This review summarizes the major advances since 2012 in highly permeable and CO₂-selective polymer-based membrane materials.

Abstract Proton exchange membranes with short-pathway through-plane orientated proton conductivity are highly desirable for use in proton exchange membrane fuel cells. Magnetic field is utilized to create oriented structure in proton exchange membranes. Previously, this has only been carried out by proton nonconductive metal oxide-based fillers. Here, under a strong magnetic field, a proton-conducting paramagnetic complex based on ferrocyanide-coordinated polymer and phosphotungstic acid is used to prepare composite membranes with highly conductive through-plane-aligned proton channels. Gratifyingly, this strategy simultaneously overcomes the high water-solubility of phosphotungstic acid in composite membranes, thereby preventing its leaching and the subsequent loss of membrane conductivity. The ferrocyanide groups in the coordinated polymer, via redox cycle, can continuously consume free radicals, thus helping to improve the long-term in situ membrane durability. The composite membranes exhibit outstanding proton conductivity, fuel cell performance and durability, compared with other types of hydrocarbon membranes and industry standard Nafion ® 212.

Improving the alkaline hydrogen evolution reaction (HER) efficiency is essential for developing advanced anion exchange membrane water electrolyzers (AEMWEs) that operate at industrial ampere-level currents. Herein, we employ density functional theory (DFT) calculations to identify Ni-RuO2 as the leading candidate among various 3d transition metal-doped M-RuO2 (where metal M includes Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn). The incorporation of Ni atoms facilitates the partial reduction of RuO2, resulting in the formation of a Ni-Ru/RuO2 interface having a significant built-in electric field (BIEF) during electrochemical reactions. The resulted BIEF enhances electron transfer across the interface, which is critical in lowering energy barriers and accelerating the hydrogen evolution reaction (HER) kinetics. As a result, the Ni-RuO2 catalyst exhibits an overpotential of 134 mV at 1 A cm-2 and a low Tafel slope of 20.85 mV dec-1, with just 0.03 mg cm-2 of Ru loading. The highly effective BIEF, therefore, plays a pivotal role in the catalyst's remarkable performance, allowing the Ni-RuO2-based AEMWE to require only 1.71V to maintain stable operation at 1 A cm-2 over a 1000-hour period.

Abstract During vehicle operation, the fuel cell stack onboard inevitably experiences vibration loads due to uneven road surfaces and internal system vibrations. Therefore, this paper conducts a mechanical response analysis of metal plate fuel cell stacks under random vibration loads for various vehicles (passenger vehicles, buses, trailers, and logistics vehicles) and different fixation types (fixing with 14 bolts, fixing with four corner bolts, fixing blind end plates, fixing short sides of both end plates, fixing long sides of both end plates). The stress distribution of the membrane electrode assembly (MEA) and sealing rings is obtained. The results indicate that fixing with 14 bolts is the optimal fixation type for various vehicles, resulting in the minimum stress on both the MEA and sealing rings. However, under the condition of fixing the short sides of both end plates, the stress on the MEA is maximum for various vehicles, and under the condition of fixing blind end plates, the stress on the sealing ring is maximum for various vehicles. Hence, during stack installation, it is advisable to avoid these two fixation types to the greatest extent possible. Among various types of vehicles, passenger vehicles experience the least impact from random vibrations, whereas logistics vehicles are the most susceptible to such vibrations. Additionally, stress on the MEA and sealing rings is higher around the corners, making them susceptible to damage.

Abstract Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), as an environmentally friendly energy conversion device, are considered an important solution to achieve the net-zero pathway. However, the widespread commercialization of PEMFC is still hindered by limitations in reliability and durability. This article combines the degradation mechanism model with data-driven optimization algorithms to achieve degradation mechanisms and internal health state analysis of PEMFCs. Firstly, a semi-empirical degradation model for PEMFCs is constructed and validated with experimental data from the polarization curve. Afterward, based on the 4750 h degradation test data, the aging factors are fitted based on genetic algorithms, including leakage current, electrochemical active surface area (ECSA), ion impedance, contact resistance, oxygen diffusion coefficient, and concentration loss coefficient. The health status of key components is reflected by these aging factors. This article provides an in-depth analysis of the aging mechanism observed in PEMFCs during long-term operation, thereby establishing a fundamental understanding of the health status pertaining to crucial components within PEMFCs.

The two‐dimensional lamellar materials disperse platinum sites and minimize noble‐metal usage for fuel cells, while mass transport resistance at the stacked layers spurs device failure with a significant performance decline in membrane electrode assembly (MEA). Herein, we implant porous and rigid sulfonated covalent organic frameworks (COF) into the graphene‐based catalytic layer for the construction of steric mass‐charge channels, which highly facilitates the activity of oxygen reduction reactions in both the rotating disk electrode (RDE) measurements and MEA device tests. Specifically, the normalized mass activity is remarkably boosted by 3.7 times to 1.56 A mgpt‐1 after additions of suitable COF modifications in the RDE tests. Especially, an excellent maximum power density of 1.015 W cm‐2 is realized on the MEA in H2/Air condition, representing a 22% improvement through such constructions of steric mass‐charge channels. Meanwhile, the open‐circuit voltage of fuel cells demonstrates only 0.8% reductions after 10,000 cycles of stability tests. We further extended such methodology of constructing mass‐charge channels to granular PtCo and commercial Pt/C catalysts, which demonstrates a significant impetus for stimulating the catalytic activity in fuel cells.

Improving the alkaline hydrogen evolution reaction (HER) efficiency is essential for developing advanced anion exchange membrane water electrolyzers (AEMWEs) that operate at industrial ampere‐level currents. Herein, we employ density functional theory (DFT) calculations to identify Ni‐RuO2 as the leading candidate among various 3d transition metal‐doped M‐RuO2 (where metal M includes Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn). The incorporation of Ni atoms facilitates the partial reduction of RuO2, resulting in the formation of a Ni‐Ru/RuO2 interface having a significant built‐in electric field (BIEF) during electrochemical reactions. The resulted BIEF enhances electron transfer across the interface, which is critical in lowering energy barriers and accelerating the hydrogen evolution reaction (HER) kinetics. As a result, the Ni‐RuO2 catalyst exhibits an overpotential of 134 mV at 1 A cm‐2 and a low Tafel slope of 20.85 mV dec‐1, with just 0.03 mg cm‐2 of Ru loading. The highly effective BIEF, therefore, plays a pivotal role in the catalyst's remarkable performance, allowing the Ni‐RuO2‐based AEMWE to require only 1.71V to maintain stable operation at 1 A cm‐2 over a 1000‐hour period.