міжвідомче відділення електрохімічної енергетики НАН України, бульв. Вернадського, 38А, 03680, Київ-142, Україна, e-mail: d.gromadskyi@gmail.com В роботі вивчено вплив вологи повітря, сорбованої пористими вугільними електродами, що пройшли сушку у вакуумі, на їхню питому ємність у водному 1,0 М розчині Na 2 SO 4 . Методами циклічної вольтамперометрії та імпедансної спектроскопії показано, що в результаті такої сушки електроди втрачають більше 2 % своєї ємності, самочинне відновлення якої відбувається протягом 1 місяця.Ключові слова: активований вугільний електрод, ємність, конденсатор подвійного електричного шару, сорбція, суперконденсатор. 27.02.2015; прийнята до друку 15.06.2015. Стаття поступила до редакції ВступСуперконденсатори -відносно новий тип енергонакопичувальних пристроїв, що мають високу питому потужність, яка перевищує питому потужність хімічних джерел струму (акумуляторів) як мінімум на порядок [1,2]. Вони забезпечують високі значення питомої ємності, а значить і енергії, за рахунок формування подвійного електричного шару, що складається із іонів електроліту та протилежно зарядженої поверхні електрода на основі нанопористих вуглецевих матеріалів з величезною питомою поверхнею, а саме: активованого вугілля (АВ), вуглецевих нанотрубок, графена, тощо) [3,4], тому суперконденсатори називають також конденсаторами подвійного електричного шару (КПЕШ).Вуглецеві матеріали разом з політетрафторетиленом, як зв'язуючою добавкою, що використовуються для виготовлення електродів КПЕШ, є в переважній більшості гідрофобними, а це, в свою чергу, негативно впливає на процес змочування їх водними розчинами електролітів (наприклад, KOH, H 2 SO 4 ) [5,6]. Такі електроліти мають ряд важливих переваг перед органічними безводними системами: екологічність, пожежобезпечність, низька вартість та висока електропровідність. Основним їхнім недоліком є вузький діапазон електрохімічної стабільності, який обмежений напругою розкладу води (1,23 В) [7,8]. Тим не менш, частково вирішити цю проблему можна за рахунок використання водних електролітів з нейтральним pH ( наприклад, сульфатів лужних металів) і оптимізації мас катода та анода в електрохімічній комірці. Це дає змогу збільшити перенапругу виділення водню/кисню на електродах, і, як результат, робоча напруга суперконденсатора в цілому може бути підвищена аж до 2,4 В [9, 10].Одним із ключових етапів зборки комірок суперконденсаторів є вакуумна сушка електродної маси від залишків розчинника, зв'язуючої добавки та від вологи, сорбованої із повітря. Варто також відмітити, що для безводних систем вода є дуже небажаною домішкою -навіть незначна її кількість може призводить до розкладу компонентів електроліту й корозії колекторів струму [11,12]. У випадку водних електролітів з нейтральним pH таких проблем немає, тому для КПЕШ, в яких використовуються такі розчини, виникає питання: чи так необхідна « глибока» вакуумна сушка та як впливає со...

show abstract

XPS investigation of the PTFE induced hydrophobic properties of electrodes for low temperature fuel cells

Cited by 44 publications

References 5 publications

High-Resolution Analysis of Ionomer Loss in Catalytic Layers after Operation

High-Resolution Analysis of Ionomer Loss in Catalytic Layers after Operation

A Microelectrode Study of Interfacial Reactions at the Platinum-Alkaline Polymer Interface

Impact of Moisture Sorbed from Air by Activated Carbon Electrodes on their Capacitance in Aqueous Electrolyte of Supercapacitor

Contact Info

Product

Resources

About