Fuel cell catalyst layers: A polymer science perspective

Chemistry of Materials

Volumn 26, Issue 1, 2014, Pages 381-393

  Holdcroft, Steven ^a  

^a SIMON FRASER UNIVERSITY   (Canada)

Author keywords

catalyst inks; catalyst layers; fuel cells; ionomer; membrane electrode assemblies; polymer electrolyte membranes

Indexed keywords

CATALYST LAYERS; CRITICAL FEATURES; ELECTROCHEMICAL ACTIVITIES; FUEL-CELL CATALYST LAYERS; MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLIES; PEM FUEL CELL; POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANES; POLYMER SCIENCE;

ELECTROCHEMICAL ELECTRODES; FUEL CELLS; IONOMERS; POLYMERS; PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS (PEMFC);

CATALYST ACTIVITY;

EID: 84887487834     PISSN: 08974756     EISSN: 15205002     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cm401445h     Document Type: Review

References (122)

1. Martin, K. E.; Kopasz, J. P. Fuel Cells 2009, 9 (4) 356-362
2. Hickner, M. A.; Ghassemi, H.; Kim, Y. S.; Einsla, B. R.; McGrath, J. E. Chem. Rev. 2004, 104 (10) 4587-4611
3. Chen, Z. W.; Higgins, D.; Yu, A. P.; Zhang, L.; Zhang, J. J. Energy Environ. Sci. 2011, 4 (9) 3167-3192
4. Othman, R.; Dicks, A. L.; Zhu, Z. H. Int. J. Hydrogen Energy 2012, 37 (1) 357-372
5. Debe, M. K. Nature 2012, 486 (7401) 43-51
6. Rabis, A.; Rodriguez, P.; Schmidt, T. J. ACS Catal. 2012, 2 (5) 864-890
7. Wang, Y. J.; Wilkinson, D. P.; Zhang, J. J. Chem. Rev. 2011, 111 (12) 7625-7651
8. Debe, M. K.; Poirier, R. J. J. Vacuum Sci. Technol. A 1994, 12 (4) 2017-2022
9. McBreen, J.; Balasubramanian, M.; Yoon, W. S.; Chung, K. Y.; Lee, H. S.; Yang, X. Q.; Atanasoski, R. T.; Schmoeckel, A. K.; Vernstrom, G. D.; Debe, M. K. ECS Trans. 2005, 1, 149
10. Debe, M. K.; Schmoeckel, A. K.; Vernstrorn, G. D.; Atanasoski, R. J. Power Sources 2006, 161 (2) 1002-1011
11. Gancs, L.; Kobayashi, T.; Debe, M. K.; Atanasoski, R.; Wieckowski, A. Chem. Mater. 2008, 20 (7) 2444-2454
12. Debe, M. K.; Atanasoski, R. T.; Steinbach, A. J. ECS Trans. 2011, 41 (1) 937-954
13. Mauritz, K. A.; Moore, R. B. Chem. Rev. 2004, 104 (10) 4535-4585
14. Kreuer, K. D.; Schuster, M.; Obliers, B.; Diat, O.; Traub, U.; Fuchs, A.; Klock, U.; Paddison, S. J.; Maier, J. J. Power Sources 2008, 178 (2) 499-509
15. Hamrock, S. J.; Yandrasits, M. A. Polym. Rev. 2006, 46 (3) 219-244
16. Higashihara, T.; Matsumoto, K.; Ueda, M. Polymer 2009, 50 (23) 5341-5357
17. Peckham, T. J.; Holdcroft, S. Adv. Mater. 2010, 22 (42) 4667-4690
18. Elabd, Y. A.; Hickner, M. A. Macromolecules 2011, 44 (1) 1-11
19. Park, C. H.; Lee, C. H.; Guiver, M. D.; Lee, Y. M. Prog. Polym. Sci. 2011, 36 (11) 1443-1498
20. Dobrovolsky, Y. A.; Jannasch, P.; Lafitte, B.; Belomoina, N. M.; Rusanov, A. L.; Likhachev, D. Y. Russ. J. Electrochem. 2007, 43 (5) 489-501
21. Neyerlin, K. C.; Gu, W. B.; Jorne, J.; Gasteiger, H. A. J. Electrochem. Soc. 2006, 153 (10) A1955-A1963
22. Gasteiger, H. A.; Kocha, S. S.; Sompalli, B.; Wagner, F. T. Appl. Catal., B 2005, 56 (1-2) 9-35
23. Gottesfeld, S. ECS Trans. 2008, 6, 51-67
24. Eikerling, M.; Kornyshev, A. A.; Kucernak, A. R. Phys. Today 2006, 59 (10) 38-44
25. Costamagna, P.; Srinivasan, S. J. Power Sources 2001, 102 (1-2) 242-252
26. Ticianelli, E. A.; Derouin, C. R.; Redondo, A.; Srinivasan, S. J. Electrochem. Soc. 1988, 135 (9) 2209-2214
27. Wilson, M. S.; Gottesfeld, S. J. Electrochem. Soc. 1992, 139 (2) L28-L30
28. Antolini, E. J. Appl. Electrochem. 2004, 34 (6) 563-576
29. Srinivasan, S.; Ticianelli, E. A.; Derouin, C. R.; Redondo, A. J. Power Sources 1988, 22 (3-4) 359-375
30. Kreuer, K. D. J. Membr. Sci. 2001, 185 (1) 29-39
31. Kopitzke, R. W.; Linkous, C. A.; Anderson, H. R.; Nelson, G. L. J. Electrochem. Soc. 2000, 147 (5) 1677-1681
32. Maier, G.; Meier-Haack, J. Sulfonated Aromatic Polymers for Fuel Cell Membranes. In Fuel Cells II; Scherer, G. G., Ed.; Springer-Verlag Berlin: Berlin, 2008; Vol. 216, pp 1-62.
33. Li, Q. F.; Jensen, J. O.; Savinell, R. F.; Bjerrum, N. J. Prog. Polym. Sci. 2009, 34 (5) 449-477
34. Jones, D. J.; Roziere, J. Advances in the Development of Inorganic-Organic Membranes for Fuel Cell Applications. In Fuel Cells I; Scherer, G. G., Ed.; Springer-Verlag Berlin: Berlin, 2008; Vol. 215, pp 219-264.
35. Li, Q. F.; He, R. H.; Jensen, J. O.; Bjerrum, N. J. Chem. Mater. 2003, 15 (26) 4896-4915
36. Peron, J.; Shi, Z. Q.; Holdcroft, S. Energy Environ. Sci. 2011, 4 (5) 1575-1591
37. Aldebert, P.; Dreyfus, B.; Pineri, M. Macromolecules 1986, 19 (10) 2651-2653
38. Gebel, G.; Aldebert, P.; Pineri, M. Macromolecules 1987, 20 (6) 1425-1428
39. Moore, R. B.; Martin, C. R. Macromolecules 1988, 21 (5) 1334-1339
40. Gebel, G.; Loppinet, B. J. Mol. Struct. 1996, 383 (1-3) 43-49
41. Loppinet, B.; Gebel, G.; Williams, C. E. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 1884-1892
42. Gebel, G. Polymer 2000, 41 (15) 5829-5838
43. Rubatat, L.; Rollet, A. L.; Gebel, G.; Diat, O. Macromolecules 2002, 35 (10) 4050-4055
44. Lee, S. J.; Yu, T. L.; Lin, H. L.; Liu, W. H.; Lai, C. L. Polymer 2004, 45 (8) 2853-2862
45. Szajdzinskapietek, E.; Schlick, S.; Plonka, A. Langmuir 1994, 10 (7) 2188-2196
46. Malek, K.; Eikerling, M.; Wang, Q. P.; Navessin, T. C.; Liu, Z. S. J. Phys. Chem. C 2007, 111 (36) 13627-13634
47. Uchida, M.; Aoyama, Y.; Eda, N.; Ohta, A. J. Electrochem. Soc. 1995, 142 (12) 4143-4149
48. Uchida, M.; Aoyama, Y.; Eda, N.; Ohta, A. J. Electrochem. Soc. 1995, 142 (2) 463-468
49. Shin, S. J.; Lee, J. K.; Ha, H. Y.; Hong, S. A.; Chun, H. S.; Oh, I. H. J. Power Sources 2002, 106 (1-2) 146-152
50. Kim, J. H.; Ha, H. Y.; Oh, I. H.; Hong, S. A.; Lee, H. I. J. Power Sources 2004, 135 (1-2) 29-35
51. Chisaka, M.; Daiguji, H. Electrochim. Acta 2006, 51 (23) 4828-4833
52. Yang, T. H.; Yoon, Y. G.; Park, G. G.; Lee, W. Y.; Kim, C. S. J. Power Sources 2004, 127 (1-2) 230-233
53. Xu, F.; Zhang, H. Y.; Ilavsky, J.; Stanciu, L.; Ho, D.; Justice, M. J.; Petrache, H. I.; Xie, J. A. Langmuir 2010, 26 (24) 19199-19208
54. Xie, Z.; Zhao, X. S.; Adachi, M.; Shi, Z. Q.; Mashio, T.; Ohma, A.; Shinohara, K.; Holdcroft, S.; Navessin, T. Energy Environ. Sci. 2008, 1 (1) 184-193
55. More, K.; Borup, R.; Reeves, K. ECS Trans. 2006, 3, 717-733
56. Larminie, J.; Dicks, A. Fuel Cell Systems Explained, 2 nd ed.; John Wiley & Sons: New York, 2003.
57. Malek, K.; Mashio, T.; Eikerling, M. Electrocatalysis 2011, 2 (2) 141-157
58. Malevich, D.; Zamlynny, V.; Sun, S. G.; Lipkowski, J. Z. Phys. Chem. 2003, 217 (5) 513-525
59. Subbaraman, R.; Strmcnik, D.; Stamenkovic, V.; Markovic, N. M. J. Phys. Chem. C 2010, 114 (18) 8414-8422
60. Zeng, J. B.; Jean, D. I.; Ji, C. X.; Zou, S. Z. Langmuir 2012, 28 (1) 957-964
61. Kendrick, I.; Kumari, D.; Yakaboski, A.; Dimakis, N.; Smotkin, E. S. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132 (49) 17611-17616
62. Kinoshita, K. Carbon: electrochemical and physicochemical properties; Wiley: New York, 1988.
63. Eikerling, M. J. Electrochem. Soc. 2006, 153 (3) E58-E70
64. Soboleva, T.; Zhao, X. S.; Mallek, K.; Xie, Z.; Navessin, T.; Holdcroft, S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2010, 2 (2) 375-384
65. Soboleva, T.; Malek, K.; Xie, Z.; Navessin, T.; Holdcroft, S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3 (6) 1827-1837
66. Siroma, Z.; Kakitsubo, R.; Fujiwara, N.; Ioroi, T.; Yamazaki, S. I.; Yasuda, K. J. Power Sources 2009, 189 (2) 994-998
67. Paul, D. K.; Fraser, A.; Karan, K. Electrochem. Commun. 2011, 13 (8) 774-777
68. Paul, D. K.; Karan, K.; Docoslis, A.; Giorgi, J. B.; Pearce, J. Macromolecules 2013, 46, 3461-3475
69. Dishari, S. K.; Hickner, M. A. ACS Macro Lett. 2012, 1 (2) 291-295
70. Kusoglu, A.; Kwong, A.; Clark, K. T.; Gunterman, H. P.; Weber, A. Z. J. Electrochem. Soc. 2012, 159 (9) F530-F535
71. Wang, Q. P.; Eikerling, M.; Song, D. T.; Liu, Z. S. J. Electroanal. Chem. 2004, 573 (1) 61-69
72. Chan, K.; Eikerling, M. J. Electrochem. Soc. 2012, 159 (2) B155-B164
73. Uchida, H.; Song, J. M.; Suzuki, S.; Nakazawa, E.; Baba, N.; Watanabe, M. J. Phys. Chem. B 2006, 110 (27) 13319-13321
74. Sun, C.-N.; More, K. L.; Zawodzinski, T. A. ECS Trans. 2010, 33, 1207-1215
75. Xie, J. A.; Xu, F.; Wood, D. L.; More, K. L.; Zawodzinski, T. A.; Smith, W. H. Electrochim. Acta 2010, 55 (24) 7404-7412
76. Berejnov, V.; Susac, D.; Stumper, J.; Hitchcock, A. P. ECS Trans. 2011, 41, 395-402
77. Susac, D.; Berejnov, V.; Hitchcock, A. P.; Stumper, J. ECS Trans. 2011, 41, 629-635
78. Berejnov, V.; Susac, D.; Stumper, J.; Hitchcock, A. P. ECS Trans. 2012, 50, 361-368
79. Lee, M.; Uchida, M.; Yano, H.; Tryk, D. A.; Uchida, H.; Watanabe, M. Electrochim. Acta 2010, 55 (28) 8504-8512
80. Peckham, T. J.; Yang, Y.; Holdcroft, S. Chapter 3: Proton Exchange Membranes. In Proton Exchange Membrane Fuel Cells; Wilkinson, D. P.; Zhang, J.; Hui, R.; Fergus, J.; Li, X., Eds.; CRC Press, Taylor & Francis Group: Boca Raton, FL, 2010.
81. Peckham, T. J.; Schmeisser, J.; Rodgers, M.; Holdcroft, S. J. Mater. Chem. 2007, 17, 3255-3268
82. Gebel, G.; Atkins, P. Polymer 2000, 41, 5829
83. Rollet, A. L.; Diat, O.; Gebel, G. J. Phys. Chem. B 2002, 106 (12) 3033-3036
84. Zhang, L.; Ma, C. S.; Mukerjee, S. Electrochim. Acta 2003, 48 (13) 1845-1859
85. Astill, T.; Xie, Z.; Shi, Z. Q.; Navessin, T.; Holdcroft, S. J. Electrochem. Soc. 2009, 156 (4) B499-B508
86. Easton, E. B.; Astill, T. D.; Holdcroft, S. J. Electrochem. Soc. 2005, 152 (4) A752-A758
87. Miyatake, K.; Omata, T.; Tryk, D. A.; Uchida, H.; Watanabe, M. J. Phys. Chem. C 2009, 113 (18) 7772-7778
88. Peron, J.; Nedellec, Y.; Jones, D. J.; Roziere, J. J. Power Sources 2008, 185 (2) 1209-1217
89. Ohma, A.; Suga, S.; Yamamoto, S.; Shinohara, K. J. Electrochem. Soc. 2007, 154 (8) B757-B760
90. Ogumi, Z.; Kuroe, T.; Takehara, Z. J. Electrochem. Soc. 1985, 132 (11) 2601-2605
91. Buchi, F. N.; Wakizoe, M.; Srinivasan, S. J. Electrochem. Soc. 1996, 143 (3) 927-932
92. Kocha, S. S.; Yang, J. D. L.; Yi, J. S. AlChE J. 2006, 52 (5) 1916-1925
93. Sethuraman, V. A.; Khan, S.; Jur, J. S.; Haug, A. T.; Weidner, J. W. Electrochim. Acta 2009, 54 (27) 6850-6860
94. Shimura, T.; Miyatake, K.; Watanabe, M. Eur. Polym. J. 2008, 44 (12) 4054-4062
95. Parthasarathy, A.; Srinivasan, S.; Appleby, A. J.; Martin, C. R. J. Electrochem. Soc. 1992, 139 (10) 2856-2862
96. Zhang, L.; Hampel, C.; Mukerjee, S. J. Electrochem. Soc. 2005, 152 (6) A1208-A1216
97. Beattie, P. D.; Basura, V. I.; Holdcroft, S. J. Electroanal. Chem. 1999, 468 (2) 180-192
98. Sambandam, S.; Ramani, V. ECS Trans. 2009, 25, 433
99. Basura, V. I.; Chuy, C.; Beattie, P. D.; Holdcroft, S. J. Electroanal. Chem. 2001, 501 (1-2) 77-88
100. Chuy, C.; Basura, V. I.; Simon, E.; Holdcroft, S.; Horsfall, J.; Lovell, K. V. J. Electrochem. Soc. 2000, 147 (12) 4453-4458
101. Sakai, K.; Sato, K.; Mashio, T.; Ohma, A.; Yamanguchi, K.; Shinohara, K. ECS Trans. 2009, 25, 1193
102. Ohma, A.; Mashio, T.; Sato, K.; Iden, H.; Ono, Y.; Sakai, K.; Akizuki, K.; Takaichi, S.; Shinohara, K. Electrochim. Acta 2011, 56 (28) 10832-10841
103. Tabe, Y.; Nishino, M.; Takamatsu, H.; Chikahisa, T. J. Electrochem. Soc. 2011, 158 (10) B1246-B1254
104. Kudo, K.; Suzuki, T.; Morimoto, Y. ECS Trans 2010, 33, 1495-1502
105. Nonoyama, N.; Okazaki, S.; Weber, A. Z.; Ikogi, Y.; Yoshida, T. J. Electrochem. Soc. 2011, 158 (4) B416-B423
106. Xie, Z.; Zhao, X. S.; Gazzari, J.; Wang, Q.; Navessin, T.; Holdcroft, S. ECS Trans. 2009, 25, 1187-1192
107. Fuller, T. F.; Newman, J. J. Electrochem. Soc. 1992, 139 (5) 1332-1337
108. Xie, G.; Okada, T. J. Electrochem. Soc. 1995, 142 (9) 3057-3062
109. Zawodzinski, T. A.; Davey, J.; Valerio, J.; Gottesfeld, S. Electrochim. Acta 1995, 40 (3) 297-302
110. Dong, L.; Kim, Y. S.; Wang, F.; Hickner, M.; Glass, T. E.; McGrath, J. E. Polym. Prepr. 2003, 44, 355
111. Ise, M.; Kreuer, K. D.; Maier, J. Solid State Ionics 1999, 125 (1-4) 213-223
112. Kim, Y. S.; Dong, L. M.; Hickner, M. A.; Glass, T. E.; Webb, V.; McGrath, J. E. Macromolecules 2003, 36 (17) 6281-6285
113. Adachi, M.; Navessin, T.; Xie, Z.; Li, F. H.; Tanaka, S.; Holdcroft, S. J. Membr. Sci. 2010, 364 (1-2) 183-193
114. He, Q. G.; Kusoglu, A.; Lucas, I. T.; Clark, K.; Weber, A. Z.; Kostecki, R. J. Phys. Chem. B 2011, 115 (40) 11650-11657
115. Modestino, M. A.; Kusoglu, A.; Hexemer, A.; Weber, A. Z.; Segalman, R. A. Macromolecules 2012, 45 (11) 4681-4688
116. Adachi, M.; Romero, T.; Navessin, T.; Xie, Z.; Shi, Z. Q.; Merida, W.; Holdcroft, S. Electrochem. Solid State Lett. 2010, 13 (6) B51-B54
117. Adachi, M. Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Water Permeation Through Nafion® Membranes. Simon Fraser University: Burnaby, 2010.
118. Zhao, N.; Edwards, D.; Shi, Z.; Holdcroft, S. ECS Electrochem. Lett. 2013, 2 (3) F22-F24
119. Beleke, A. B.; Miyatake, K.; Uchida, H.; Watanabe, M. Electrochim. Acta 2007, 53 (4) 1972-1978
120. Higuchi, E.; Okamoto, K.; Miyatake, K.; Uchida, H.; Watanabe, M. Res. Chem. Intermed. 2006, 32 (5-6) 533-542
121. Park, J. S.; Krishnan, P.; Park, S. H.; Park, G. G.; Yang, T. H.; Lee, W. Y.; Kim, C. S. J. Power Sources 2008, 178 (2) 642-650
122. Sambandam, S.; Ramani, V. Electrochim. Acta 2008, 53 (22) 6328-6336