Ionenleitfähigkeit in polymeren Matrizes – Synthese, Charakterisierung und Untersuchung dynamischer Prozesse von neuen Lithium- und Protonenleitern

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese, physikochemischen und polymerspezifischen Charakterisierung und insbesondere der impedanzspektroskopischen Untersuchung von sowohl neuartigen, solvensfreien lithiumionen- als auch protonenleitfähigen Polymermaterialien für potentielle Anwendungen in sekundären Lithiumionenbatterien bzw. in Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl.: proton exchange membrane fuel cell, auch: polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC). Beiden Typen von ionenleitfähigen Membranen liegt das gängige Prinzip der chemischen Anbindung einer für den Ionentransport verantwortlichen Seitengruppe an eine geeignete Polymerhauptkette zugrunde („Entkopplung“; auch Immobilisierung), welcher hinsichtlich Glasübergangstemperatur (Tg), elektrochemischer und thermischer Stabilität (Td) eine dynamisch entkoppelte, aber nicht minder bedeutsame Rolle zukommt. Die Transportaktivierung erfolgt in beiden Fällen thermisch. Im Falle der Protonenleiter liegt die zusätzliche Intention darin, eine Alternative aufzuzeigen, in der die Polymerhauptkette gekoppelt direkt am Protonentransportmechanismus beteiligt ist, d.h., dass der translatorisch diffusive Ionentransport entlang der Hauptkette stattfindet und nicht zwischen benachbarten Seitenketten. Ein Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt sowohl bei den lithiumionen- als auch den protonenleitfähigen Polymermembranen auf temperaturabhängigen dynamischen Prozessen der jeweiligen Ionenspezies in der polymeren Matrix, was die Ionenleitfähigkeit selbst, Relaxationsphänomene, die translatorische Ionendiffusion und im Falle der Protonenleiter etwaige mesomere Grenzstrukturübergänge umfasst. Lithiumionenleiter: Poly(meth)acrylate mit (2-Oxo-1,3-dioxolan)resten (Cyclocarbonat-) in der Seitenkette unterschiedlicher Spacerlänge wurden synthetisiert und charakterisiert. Die Leitfähigkeit s(,T) erreicht bei Poly(2-oxo-[1,3]dioxolan-4-yl)methylacrylat (PDOA): Lithium-bis-trifluormethansulfonimid (LiTFSI) (10:3) ca. 10^-3,5 S cm^-1 bei 150 °C. Weichmachen (Dotieren) mit äquimolaren Mengen an Propylencarbonat (PC) bewirkt in allen Fällen einen enormen Anstieg der Leitfähigkeit. Die höchsten Leitfähigkeiten von Mischungen dieser Polymere mit LiTFSI (und LiBOB) werden nicht beim System mit der niedrigsten Tg gefunden. Auch dient Tg nicht als Referenztemperatur (Tref) nach Williams-Landel-Ferry (WLF), so dass eine WLF-Anpassung der Leitfähigkeitsdaten nur über einen modifizierten WLF-Algorithmus gelingt. Die ermittelten Tref liegen deutlich unterhalb von Tg bei Temperaturen, die charakteristisch für die Seitenkettenrelaxation sind („Einfrieren“). Dies legt nahe, dass der Relaxation der Seitenketten eine entscheidende Rolle im Li^+-Leitfähigkeitsmechanismus zukommt. Die Li^+-Überführungszahlen tLi^+ in diesen Systemen schwanken zwischen 0,13 (40 °C) und 0,55 (160 °C). Protonenleiter: Polymere mit Barbitursäure- bzw. Hypoxanthinresten in der Seitenkette und Polyalkylenbiguanide unterschiedlicher Spacerlänge wurden synthetisiert und charakterisiert. Die Leitfähigkeit s(,T) erreicht bei Poly(2,4,6(1H,3H,5H)-trioxopyrimidin-5-yl)methacrylat (PTPMA) maximal ca. 10^-4,4 S cm^-1 bei 140 °C. Höhere Leitfähigkeiten sind nur durch Mischen mit aprotischen Lösungsmitteln erreichbar. Die höchste Leitfähigkeit wird im Falle der Polyalkylenbiguanide bei Polyethylenbiguanid (PEB) erzielt. Sie erreicht 10^-2,4 S cm^-1 bei 190 °C. Die Aktivierungsenergien EA der Polyalkylenbiguanide liegen (jeweils unterhalb von Tg) zwischen ca. 3 – 6 kJ mol^-1. In allen beobachteten Fällen dient Tg als Tref, so dass eine konventionelle WLF-Behandlung möglich ist und davon auszugehen ist, dass die Leitfähigkeit mit dem freien Volumen Vf korreliert.

Ab-initio study of hydrogen technology materials for hydrogen storage and proton conduction

This dissertation deals with two specific aspects of a potential hydrogen-based energy economy, namely the problems of energy storage and energy conversion. In order to contribute to the solution of these problems, the structural and dynamical properties of two promising materials for hydrogen storage (lithium imide/amide) and proton conduction (poly[vinyl phosphonic acid]) are modeled on an atomistic scale by means of first principles molecular dynamics simulation methods.rnrnrnIn the case of the hydrogen storage system lithium amide/imide (LiNH_2/Li_2NH), the focus was on the interplay of structural features and nuclear quantum effects. For these calculations, Path-Integral Molecular Dynamics (PIMD) simulations were used. The structures of these materials at room temperature were elucidated; in collaboration with an experimental group, a very good agreement between calculated and experimental solid-state 1H-NMR chemical shifts was observed. Specifically, the structure of Li_2NH features a disordered arrangement of the Li lattice, which was not reported in previous studies. In addition, a persistent precession of the NH bonds was observed in our simulations. We provide evidence that this precession is the consequence of a toroid-shaped effective potential, in which the protons in the material are immersed. This potential is essentially flat along the torus azimuthal angle, which might lead to important quantum delocalization effects of the protons over the torus.rnrnOn the energy conversion side, the dynamics of protons in a proton conducting polymer (poly[vinyl phosphonic acid], PVPA) was studied by means of a steered ab-initio Molecular Dynamics approach applied on a simplified polymer model. The focus was put on understanding the microscopic proton transport mechanism in polymer membranes, and on characterizing the relevance of the local environment. This covers particularly the effect of water molecules, which participate in the hydrogen bonding network in the material. The results indicate that these water molecules are essential for the effectiveness of proton conduction. A water-mediated Grotthuss mechanism is identified as the main contributor to proton conduction, which agrees with the experimentally observed decay on conductivity for the same material in the absence of water molecules.rnrnThe gain in understanding the microscopic processes and structures present in this materials can help the development of new materials with improved properties, thus contributing to the solution of problems in the implementation of fuel cells.

Synthesis and investigation of functional polymer materials

Funktionelle Materialien sind in einer Vielzahl von Materialklassen wie Polymeren, Biomaterialien, Gläsern, Metallen, Keramiken und Verbundwerkstoffen anzutreffen. Sie besitzen eine spezifische, intrinsische Funktion, welche auf dem zu Grunde liegenden Design der Verbindung beruht. In dieser Dissertation wurden zwei funktionelle Materialien studiert: ein durch Phosphonatadditive mechanisch verstärktes Epoxidharz und protonenleitende Blockcopolymere, welche Potential für den Einsatz in Brennstoffzellen besitzen. Die Materialien wurden vorranging mittels Festkörper Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht, welche sich besonders für die Untersuchung der lokalen Struktur und Dynamik amorpher Polymere eignet.rnrnPhosphonate sind eine neue Klasse sogenannter molekularer Verstärker, die die mechanischen und thermischen Kennzahlen geeigneter Epoxidharze erhöhen. Es wurde eine Reihe von Phosphonatderivaten synthetisiert um systematische den Effekt der chemischen Struktur und des Aushärteprozesses auf die Eigenschaften eines Modellepoxidharzes zu untersuchen. Die Aufklärung des Verstärkungsmechanismus ergab, dass die Phosphonate währen der thermischen Aushärtung des Epoxidharzes die Aminofunktionalitäten des Härters alkylieren. Dies führt zu der Bildung von homogen verteilten, positiven Ladungen auf der Polymerkette, während negative Phosphonatanionen als Gegenionen wirken. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur des Additivs einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des ausgehärteten Epoxidharzes sowie seine Alterung, d.h. den allmählichen Verlust der Verstärkung, hat.rnrnDes Weiteren wurde eine Serie von sulfonierten Blockcopolymeren synthetisiert. Es handelte sich hierbei um Multiblockcopolyimide, wobei die Polymerketten aus einer alternierenden Sequenz von sulfonierten (hydrophilen) und unsulfonierten (hydrophoben) Blöcken bestanden. Diese Polymere bilden nach einem ‚solvent cast‘ Prozess feste, duktile und transparente Membrane. Sulfonierte Blockcopolymermembrane zeigten im Vergleich mit statistisch sulfonierten Vergleichssubstanzen eine erhöhte Leitfähigkeit, sowie eine erhöhte Wasseraufnahme. Dies wurde auf eine bessere Phasenseparation im Festkörper zurückgeführt. Die Morphologie der Filme war eindeutig anisotrop und stark abhängig von der Blocklänge der Polymere. Durch diverse Festkörper-NMR Methoden konnte gezeigt werden, dass die Protonenmobilität in den Membranen von der betrachteten Längenskala abhängig ist und nicht notwendigerweise mit der makroskopisch beobachteten Leitfähigkeit korreliert.

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.

A Model to Predict Percolation Threshold and Effective Conductivity of Infiltrated Electrodes for Solid Oxide Fuel Cells

We present a mechanistic modeling methodology to predict both the percolation threshold and effective conductivity of infiltrated Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) electrodes. The model has been developed to mirror each step of the experimental fabrication process. The primary model output is the infiltrated electrode effective conductivity which provides results over a range of infiltrate loadings that are independent of the chosen electronically conducting material. The percolation threshold is utilized as a valuable output data point directly related to the effective conductivity to compare a wide range of input value choices. The predictive capability of the model is demonstrated by favorable comparison to two separate published experimental studies, one using strontium molybdate and one using La0.8Sr0.2FeO3-δ as infiltrate materials. Effective conductivities and percolation thresholds are shown for varied infiltrate particle size, pore size, and porosity with the infiltrate particle size having the largest impact on the results.

A Model to Predict Percolation Threshold and Effective Conductivity of Infiltrated Electrodes for Solid Oxide Fuel Cells

We present a mechanistic modeling methodology to predict both the percolation threshold and effective conductivity of infiltrated Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) electrodes. The model has been developed to mirror each step of the experimental fabrication process. The primary model output is the infiltrated electrode effective conductivity which provides results over a range of infiltrate loadings that are independent of the chosen electronically conducting material. The percolation threshold is utilized as a valuable output data point directly related to the effective conductivity to compare a wide range of input value choices. The predictive capability of the model is demonstrated by favorable comparison to two separate published experimental studies, one using strontium molybdate and one using La0.8Sr0.2FeO3-delta as infiltrate materials. Effective conductivities and percolation thresholds are shown for varied infiltrate particle size, pore size, and porosity with the infiltrate particle size having the largest impact on the results. (C) 2013 The Electrochemical Society. All rights reserved.

Implementation of a phenomenological evaporation model into a porous network simulation for water management in low temperature fuel cells

A phenomenological transition film evaporation model was introduced to a pore network model with the consideration of pore radius, contact angle, non-isothermal interface temperature, microscale fluid flows and heat and mass transfers. This was achieved by modeling the transition film region of the menisci in each pore throughout the porous transport layer of a half-cell polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell. The model presented in this research is compared with the standard diffusive fuel cell modeling approach to evaporation and shown to surpass the conventional modeling approach in terms of predicting the evaporation rates in porous media. The current diffusive evaporation models used in many fuel cell transport models assumes a constant evaporation rate across the entire liquid-air interface. The transition film model was implemented into the pore network model to address this issue and create a pore size dependency on the evaporation rates. This is accomplished by evaluating the transition film evaporation rates determined by the kinetic model for every pore containing liquid water in the porous transport layer (PTL). The comparison of a transition film and diffusive evaporation model shows an increase in predicted evaporation rates for smaller pore sizes with the transition film model. This is an important parameter when considering the micro-scaled pore sizes seen in the PTL and becomes even more substantial when considering transport in fuel cells containing an MPL, or a large variance in pore size. Experimentation was performed to validate the transition film model by monitoring evaporation rates from a non-zero contact angle water droplet on a heated substrate. The substrate was a glass plate with a hydrophobic coating to reduce wettability. The tests were performed at a constant substrate temperature and relative humidity. The transition film model was able to accurately predict the drop volume as time elapsed. By implementing the transition film model to a pore network model the evaporation rates present in the PTL can be more accurately modeled. This improves the ability of a pore network model to predict the distribution of liquid water and ultimately the level of flooding exhibited in a PTL for various operating conditions.

Particles induce apical plasma membrane enlargement in epithelial lung cell line depending on particle surface area dose

Background Airborne particles entering the respiratory tract may interact with the apical plasma membrane (APM) of epithelial cells and enter them. Differences in the entering mechanisms of fine (between 0.1 μm and 2.5 μm) and ultrafine ( ≤ 0.1 μm) particles may be associated with different effects on the APM. Therefore, we studied particle-induced changes in APM surface area in relation to applied and intracellular particle size, surface and number. Methods Human pulmonary epithelial cells (A549 cell line) were incubated with various concentrations of different sized fluorescent polystyrene spheres without surface charge (∅ fine – 1.062 μm, ultrafine – 0.041 μm) by submersed exposure for 24 h. APM surface area of A549 cells was estimated by design-based stereology and transmission electron microscopy. Intracellular particles were visualized and quantified by confocal laser scanning microscopy. Results Particle exposure induced an increase in APM surface area compared to negative control (p < 0.01) at the same surface area concentration of fine and ultrafine particles a finding not observed at low particle concentrations. Ultrafine particle entering was less pronounced than fine particle entering into epithelial cells, however, at the same particle surface area dose, the number of intracellular ultrafine particles was higher than that of fine particles. The number of intracellular particles showed a stronger increase for fine than for ultrafine particles at rising particle concentrations. Conclusion This study demonstrates a particle-induced enlargement of the APM surface area of a pulmonary epithelial cell line, depending on particle surface area dose. Particle uptake by epithelial cells does not seem to be responsible for this effect. We propose that direct interactions between particle surface area and cell membrane cause the enlargement of the APM.

Genes Involved in Osmoregulation during Turgor-Driven Cell Expansion of Developing Cotton Fibers Are Differentially Regulated1

Cotton (Gossypium hirsutum L.) fibers are single-celled trichomes that synchronously undergo a phase of rapid cell expansion, then a phase including secondary cell wall deposition, and finally maturation. To determine if there is coordinated regulation of gene expression during fiber expansion, we analyzed the expression of components involved in turgor regulation and a cytoskeletal protein by measuring levels of mRNA and protein accumulation and enzyme activity. Fragments of the genes for the plasma membrane proton-translocating ATPase, vacuole-ATPase, proton-translocating pyrophosphatase (PPase), phosphoenolpyruvate carboxylase, major intrinsic protein, and α-tubulin were amplified by polymerase chain reaction and used as probes in ribonuclease protection assays of RNA from a fiber developmental series, revealing two discrete patterns of mRNA accumulation. Transcripts of all but the PPase accumulated to highest levels during the period of peak expansion (+12–15 d postanthesis [dpa]), then declined with the onset of secondary cell wall synthesis. The PPase was constitutively expressed through fiber development. Activity of the two proton-translocating-ATPases peaked at +15 dpa, whereas PPase activity peaked at +20 dpa, suggesting that all are involved in the process of cell expansion but with varying roles. Patterns of protein accumulation and enzyme activity for some of the proteins examined suggest posttranslational regulation through fiber development.

Toxoplasma invasion: the parasitophorous vacuole is formed from host cell plasma membrane and pinches off via a fission pore.

Most intracellular pathogens avoid lysing their host cells during invasion by wrapping themselves in a vacuolar membrane. This parasitophorous vacuole membrane (PVM) is often retained, serving as a critical transport interface between the parasite and the host cell cytoplasm. To test whether the PVM formed by the parasite Toxoplasma gondii is derived from host cell membrane or from lipids secreted by the parasite, we used time-resolved capacitance measurements and video microscopy to assay host cell surface area during invasion. We observed no significant change in host cell surface area during PVM formation, demonstrating that the PVM consists primarily of invaginated host cell membrane. Pinching off of the PVM from the host cell membrane occurred after an unexpected delay (34-305 sec) and was seen as a 0.219 +/- 0.006 pF drop in capacitance, which corresponds well to the predicted surface area of the entire PVM (30-33 microns2). The formation and closure of a fission pore connecting the extracellular medium and the vacuolar space was detected as the PVM pinched off. This final stage of parasite entry was accomplished without any breach in cell membrane integrity.

Features of MotA proton channel structure revealed by tryptophan-scanning mutagenesis.

The MotA protein of Escherichia coli is a component of the flagellar motors that functions in transmembrane proton conduction. Here, we report several features of MotA structure revealed by use of a mutagenesis-based approach. Single tryptophan residues were introduced at many positions within the four hydrophobic segments of MotA, and the effects on function were measured. Function was disrupted according to a periodic pattern that implies that the membrane-spanning segments are alpha-helices and that identifies the lipid-facing parts of each helix. The results support a hypothesis for MotA structure and mechanism in which water molecules form most of the proton-conducting pathway. The success of this approach in studying MotA suggests that it could be useful in structure-function studies of other integral membrane proteins.

Chronopotentiometric study of a Nafion membrane in presence of glucose

Chronopotentiometric and swelling experiments have been conducted to characterize the behavior of a Nafion membrane in NaCl and KCl aqueous solutions without and with glucose. A mixture solution with similar composition to the cerebrospinal fluid and blood plasma has also been studied. From the chronotentiograms, current-voltage curves have been obtained, and the values of the limiting current density, diffusion boundary layer thickness, difference between counter-ion transport number in membrane and free solution, and transition times have been determined for the investigated membrane systems. The obtained results indicate that the presence of glucose affects the ion transport through the membrane depending on the electrolyte and glucose concentrations. At low electrolyte concentration, experimental transition times are found to be smaller in presence of glucose, which has been related to an effective membrane area reduction in presence of glucose. The membrane system corresponding to the mixture solution shows a behavior similar to the single high concentration NaCl membrane system, indicating that the observed behavior is mainly associated to the Na^+ ions transport in higher proportion. In this case, the glucose presence does not affect significantly the investigated properties of the membrane, which is interesting for its utilization in a glucose fuel cell.

Electrocatalytic hydrogenation of acetophenone using a Polymer Electrolyte Membrane Electrochemical Reactor

The use of a solid polymeric electrolyte, spe, is not commonly found in organic electrosynthesis despite its inherent advantages such as the possible elimination of the electrolyte entailing simpler purification processes, a smaller sized reactor and lower energetic costs. In order to test if it were possible to use a spe in industrial organic electrosynthesis, we studied the synthesis of 1-phenylethanol through the electrochemical hydrogenation of acetophenone using Pd/C 30 wt% with different loadings as cathode and a hydrogen gas diffusion anode. A Polymer Electrolyte Membrane Electrochemical Reactor, PEMER, with a fuel cell structure was chosen to carry out electrochemical reduction with a view to simplifying an industrial scale-up of the electrochemical process. We studied the influence of current density and cathode catalyst loading on this electroorganic synthesis. Selectivity for 1-phenylethanol was around 90% with only ethylbenzene and hydrogen detected as by-products.

Modeling hydrogen separation in high temperature silica membrane systems

In this work, a working model is proposed of molecular sieve silica (MSS) multistage membrane systems for CO cleanup at high temperatures (up to 500 degrees C) in a simulated fuel cell fuel processing system. Gases are described as having little interactions with each other relative to the pore walls due to low isosteric heat of adsorption on silica surfaces and high temperatures. The Arrhenius function for activated transport of pure gases was used to predict mixture concentration in the permeate and retentate streams. Simulation predicted CO could be reduced to levels below the required 50 ppmv for polymer electrolyte membrane fuel cell anodes at a stage H-2/CO selectivity of higher than 40 in 4 series membrane units. Experimental validation showed predicting mixture concentrations required only pure gas permeation data. This model has significant application for setting industrial stretch targets and as a robust basis for complex membrane model configurations. (c) 2006 American Institute of Chemical Engineers.

SIGNIFICANCE OF HEAT DISSIPATION IN THE CATHODE CATALYST LAYER ON THE LIFETIME AND RELIABILITY OF POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELLS

To study the dissipation of heat generated due to the formation of pinholes that cause local hotspots in the catalyst layer of the Polymer Electrolyte Fuel Cell, a two-phase non-isothermal model has been developed by coupling Darcy’s law with heat transport. The domain under consideration is a section of the membrane electrode assembly with a half-channel and a half-rib. Five potential locations where a pinhole might form were analyzed: at the midplane of the channel, midway between the channel midplane and the channel wall, at the channel or rib wall, midway between the rib midplane and the channel wall, at the midplane of the rib. In the first part of this work, a preliminary thermal model was developed. The model was then refined to account for the two-phase effects. A sensitivity study was done to evaluate the effect of the following properties on the maximum temperature in the domain: Catalyst layer thermal conductivity, the Microporous layer thermal conductivity, the anisotropy factor of the Catalyst layer thermal conductivity, the Porous transport layer porosity, the liquid water distribution and the thickness of the membrane and porous layers. Accounting for the two-phase effects, a slight cooling effect was observed across all hotspot locations. The thermal properties of the catalyst layer were shown to have a limited impact on the maximum temperature in the catalyst layer of new fuel cells without pinhole. However, as hotspots start to appear, thermal properties play a more significant role in mitigating the thermal runaway.