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Zusammenfassung Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) haben ihre Eignung als vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen im Bereich sauberer Energie unter Beweis gestellt. Die Leistung konventioneller PEMFC-Elektroden, insbesondere der Kathodenelektrode, leidet jedoch unter geringer Katalysatorausnutzung und langsamer Massenbewegung aufgrund der zufällig verteilten Komponenten und den komplizierten Transportwegen. Die Entwicklung alternativer Architekturen, bei denen die Elektrodenstruktur über eine Reihe von Längenskalen kontrolliert wird, bietet einen vielversprechenden Weg zur Überwindung dieser Einschränkungen. Hier bieten wir eine umfassende Übersicht über aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu fortgeschrittenen Elektrodenstrukturen, organisiert nach abnehmender Längenskala von der Millimeter- bis zur Nanometerskala. Speziell werden fortgeschrittene Elektrodenstrukturen in fünf einzigartige Architekturen für bestimmte Funktionen kategorisiert: (1) makropatternierte Elektroden zur Verbesserung des makroskaligen Stofftransports, (2) mikropatternierte Elektroden zur Verbesserung des mikroskaligen Stofftransports, (3) elektrogesponnene Elektroden mit faserbasierter Morphologie zur Verbesserung des in-plane-Protonentransports und des durch-Plane-O2-Transports, (4) Elektroden mit verbesserter Porosität zur Verbesserung des Sauerstofftransports durch selektive Einfügung von Hohlräumen und (5) Katalysatorfilm-Elektroden zur Eliminierung von Kohlenkorrosion und Ionomervergiftung. Die Leistungsdaten der PEMFC, die aus jeder alternativen Elektrodenstruktur erzielt wurden, werden präsentiert und tabellarisch für einen Vergleich mit konventionellen Elektrodenarchitekturen dargestellt. Darüber hinaus werden Mechanismen analysiert, durch die neue Elektrodenstrukturen die Leistung verbessern können, und diskutiert. Schließlich wird ein Überblick über aktuelle Einschränkungen und zukünftige Forschungsbedarfe präsentiert, um die Entwicklung von Elektrodenstrukturen für die nächste Generation von PEMFCs zu leiten. Grafische Zusammenfassung Die Entwicklung verbesserter Elektrodenarchitekturen mit der Kontrolle der Struktur über Längenskalen von Millimetern bis Nanometern könnte eine neue Generation von Brennstoffzellen mit verbesserter Leistung und reduzierten Kosten ermöglichen. Dieses Papier präsentiert eine eingehende Übersicht und kritische Analyse der aktuellen Entwicklungen und zukünftigen Perspektiven im Design fortgeschrittener Elektrodenstrukturen.
Yang et al. (Mittw,) haben diese Frage untersucht.