3 in situ and operando determination of the water content distribution in proton conducting membranes for fuel cells: A critical review

Energy and Environmental Science

Volumn 5, Issue 10, 2012, Pages 8824-8847

  Deabate, Stefano ^a   Gebel, Gérard ^b   Huguet, Patrice ^a   Morin, Arnaud ^b   Pourcelly, Gerald ^a  

^a UNIV MONTPELLIER   (France)

^b CEA GRENOBLE   (France)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BASIC PRINCIPLES; CELL DESIGN; CONTENT DISTRIBUTION; CRITICAL ISSUES; CRITICAL REVIEW; EFFICIENT SYSTEMS; ELECTRICAL GRADIENTS; INNOVATIVE DESIGN; INTERNAL RESISTANCE MEASUREMENTS; MASS TRANSFER MODELS; MEMBRANE THICKNESS; MEMBRANE WATER CONTENT; NEUTRON IMAGING; OPERANDO; OPERATING CONDITION; POWER SOURCES; PROTON CONDUCTING MEMBRANES; SIMULTANEOUS MEASUREMENT; STATIONARY APPLICATIONS; TEMPORAL RESOLUTION; WATER ACTIVITY; WATER AMOUNT; WATER CONCENTRATIONS; WATER DISTRIBUTIONS; WATER TRANSPORT; ZERO EMISSION;

DATA PROCESSING; DESIGN; MAGNETIC RESONANCE; PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS (PEMFC); PROTONS; RAMAN SPECTROSCOPY; WATER CONSERVATION; WATER SUPPLY SYSTEMS;

INFORMATION MANAGEMENT;

CRITICAL ANALYSIS; FUEL CELL; INNOVATION; MASS TRANSFER; MEMBRANE; MODEL VALIDATION; NEUTRON SCATTERING; OPTIMIZATION; RAMAN SPECTROSCOPY; WATER CONTENT; WATER MANAGEMENT;

EID: 84870044872     PISSN: 17545692     EISSN: 17545706     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c2ee21834h     Document Type: Review

References (152)

1. K. E. Martin, J. P. Kopasz and K. W. McMurphy, Status of Fuel Cells and Challenges Facing Fuel Cell Technology Today, in Fuel Cell Chemistry and Operating, ed., A. Herring, T. A. Zawodzinski Jr, and, S. J. Hamrock, ACS Symp. Ser., Washington, DC, 2010, vol. 1040
2. Y. Wang K. S. Chen J. Mishler S. C. Cho X. C. Adroher Appl. Energy 2011 88 981 1007
3. R. Borup J. Meyers B. Pivovar Y. S. Kim R. Mukundan N. Garland D. Myers M. Wilson F. Garzon D. Wood P. Zelenay K. More K. Stroh T. Zawodzinski J. Boncella J. E. McGrath M. Inaba K. Miyatake M. Hori K. Ota Z. Ogumi S. Miyata A. Nishikata Z. Siroma Y. Uchimoto K. Yasuda K. Kimijima N. Iwashita Chem. Rev. 2007 107 3904 3951
4. C. Gittleman, S. Jorgensen, J. Waldecker, S. Hirano and M. Mehall, Automotive Fuel Cell R&D Needs, in DOE Fuel Cell Pre-Solicitation Workshop, Department of Energy, Lakewood, Colorado, 2010
5. W. Schmittinger A. Vahidi J. Power Sources 2008 180 1 14
6. N. Yousfi-Steiner Ph. Moçotéguy D. Candusso D. Hissel A. Hernandez A. Aslanides J. Power Sources 2008 183 260 274
7. M. Ji Z. Wei Energies 2009 2 1057 1106
8. J. P. Owejan J. J. Gagliardo J. M. Sergi S. G. Kandlikar T. Trabold Int. J. Hydrogen Energy 2009 34 3436 3444
9. A. Bazylak Int. J. Hydrogen Energy 2009 34 3845 3857
10. W. Dai H. Wang X.-Z. Yuan J. J. Martin D. Yang J. Qiao J. Ma Int. J. Hydrogen Energy 2009 34 9461 9478
11. A. Z. Weber J. Newman Chem. Rev. 2004 104 4679 4726
12. C.-Y. Wang Chem. Rev. 2004 104 4727 4766
13. K. Jiao X. Li Prog. Energy Combust. Sci. 2011 37 221 291
14. J. Wu X. Z. Yuan H. Wang M. Blanco J. J. Martin J. Zhang Int. J. Hydrogen Energy 2008 33 1747 1757
15. D. J. L. Brett A. R. Kucernak P. Aguiar S. C. Atkins N. P. Brandon R. Clague L. F. Cohen G. Hinds C. Kalyvas G. J. Offer B. Ladewig R. Maher A. Marquis P. Shearing N. Vasileiadis V. Vesovic ChemPhysChem 2010 11 2714 2731
16. S. Tsushima S. Hirai Prog. Energy Combust. Sci. 2011 37 204 220
17. R. O'Hayre D. M. Barnett F. B. Prinz J. Electrochem. Soc. 2005 152 A439 A444
18. K. A. Mauritz R. B. Moore Chem. Rev. 2004 104 4535 4585
19. K.-D. Kreuer S. J. Paddison E. Spohr M. Schster Chem. Rev. 2004 104 4637 4678
20. H. Li Y. Tang Z. Wang Z. Shi S. Wu D. Song J. Zhang K. Fatih J. Zhang H. Wang Z. Liu R. Abouattallah A. Mazza J. Power Sources 2008 178 103 117
21. X. Huang R. Solasi Y. Zou M. Feshler K. Reifsnider D. Condit S. Burlatsky T. Madden J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2006 44 2346 2357
22. A. Kusoglu A. M. Karlsson M. H. Santare S. Cleghorn W. B. Johnson J. Power Sources 2007 170 345 358
23. W. Bi Q. Sun Y. Deng T. F. Fuller Electrochim. Acta 2009 54 1826 1833
24. C. Chen T. F. Fuller Polym. Degrad. Stab. 2009 94 1436 1447
25. F. A. de Bruijn V. A. T. Dam G. J. Janssen Fuel Cell 2008 1 3 22
26. G. C. Li P. G. Pickup Electrochem. Solid-State Lett. 2006 9 A249 A251
27. J. Stumper S. A. Campbell D. P. Wilkinson M. C. Johnson M. Davis Electrochim. Acta 1998 43 3773 3783
28. M. Noponen T. Mennola M. Mikkola T. Hottinen P. Lund J. Power Sources 2002 106 304 312
29. Z. Liu Z. Mao B. Wu L. Wang V. M. Schmidt J. Power Sources 2005 141 205 210
30. M. Reum A. Wokaun F. N. Büchi J. Electrochem. Soc. 2009 156 B1225 B1231
31. T. E. Springer T. A. Zawodzinski S. Gottesfeld J. Electrochem. Soc. 1991 138 2334 2342
32. T. F. Fuller J. Newman J. Electrochem. Soc. 1992 139 1332 1337
33. T. A. Zawodzinski C. Derouin S. Radzinski R. J. Sherman V. T. Smith T. E. Springer S. Gottesfeld J. Electrochem. Soc. 1993 140 1041 1047
34. T. A. Zawodzinski J. Davey J. Valerio S. Gottesfeld Electrochim. Acta 1995 40 297 302
35. M. Ise K. D. Kreuer J. Maier Solid State Ionics 1999 125 213 223
36. X. Ren S. Gottesfeld J. Electrochem. Soc. 2001 148 A87 A93
37. S.-H. Ge B.-L. Yi J. Power Sources 2003 124 1 11
38. F. Meier G. Eigenberger Electrochim. Acta 2004 49 1731 1742
39. H. Sun H. Liu L.-J. Guo J. Power Sources 2005 143 125 135
40. B. S. Pivovar Polymer 2006 47 4194 4202
41. C. Bao M. Ouyang B. Yi Tsinghua Sci. Technol. 2006 11 54 64
42. L. You H. Liu J. Power Sources 2006 155 219 230
43. S. Ge B. Yi P. Ming J. Electrochem. Soc. 2006 153 A1443 A1450
44. A. Husar A. Higier H. Liu J. Power Sources 2008 183 240 246
45. Z. Luo Z. Chang Y. Zhang Z. Liu J. Li Int. J. Hydrogen Energy 2010 35 3120 3124
46. Z. Peng A. Morin P. Huguet P. Schott J. Pauchet J. Phys. Chem. C 2011 115 12835 12844
47. M. B. Satterfield J. B. Benziger J. Phys. Chem. B 2008 112 3693 3704
48. G. Gebel S. Lyonnard H. Mendil-Jakani A. Morin J. Phys.: Condens. Matter 2011 23 234107
49. M. Eikerling J. Electrochem. Soc. 2006 153 3 E58 E70
50. Z. Lu M. M. Daino C. Rath S. G. Kandlikar Int. J. Hydrogen Energy 2010 35 4222 4233
51. M. Eikerling Y. I. Kharkats A. A. Kornyshev Y. M. Volfkovich J. Electrochem. Soc. 1998 145 8 2684 2699
52. M. Adachi T. Navessin Z. Xie B. Frisken S. Holdcroft J. Electrochem. Soc. 2009 156 B782 B790
53. M. Tasaka T. Mizuta O. Sekiguchi J. Membr. Sci. 1990 54 191 204
54. J. P. G. Villaluenga B. Seoane V. M. Barragán C. Ruiz-Bauzá J. Membr. Sci. 2006 274 116 122
55. R. Zaffou J. S. Yi H. R. Kunz J. M. Fenton Electrochem. Solid-State Lett. 2006 9 A418 A422
56. S. Kim M. M. Mench J. Membr. Sci. 2009 328 113 120
57. M. A. Khan B. Sundén J. Yuan J. Power Sources 2011 196 7899 7916
58. M. Watanabe H. Igarashi H. Uchida F. Hirasawa J. Electroanal. Chem. 1995 399 239 241
59. F. N. Büchi G. G. Scherer J. Electrochem. Soc. 2001 148 A193 A188
60. K. W. Feindel S. H. Bergens R. E. Wasylishen ChemPhysChem 2006 7 67 75
61. B. MacMillan A. R. Sharp R. L. Armstrong Polymer 1999 40 2471 2480
62. T. A. Zawodzinski Jr M. Neeman L. O. Sillerud S. Gottesfeld J. Phys. Chem. 1991 95 6040 6044
63. K. D. Kreuer J. Membr. Sci. 2001 185 29 39
64. A. V. Ouriadov R. P. MacGregor B. J. Balcom J. Magn. Reson. 2004 169 174 186
65. Z. Zhang A. E. Marble B. MacMillan K. Promislow J. Martin H. Wang B. J. Balcom J. Magn. Reson. 2008 194 245 263
66. K. Teranishi S. Tsushima S. Hirai Therm. Sci. Eng. 2002 10 59 60
67. K. Teranishi S. Tsushima S. Hirai Therm. Sci. Eng. 2003 11 35 36
68. K. Teranishi S. Tsushima S. Hirai Therm. Sci. Eng. 2004 12 91 92
69. S. Tsushima K. Teranishi S. Hirai Electrochem. Solid-State Lett. 2004 7 A269 A272
70. S. Tsushima K. Teranishi S. Hirai Energy 2005 30 235 245
71. S. Tsushima K. Teranishi K. Nishida S. Hirai Magn. Reson. Imaging 2005 23 255 258
72. K. Teranishi S. Tsushima S. Hirai J. Electrochem. Soc. 2006 153 A664 A668
73. K. R. Minard V. V. Viswanathan P. D. Majors L. Q. Wang P. C. Rieke J. Power Sources 2006 161 856 863
74. J. Bedet P. Mutzenhardt D. Canet G. Maranzana S. Leclerc O. Lottin C. Moyne D. Stemmelen C. R. Chim. 2008 11 465 473
75. Z. Zhang J. Martin J. Wub H. Wangb K. Promislow B. J. Balcom J. Magn. Reson. 2008 193 259 266
76. M. Thomas M. Escoubes P. Esnault M. P. ineri J. Membr. Sci. 1989 46 57 65
77. J. St-Pierre J. Electrochem. Soc. 2007 154 B724 B731
78. D. Kramer J. Zhang R. Shimoi E. Lehmann A. Wokaun K. Shinohara G. G. Scherer Electrochim. Acta 2005 50 2603 2614
79. R. Mukundan R. L. Borup Fuel Cell 2009 5 499 505
80. A. B. Geiger A. Tsukada E. Lehmann P. Vontobel A. Vokaum G. G. Scherer Fuel Cell 2002 2 92 98
81. I. A. Schneider S. von Dahlen M. H. Bayer P. Boillat M. Hildebrandt E. Lehmann P. Oberholzer G. G. Scherer A. Vokaum J. Phys. Chem. C 2010 114 11998 12002
82. P. Boillat G. Frei E. H. Lehmann G. G. Scherer A. Vokaum Electrochem. Solid-State Lett. 2010 13 B25 B27
83. R. J. Bellows M. Y. Lin M. Arif A. K. Thompson D. Jacobson J. Electrochem. Soc. 1999 146 1099 1103
84. R. Sajita D. Jacobson M. Arif S. A. Werner J. Power Sources 2004 129 238 245
85. D. J. Ludlow C. M. Calebrese S. H. Yu C. S. Dannehy D. L. Jacobson D. S. Hussey M. Arif M. K. Jensen G. A. Eisman J. Power Sources 2006 162 271 278
86. Y. S. Chen H. Peng D. S. Hussey D. L. Jacobson D. T. Tran T. Abdel-Baset M. Biernacki J. Power Sources 2007 170 376 386
87. D. S. Hussey D. L. Jacobson M. Arif J. P. Owejan J. J. Gagliardo T. A. Trabold J. Power Sources 2007 172 225 228
88. C. Tötzke I. Manke A. Hilger G. Choinka N. Kardjilov T. Arlt H. Markötter A. Schröder K. Wippermann D. Stolten C. Hartnig P. Krüger R. Kuhn J. Banhart J. Power Sources 2011 196 4631 4637
89. H. Iwase S. Koizumi H. Iikura M. Matsubayashi D. Yamaguchi Y. Maekawa T. Hashimoto Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 2009 605 95 98
90. H. Murakawa D. Wada K. Sugimoto H. Asano N. Takenaka R. Yasuda Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 2011 651 286 289
91. P. Boillat D. Kramer B. C. Seyfang G. Frei E. Lehmann G. G. Scherer A. Vokaum Y. Ichikawa Y. Tasaki K. Shinohara Electrochem. Commun. 2008 10 546 550
92. P. Quan M.-C. Lai D. S. Hussey D. L. Jacobson A. Kumar S. Hirano J. Fuel Cell Sci. Technol. 2010 7 051009
93. E. H. Lehmann A. Tremsin C. Grünzweig I. Johnson P. Boillat L. Josic J. Instrum. 2011 6 C01050
94. J. Kim J. Je M. Kaviany S. Y. Son M. Kim J. Power Sources 2011 196 8398 8401
95. I. Manke C. Hatnig N. Kardjilov H. Reisemeier J. Goebbels R. Kuhn P. Kruger J. Banhart Fuel Cell 2010 10 26 34
96. T. Sasabe P. Deevanhxay S. Tsushima S. Hirai J. Power Sources 2011 196 8197 8206
97. G. Gebel O. Diat Fuel Cell 2005 5 261 276
98. R. Mosdale, P. Stevens, F. Novel-Cattin, B. Loppinet, G. Gebel, P. Aldebert and M. Pineri, Proceedings of the European Space Power Conference, ESA SP-320, Florence, Italy, 2-6 September 1991, pp. 479-483
99. R. Mosdale G. Gebel M. Pineri J. Membr. Sci. 1996 118 269 277
100. G. Gebel O. Diat S. Escribano R. Mosdale J. Power Sources 2008 179 132 139
101. F. Xu O. Diat G. Gebel A. Morin J. Electrochem. Soc. 2007 154 B1389 B1398
102. A. Morin F. Xu G. Gebel O. Diat Int. J. Hydrogen Energy 2011 36 3096 3109
103. A. Morin F. Xu G. Gebel O. Diat Fuel Cells 2012 12 156 161
104. H. Iwase S. Koizumi H. Iikura M. Matsubayashi D. Yamaguchi Y. Maekawa T. Hashimoto Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 2009 605 95 98
105. A. Putra H. Iwase D. Yamaguchi S. Koizumi Y. Maekawa M. Matsubayashi T. Hashimoto J. Phys.: Conf. Ser. 2010 247 012044
106. V. Rossi Albertini B. Paci A. Generosi S. Panero M. A. Navarra M. Di Michiel Electrochem. Solid-State Lett. 2004 7 A519 A521
107. V. Rossi Albertini B. Paci F. Nobili R. Marassi M. Di Michiel Adv. Mater. 2009 21 578 583
108. A. Morin, Z. Peng, S. Lyonnard, C. Rochas and G. Gebel Electrochem. Commun., submitted
109. D. A. Long, Raman Spectroscopy, McGraw-Hill, London, 1977
110. Handbook of Vibrational Spectroscopy, Vol. 1: Theory and Instrumentation, ed., J. M. Chalmers, and, P. R. Griffiths, John Wiley and Sons, Chichester, 2002
111. Handbook of Vibrational Spectroscopy, Vol. 2: Sampling Techniques, ed., J. M. Chalmers, and, P. R. Griffiths, John Wiley and Sons, Chichester, 2002
112. Handbook of Vibrational Spectroscopy, Vol. 3: Sample Characterization and Spectral Data Processing, ed., J. M. Chalmers, and, P. R. Griffiths, John Wiley and Sons, Chichester, 2002
113. P. M. Fredericks, Depth Profiling by Microspectroscopy, in Handbook of Vibrational Spectroscopy, Vol. 2: Sampling Techniques, ed., J. M. Chalmers, and, P. R. Griffiths, John Wiley and Sons, Chichester, 2002
114. P. Sistat, P. Huguet and S. Deabate, Confocal Raman Microscopy for Membrane Content Visualization, in Monitoring and Visualizing Membrane-Based Processes, ed., C. Güell, M. Ferrando, and, F. López, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2009
115. S. Hietala M. Paronen S. Holmberg J. Nasman J. Juhanoja M. Karjalainen R. Serimaa M. Toivola T. Lehtinen K. Parovuori G. Sundholm H. Ericson B. Mattsson L. Torell F. Sndholm J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1999 37 1741
116. B. Mattsson H. Ericson L. M. Torell F. Sundholm J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1999 37 3317 3327
117. B. Mattsson H. Ericson L. M. Torell F. Sundholm Electrochim. Acta 2000 45 1405 1408
118. H. Ericson T. Kallio T. Lehtinen B. Mattsson G. Sundholm F. Sundholm P. Jacobsson J. Electrochem. Soc. 2002 149 A206 A211
119. T. Kallio K. Jokela H. Ericson R. Sermaa G. Sundholm F. Sundholm J. Appl. Electrochem. 2003 33 505 514
120. L. S. Sarma C.-H. Chen G.-R. Wang K.-L. Hsueh C.-P. Huang H.-S. Sheu D.-G. Liu J.-F. Lee B.-J. Hwang J. Power Sources 2007 167 358 365
121. M. Holber P. Johanson P. Jacobsson Fuel Cell 2011 3 459 464
122. S. Jeck P. Scharfer M. Kind J. Membr. Sci. 2011 373 74 79
123. A. K. Sutor P. Huguet A. Morin G. Gebel T. S. Le S. Deabate Fuel Cells 2012 12 162 168
124. Q. Li R. He R. W. Berg H. A. Hjuler N. J. Bjerrum Solid State Ionics 2004 168 177 185
125. A. Martinelli A. Matic P. Jacobsson L. Börjesson M. A. Navarra D. Munaò S. Panero B. Scrosati Solid State Ionics 2007 178 527 531
126. G. A. Giffin F. Y. Castillo R. Frech D. T. Glatzhofer C. M. Burba Polymer 2009 50 171 176
127. C.-C. Yang Y.-J. Lee Thin Solid Films 2009 517 4735 4740
128. Y.-L. Liu Y.-H. Su C.-M. Chang Suryani D.-M. Wang J.-Y. Lai J. Mater. Chem. 2010 20 4409 4416
129. C.-C. Ke X.-J. Li Q. Shen S.-G. Qua Z.-G. Shao Int. J. Hydrogen Energy 2011 36 3606 3613
130. C.-C. Yang S.-J. Chiu S.-C. Kuo Curr. Appl. Phys. 2011 11 S229 S237
131. C.-C. Yang S. J. Lue J.-Y. Shih J. Power Sources 2011 196 4458 4467
132. M. Schmitt B. Leimeister L. Baia B. Weh I. Zimmermann W. Kiefer J. Popp ChemPhysChem 2003 3 296 299
133. P. Huguet T. Kiva O. Noguera P. Sistat V. Nikonenko New J. Chem. 2005 29 955 961
134. H. Matic A. Lundblad G. Lindbergh P. Jacobsson Electrochem. Solid-State Lett. 2005 8 A5 A7
135. P. Scharfer W. Schabel M. Kind J. Membr. Sci. 2007 303 37 42
136. P. Scharfer W. Schabel M. Kind Chem. Eng. Sci. 2008 63 4676 4684
137. S. Deabate R. Fatnassi P. Sistat P. Huguet J. Power Sources 2008 176 39 45
138. Y. Tabuchi R. I. Tsushima S. Hirai J. Power Sources 2011 196 652 658
139. P. Huguet A. Morin G. Gebel S. Deabate A. K. Sutor Z. Peng Electrochem. Commun. 2011 13 418 422
140. M. Hara J. Inukai K. Miyatake H. Uchida M. Watanabe Electrochim. Acta 2011 58 449 455
141. A. Martinelli C. Iojoiu N. Sergent Fuel Cells 2012 12 169 178
142. Z. Peng, P. Huguet, S. Deabate, A. K. Sutor and A. Morin J. Raman Spectrosc., submitted
143. S. Michelsen J. Appl. Polym. Sci. 2001 81 1662 1669
144. J. L. Brunel J. C. Lassègues C. Sourisseau J. Raman Spectrosc. 2002 33 815 828
145. A. M. Macdonald A. S. Vaughan J. Raman Spectrosc. 2007 38 584 592
146. S. Deabate R. Fatnassi P. Sistat P. Huguet J. Power Sources 2008 176 39 45
147. J. P. Tomba M. de la Paz Miguel C. J. Perez J. Raman Spectrosc. 2011 42 1330 1334
148. A. Guillermo G. Gebel H. Mendil-Jakani E. Pinton J. Phys. Chem. B 2009 113 6710 6717
149. M. Holz S. R. Heil A. Sacco Phys. Chem. Chem. Phys. 2000 2 4740 4742
150. P. J. Majsztrik M. B. Satterfield A. B. Bocarsly J. B. Benziger J. Membr. Sci. 2007 301 93 106
151. B. Kientiz H. Yamada N. Nonoyama A. Z. Weber J. Fuel Cell Sci. Technol. 2011 8 011013
152. Q. Zhao P. Majsztrik J. Benziger J. Phys. Chem. B 2011 115 2717 2727