Abstrak
Sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFC) merupakan teknologi energi bersih yang penting, namun kompleksitas material dan struktur rakitan elektroda membran (MEA) dapat menghambat pengembangan struktur generasi berikutnya, karena perubahan kecil pada satu komponen pun dapat berdampak signifikan pada komponen lainnya. Pemodelan matematika MEA PEMFC terbukti menjadi salah satu dari sedikit teknik yang mampu memisahkan kompleksitas ini, tetapi model yang tersedia umumnya didasarkan pada struktur yang terlalu disederhanakan yang berarti model tersebut kurang mampu menginformasikan desain material. Dalam studi ini, pendekatan pemodelan berbasis gambar tingkat lanjut dikembangkan untuk mengungkap interaksi perubahan material dalam MEA PEMFC. Dengan menggunakan PEMFC suhu tinggi sebagai sistem contoh, teknik pencitraan struktural tingkat lanjut digunakan untuk menghasilkan rekonstruksi MEA 3D terperinci yang menjadi dasar bagi model multifase dan multifisika. Hal ini memungkinkan prediksi kinerja sel dan pemisahan dampak perubahan pada struktur atau komponen individual (seperti pori membran, retakan katalis, dan migrasi fase), pada perilaku sel. Fenomena ini kemudian dapat ‘digabungkan kembali’ secara selektif untuk mengurai interaksi berbagai bahan yang digunakan dalam sel operasional. Wawasan yang dihasilkan memberikan pemahaman mekanistik tentang kinerja MEA, yang memandu desain dan pengoptimalan PEMFC di masa mendatang.

1 Pendahuluan
Efisiensi dan ketahanan utama dari sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFC), sebuah teknologi energi bersih yang penting, didorong oleh serangkaian interaksi kompleks di berbagai fase dan medan fisik, yang menjadikan sinergi lintas komponen menjadi krusial. [ 1 – 3 ] Oleh karena itu, material dalam rakitan elektroda membran (MEA), yang mencakup material yang digunakan di dalam membran, katalis, pengikat, ionomer, dan media difusi gas, idealnya harus dieksplorasi dan dikembangkan sebagai sistem terpadu, daripada mengoptimalkannya berdasarkan komponen per komponen. [ 4 , 5 ] Sayangnya, hal ini jarang memungkinkan karena banyaknya komponen yang terpisah, [ 6 ] kompleksitas ruang parameter yang dihasilkan, [ 7 ] perilaku yang saling bergantung,
[ 8 ] kondisi operasional yang beragam, degradasi material, dan variabilitas manufaktur. [ 9 ] Mencapai koordinasi yang efektif di antara komponen-komponen ini sangat penting untuk kinerja dan ketahanan sel bahan bakar yang optimal, properti yang harus dimaksimalkan untuk memungkinkan aplikasi industri PEMFC lebih lanjut.

Kinerja katalis dalam sel bahan bakar dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk aktivitas katalitik, luas permukaan elektrokimia (ECSA), selektivitas reaksi reduksi oksigen, sifat material pendukung, serta ukuran dan distribusi partikel. [ 10 , 11 ] Secara bersamaan, kinerja membran sel bahan bakar dipengaruhi oleh parameter seperti konduktivitas proton, kekuatan mekanis, stabilitas kimia, permeabilitas gas, penyerapan air, dan ketebalan. [ 12 , 13 ] Namun, sementara kinerja katalis atau membran sel bahan bakar, misalnya, dapat ditingkatkan melalui pendekatan seperti sintesis material baru, [ 12 ] modifikasi, [ 14 ] doping, [ 15 , 16 ] pencangkokan, [ 17 ] dan ikatan silang, [ 18 ] umumnya peningkatan sifat komponen individual ini memiliki dampak kecil pada kinerja sel bahan bakar secara keseluruhan. Misalnya, penggunaan grafena sebagai penopang katalis dapat meningkatkan ECSA, tetapi sifat grafena 2D dapat menghambat transportasi gas, sehingga meningkatkan resistansi perpindahan massa [ 19 , 20 ] dan meniadakan manfaat apa pun. Demikian pula, sementara polivinilpirolidon-polietersulfon (PVP-PES) adalah membran pertukaran proton baru dengan konduktivitas proton yang sangat baik, kekuatan mekanisnya yang buruk dan kelarutannya dalam air yang dihasilkan oleh sel bahan bakar dapat menyebabkan perpindahan hidrogen yang signifikan, yang pada akhirnya mengurangi kinerja sel. [ 21 , 22 ]

Dampak bahan baru atau modifikasi bahan pada kinerja PEMFC sering dianalisis menggunakan kurva polarisasi, spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS), atau berbagai model matematika. [ 23 – 25 ] Namun, simulasi MEA PEMFC sering kali berfokus pada komponen tunggal, seperti lapisan difusi gas (GDL) atau lapisan katalis (CL), menggunakan model fisika tunggal yang tidak menggabungkan reaksi elektrokimia (terutama simulasi dinamika fluida). [ 26 – 29 ] Simulasi yang menggabungkan proses elektrokimia dengan multi-fisika dan kopling multifase untuk seluruh MEA biasanya didasarkan pada model 2D atau model 3D yang disederhanakan. [ 30 – 32 ] Simulasi komponen tunggal, bahkan jika multi-fisika, sering kali kesulitan untuk memperhitungkan interaksi antara komponen dan antara reaksi elektrokimia dan perubahan fisik. Demikian pula, model 2D atau 3D yang disederhanakan mungkin gagal menangkap efek yang dihasilkan dari perubahan morfologi struktural 3D. Simulasi multifisika dan kopling multifase komprehensif berdasarkan model 3D terperinci relatif jarang karena distribusi dan morfologi air cair dalam MEA dunia nyata sulit ditangkap, namun memiliki dampak signifikan pada kinerja.

Tomografi terkomputasi (CT) sinar-X adalah alat yang sangat baik untuk merekonstruksi struktur sistem material yang kompleks. [ 33 – 36 ] Namun, ketidakpekaan sinar-X terhadap elemen cahaya termasuk air sangat membatasi resolusi yang dapat dicapai saat mempelajari MEA sel bahan bakar. Sementara CT neutron dapat memvisualisasikan distribusi air dalam PEMFC, resolusi spasialnya bahkan lebih terbatas daripada CT sinar-X. [ 37 ] Oleh karena itu, CT neutron terutama digunakan untuk menganalisis distribusi air dalam saluran aliran pelat bipolar. [ 38 ] Namun, sel bahan bakar membran pertukaran proton suhu tinggi (HT-PEMFC) sering menggunakan membran terdoping asam fosfat (PA), yang memungkinkan operasi dalam kisaran suhu 120–220 °C tanpa bergantung pada hidrasi. Karena titik didihnya yang tinggi, PA menggantikan air dalam HT-PEMFC, sehingga menghilangkan kebutuhan untuk manajemen air. Yang penting, massa atom PA yang relatif lebih tinggi (dibandingkan dengan air), meningkatkan koefisien penyerapan sinar-X dari bahan ini, sehingga PA dapat dideteksi. Saat PA keluar dari membran ke dalam mikrostruktur MEA yang lebih luas, data CT sinar-X dapat memberikan rekonstruksi 3D yang akurat dari komponen-komponen penting ini dalam MEA PEMFC. [ 34 , 39 – 42 ]

Pekerjaan kami memanfaatkan data tomografi dari mikroskop elektron pemindaian berkas ion terfokus (FIB-SEM) dan CT sinar-X mikro untuk merekonstruksi komponen dalam MEA HT-PEMFC dalam 3D, yang memungkinkan simulasi multifisika dan kopling multifase. Melalui analisis decoupling variabel terkontrol dari perubahan morfologi MEA, wawasan tentang dampak variabel individual pada kinerja MEA, beserta hubungan antara berbagai elemen atau variabel, dapat ditentukan. Oleh karena itu, metodologi ini menawarkan pendekatan pembelajaran mendalam untuk memahami mekanisme kinerja MEA, yang memandu desain MEA berkinerja tinggi di masa mendatang.

2 Hasil dan Pembahasan
Membran PVP-PES menawarkan kombinasi manfaat dan keterbatasan dalam aplikasi sel bahan bakar. PVP bertindak sebagai akseptor proton yang efisien, meningkatkan kinerja sel bahan bakar, sementara pencampurannya dengan PES memberikan stabilitas termal dan integritas mekanis, secara efektif mengurangi pembengkakan berlebihan yang terkait dengan PVP murni dalam lingkungan berair. Meskipun demikian, sistem membran ini menghadapi kekurangan yang signifikan, termasuk persilangan hidrogen dan pelindian PA, yang membatasi kelangsungan hidupnya dalam operasi HT-PEMFC. Untuk menyelidiki daya tahan MEA berbasis membran PVP-PES ini dalam HT-PEMFC, uji stres yang dipercepat (AST) diterapkan. AST dapat mempercepat proses seperti pelindian PA dan degradasi katalis dalam HT-PEMFC. Dibandingkan dengan pengujian daya tahan di bawah kerapatan arus konstan, AST dapat mencapai efek yang dipercepat sekitar lima kali lebih cepat. [ 43 ] AST 72 jam dari MEA berdasarkan membran PVP-PES di bawah kronopotensiometri berulang pada 0,6 dan 1 A cm − 2 ditunjukkan pada Gambar 1a . Selama AST, sel dioperasikan di bawah kondisi tegangan sirkuit terbuka (OCV) selama 10 menit setiap enam jam. OCV dari MEA relatif rendah, dengan nilai maksimum ≈0,75 V, secara bertahap menurun menjadi ≈0,7 V selama AST. Ini secara signifikan lebih rendah daripada OCV khas ≈1 V untuk PEMFC. Perbedaan ini mungkin terkait dengan permeabilitas hidrogen yang melekat pada membran PVP-PES, meskipun kemungkinan perforasi membran yang terjadi selama AST tidak dapat dikesampingkan. Variasi tegangan pada 0,6 A cm − 2 dan 1 A cm − 2 menunjukkan bahwa tegangan secara bertahap meningkat pada hari pertama, tetapi penurunan yang lambat dimulai pada hari kedua. Namun, bahkan setelah 72 jam, voltase tetap jauh lebih tinggi daripada nilai awal. Pada Gambar 1b , kurva polarisasi pada berbagai tahap sesuai dengan fase AST. Secara khusus, hari ke-1, ke-2, ke-3, dan ke-4 sesuai dengan pengukuran awal sebelum AST, dan pengukuran yang diambil setelah 24, 48, dan 72 jam pengujian, berturut-turut. Kurva polarisasi untuk hari ke-1 dan ke-2 menunjukkan perbedaan yang jelas, khususnya di daerah kepadatan arus sedang dan tinggi. Meskipun kurva polarisasi untuk hari ke-2, ke-3, dan ke-4 menunjukkan sedikit variasi, ada tren yang jelas dari kepadatan daya puncak yang semakin menurun seiring waktu. Kurva Nyquist EIS yang sesuai dengan kurva polarisasi ditunjukkan pada Gambar 1c . Karena kurva Nyquist yang diperoleh tidak menyelesaikan setengah lingkaran pada frekuensi rendah, yang terkait dengan resistansi perpindahan massa, komponen ini merepresentasikan resistansi perpindahan muatan gabungan dan resistansi perpindahan massa sebagai R Δ(c+m). R Ωdigunakan untuk menunjukkan resistansi ohmik dominan, yang terutama dikaitkan dengan resistansi membran. Rangkaian ekivalen untuk kurva Nyquist ditunjukkan pada Gambar S1 (Informasi Pendukung). Mirip dengan kurva polarisasi, kurva Nyquist pada hari ke-2 menunjukkan perbedaan signifikan dibandingkan dengan hari ke-1. Yang penting, setelah 24 jam AST, resistansi menurun, khususnya pada R Δ(c+m) , sedangkan kurva Nyquist pada hari ke-2, ke-3, dan ke-4 tidak menunjukkan perbedaan signifikan, hanya sedikit berfluktuasi. Oleh karena itu, sementara EIS berharga untuk mengevaluasi kinerja elektrokimia keseluruhan HT-PEMFC, kemampuannya untuk memberikan informasi terperinci tentang perubahan pada material tertentu dalam MEA terbatas. Misalnya, setengah lingkaran mini pada frekuensi tinggi, yang sering dikaitkan dengan proses antarmuka yang cepat, masih kurang dipahami dan faktor-faktor yang memengaruhinya masih agak terbuka untuk interpretasi. Oleh karena itu, sementara EIS dapat menyoroti tren dan perilaku, ia tidak dapat secara meyakinkan mendefinisikan kontribusi material individual dalam MEA.

Seperti yang diamati dari kurva AST dan polarisasi, kinerja elektrokimia menunjukkan peningkatan cepat selama tahap awal pada hari ke-1, diikuti oleh stabilisasi dan penurunan bertahap setelah hari ke-2. Peningkatan kinerja awal dapat dikaitkan dengan proses aktivasi, di mana reaksi elektrokimia menjadi stabil, penggunaan katalis meningkat, dan PA didistribusikan ulang dalam membran, sehingga meningkatkan jalur transpor proton. [ 44 , 45 ] Selama tahap awal operasi, distribusi PA yang tidak seragam dapat menyebabkan peningkatan resistansi ohmik, yang secara bertahap menurun saat migrasi PA memfasilitasi konduksi ionik yang lebih efisien. Selain itu, hasil EIS menunjukkan pengurangan resistansi transfer muatan setelah hari pertama, yang menunjukkan peningkatan kinetika elektroda dan stabilitas antarmuka. Selain itu, penipisan membran selama operasi awal juga dapat berkontribusi pada pengurangan resistansi ohmik, yang selanjutnya meningkatkan konduktivitas proton. [ 22 ] Meskipun HT-PEMFC tidak bergantung pada air untuk konduksi proton, sisa air atau jejak pelarut dalam membran pada awalnya dapat memengaruhi transpor ion. [ 46 ] Ketika komponen-komponen ini mencapai keseimbangan dari waktu ke waktu, mereka dapat memberikan kontribusi lebih lanjut terhadap peningkatan kinerja yang diamati sebelum mencapai kondisi stabil.

Potongan 2D representatif dari rekonstruksi CT 3D MEA berdasarkan membran PVP-PES sebelum dan sesudah AST, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1d , memberikan informasi material yang lebih langsung dan mendalam. Pendekatan rekonstruksi 3D lengkap akan dibahas nanti dalam naskah, tetapi bahkan gambar CT sinar-X potongan 2D ini mengungkapkan bahwa MEA menunjukkan lebih banyak “cacat” morfologis setelah AST, seperti pori-pori kecil di sisi katode membran yang disebabkan oleh air yang dihasilkan di katode, pembengkokan membran karena ketidakteraturan ketebalan, migrasi katalis, dan retakan katalis. “Cacat” morfologis ini dapat menyebabkan serangkaian perubahan dalam medan fisik, seperti persilangan hidrogen, permeabilitas gas, dinamika batas tiga fase, dan pengangkutan muatan. Faktor-faktor ini secara kolektif berkontribusi, baik secara langsung maupun tidak langsung, terhadap kinerja dan degradasi elektrokimia. Oleh karena itu, studi sistematis dengan variabel terkontrol diperlukan untuk menjelaskan peran dan kontribusinya masing-masing. Rincian cacat morfologis ini ditunjukkan pada Gambar S2–S4 (Informasi Pendukung). Degradasi membran PVP-PES yang cepat, signifikan, dan dapat diatasi memberikan peluang yang sangat baik untuk mempelajari dampak fenomena yang diamati melalui pemodelan berbasis gambar. Dengan mengekstraksi dan menangani berbagai cacat morfologi secara sistematis, kita dapat membangun model yang berbeda untuk memfasilitasi analisis terpisah dari pengaruh masing-masing cacat terhadap kinerja PEMFC. Pendekatan metodologis ini memungkinkan penilaian komprehensif tentang bagaimana fenomena degradasi tertentu, seperti pembentukan pori atau migrasi katalis, memengaruhi perilaku elektrokimia sel bahan bakar secara keseluruhan. Pada akhirnya, ini akan meningkatkan pemahaman kita tentang mekanisme degradasi yang mendasarinya dan menginformasikan strategi untuk pengoptimalan material dan peningkatan daya tahan.

Sebelum perilaku pasca-AST dianalisis lebih lanjut, perlu dicatat bahwa OCV awal sebelum AST sudah lebih rendah dari yang diharapkan ≈1 V untuk membran HT-PEMFC yang berfungsi dengan baik, yang menunjukkan adanya persilangan hidrogen. [ 22 ] Hal ini selanjutnya didukung oleh kemiringan kurva voltametri Siklik (CV), seperti yang ditunjukkan pada Gambar S5 (Informasi Pendukung). Meskipun demikian, analisis mikro-CT dari MEA segar tidak mengungkapkan lubang jarum skala mikron atau cacat struktural signifikan yang secara langsung dapat menjelaskan peningkatan persilangan. Hal ini menunjukkan bahwa persilangan hidrogen dapat dikaitkan dengan cacat skala sub-mikron atau nanometer, yang berada di luar batas deteksi µ-CT. Lebih jauh lagi, membran PVP-PES adalah material komposit, dan pemisahan fase antara domain polimer yang berbeda selanjutnya dapat berkontribusi pada permeabilitas hidrogen. [ 17 ]

Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa pengurangan struktur pori dan serat dapat menyimpulkan migrasi PA, yang pada gilirannya dapat mendorong migrasi dalam lapisan mikropori (MPL) dan CL. [ 41 ] Kesimpulan ini didukung oleh perbedaan jelas yang diamati pada Gambar 1d , khususnya di wilayah abu-abu dekat CL, yang bertransisi dari struktur yang dicirikan oleh serat dan pori ke area abu-abu yang lebih seragam setelah AST. Fase campuran yang diamati pada Gambar 1d terutama terdiri dari PA yang terlindi, pengikat PTFE, serat karbon, karbon hitam, dan mungkin air, yang berasal dari MPL dan GDL. [ 41 ] Kehadiran fase ini menunjukkan redistribusi material dalam MEA selama operasi, yang memengaruhi konduksi proton dan transportasi massa. Karena keterbatasan resolusi bawaan mikro-CT, struktur skala nano-mikro dengan massa atom rendah—seperti pori-pori halus di MPL dan akumulasi PA terlokalisasi—tidak dapat sepenuhnya diselesaikan, yang mengarah ke segmentasi menjadi dua fase utama: fase pori dan fase campuran. Keterbatasan ini berarti bahwa sementara mikro-CT secara efektif menangkap distribusi makroskopis PA dan perubahan struktural, ia mungkin meremehkan tingkat migrasi PA dan interaksi dengan bahan karbon. Namun, meskipun ketidakmampuan untuk lebih lanjut membagi fase campuran menjadi komponen yang lebih halus, variasi morfologi dan perubahan dalam distribusi porositas masih memberikan bukti tidak langsung dari migrasi material. [ 47 ] Perbedaan dalam fraksi volume fase campuran di antara MEA menunjukkan variasi dalam retensi PA, redistribusi PTFE, dan integritas struktural karbon, yang secara langsung dapat mempengaruhi kinerja elektrokimia jangka panjang. Untuk melengkapi temuan ini, teknik resolusi tinggi termasuk FIB-SEM digunakan untuk menganalisis lebih lanjut komposisi dan distribusi spasial dari fase campuran.

Meskipun HT-PEMFC menghindari masalah yang terkait dengan manajemen air, pelindian PA yang berlebihan dari membran ke elektroda menyerupai banjir air yang diamati pada PEMFC suhu rendah. [ 3 , 48 ] Selain itu, sementara air yang diproduksi di katode dengan cepat berubah menjadi uap pada suhu tinggi, ia juga mempercepat pelindian PA. [ 45 , 49 , 50 ] Dengan demikian, pengelolaan PA dalam HT-PEMFC memiliki kesamaan dengan pengelolaan air dalam PEMFC suhu rendah. Mengetahui hal ini, dapat dipahami bahwa dalam HT-PEMFC berdasarkan membran pertukaran proton terdoping PA, kemampuan membran untuk mengendalikan pelindian PA dapat secara signifikan mempengaruhi pembentukan batas tiga fase dalam CL dan transportasi massa dalam GDL. [ 3 , 47 ] Namun, sementara cacat morfologi dan pelindian PA dapat diamati setelah AST pada Gambar 1d, kinerja yang diamati kemudian dalam AST masih menunjukkan peningkatan dibandingkan dengan kinerja awal selama AST. Oleh karena itu, “cacat” morfologi yang diamati belum tentu menjadi penyebab penurunan kinerja pada akhirnya, dan sebaliknya dapat menjadi pendorong peningkatan kinerja. Sayangnya, “cacat” morfologi ini mungkin saling terkait dan terjadi secara bersamaan, sehingga sulit untuk mengisolasi dan membandingkannya melalui eksperimen berbasis intervensi untuk menyelidiki dampaknya pada kinerja. Akibatnya, pengembangan protokol baru untuk mengatasi masalah ini diperlukan. Model multifase dan multifisika, berdasarkan model yang berasal dari pemindaian CT, perlu dibuat untuk memungkinkan ekstraksi dan analisis decoupled dari cacat individual. Pendekatan ini akan memfasilitasi penggabungan kembali efek cacat tunggal atau ganda pada kinerja PEMFC.

Gambar 2 menyajikan protokol untuk simulasi visualisasi multifisika dan multifase, berdasarkan pemindaian 3D FIB-SEM skala mikron dan skala nano. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a-i , segmentasi membran, CL, dan pori-pori dapat dilakukan berdasarkan nilai skala abu-abu pada gambar CT sinar-X. Dengan menggunakan alat pemilihan pulau di Avizo (lihat metode), fase campuran dapat dipisahkan dari GDL, yang dicirikan oleh struktur serat karbon berdasarkan kontras berbeda yang dihasilkan oleh perbedaan kepadatan antara kedua bahan ini.
Pendekatan segmentasi ini memungkinkan penangkapan informasi terperinci tentang pori-pori membran, retakan CL, migrasi CL, dan pelindian PA. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a-ii , segmentasi irisan demi irisan memungkinkan konstruksi kerangka model visual 3D. Ini, pada gilirannya, memungkinkan analisis jaringan pori skala mikron, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2a-iii , yang menyediakan informasi seperti porositas dan memfasilitasi simulasi permeabilitas. Untuk struktur nanopore dalam CL dan fase campuran, termasuk MPL, resolusi spasial yang lebih tinggi yang dapat dicapai dengan pencitraan FIB-SEM dimanfaatkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a-iv,v . Pendekatan ini memfasilitasi rekonstruksi nanostruktur ini, yang memungkinkan analisis jaringan pori dan simulasi permeabilitas berikutnya. Rekonstruksi model 3D ini, bersama dengan segmentasi, pemodelan jaringan pori, dan simulasi permeabilitas, semuanya dilakukan dalam Avizo (lihat metode). Nilai permeabilitas dari berbagai komponen MEA telah diekstraksi dari simulasi permeabilitas absolut dan disediakan dalam Tabel S1 (Informasi Pendukung). GDL menunjukkan permeabilitas tertinggi, diukur pada 8,53 × 10 −12 m 2 , karena ukuran pori-porinya yang relatif besar dan porositasnya yang tinggi. Sebaliknya, fase campuran, yang mencakup MPL, memiliki permeabilitas yang jauh lebih rendah yaitu 1,36 × 10 −12 m 2 , yang mencerminkan peningkatan tortuositas dan berkurangnya konektivitas pori dalam wilayah ini. Demikian pula, CL memiliki permeabilitas sebesar 1,39 × 10 −12 m 2 , yang sedikit lebih tinggi daripada MPL tetapi masih jauh lebih rendah daripada GDL, konsisten dengan struktur mikronya yang halus dan kepadatan material yang tinggi. Nilai-nilai permeabilitas ini memainkan peran penting dalam pemodelan multifase dan multifisika yang digunakan dalam penelitian ini. Namun, karena adanya perbedaan dalam teknik rekonstruksi 3D dan skala spasial yang digunakan untuk berbagai komponen MEA, diperlukan penyesuaian untuk menggambarkan perilaku transportasi gas secara akurat di seluruh lapisan. Koreksi ini dan dampaknya pada kerangka simulasi akan diuraikan di bagian selanjutnya.

Berdasarkan pemindaian struktural 3D, segmentasi multifase, dan akuisisi parameter porositas dan permeabilitas, model seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b-i dibuat. Model ini kemudian dijalin untuk simulasi elemen hingga, yang memungkinkan simulasi visualisasi multifisika yang menggabungkan modul elektrokimia sel bahan bakar dengan modul aliran media bebas dan berpori dalam COMSOL. Simulasi menghasilkan hasil yang ditunjukkan pada Gambar 2b-ii–v , termasuk potensial elektroda terhadap tanah, potensial elektrolit, fraksi mol gas dengan garis arus, dan distribusi fraksi mol air secara berurutan. Pada Gambar 2b-ii,iii , panah hijau dan cyan mewakili vektor kerapatan arus elektroda dan vektor kerapatan arus elektrolit, yang berhubungan dengan konduksi proton dan elektron. Distribusi potensial multi-irisan juga mengungkap kehilangan tegangan di seluruh MEA. Hasil ini menunjukkan bahwa distribusi medan multifisika berbasis morfologi, dan “cacat” morfologi yang disebutkan sebelumnya telah menyebabkan distribusi diferensial dalam medan fisik ini. Meskipun dampak medan fisik individual pada kinerja MEA signifikan, interaksi sinergis di antara berbagai medan fisiklah yang pada akhirnya menentukan kinerja MEA secara keseluruhan. Dengan mengintegrasikan berbagai medan fisik yang ditunjukkan pada Gambar 2b-ii–v , distribusi dan antarmuka empat fase, termasuk elektrolit, katalis, gas, dan air, dapat diperoleh, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2b-vi .

Untuk menunjukkan dengan lebih baik keuntungan model berbasis CT dibandingkan model 3D yang disederhanakan dan untuk menganalisis dampak cacat morfologi tertentu, detail model tambahan disajikan dalam Gambar 3. Distribusi vektor potensial dan arus elektrolit dan elektroda ditunjukkan pada Gambar 3a,b , di mana dapat dilihat bahwa model dan simulasi berbasis CT selaras dengan morfologi membran dan katalis, yang memungkinkan penyelidikan perubahan antarmuka yang lebih akurat dibandingkan dengan model yang disederhanakan. Selain itu, ketidakteraturan membran dapat dilihat meningkatkan luas antarmuka sampai batas tertentu. Distribusi arus dalam elektroda juga bervariasi dengan struktur serat karbon, serta morfologi dan retakan pada katalis. Garis arus fluks hidrogen ditunjukkan pada Gambar 3c dan mengungkapkan bahwa retakan pada katalis dapat mengganggu aliran hidrogen. Demikian pula, Gambar 3d menunjukkan bahwa struktur morfologi MEA memengaruhi laju aliran hidrogen. Seperti yang disebutkan sebelumnya, pada sisi katode membran PVP-PES, pelarutan karena produksi air dapat mengakibatkan pembentukan pori. Gambar 3e,f , yang menggambarkan garis arus fluks oksigen dan distribusi air, memberikan wawasan yang tak terduga: pori-pori ini tidak terisi gas tetapi menunjukkan kadar air yang tinggi. Dalam HT-PEMFC, air yang tersimpan ini berpotensi menyebabkan pelindian PA, membentuk PA encer, yang masih dapat berfungsi sebagai elektrolit untuk konduksi proton. Selain itu, pori-pori ini dapat berperan dalam mengatur kelembapan di dalam MEA.
Berdasarkan model visualisasi terintegrasi multifase dan multifisika yang disebutkan di atas, dimungkinkan untuk lebih jauh mengeksplorasi dampak elemen atau variabel individual pada distribusi muatan, pengangkutan gas, dan distribusi air dengan memisahkan faktor-faktor ini. Ini dapat dicapai dengan memodifikasi “cacat” morfologis selama segmentasi, yang memungkinkan ekstraksi dan penyesuaian elemen atau variabel tunggal. Melalui pendekatan ini, pengaruh setiap faktor yang terisolasi pada medan fisik dan kinerja keseluruhan dapat diselidiki secara sistematis. Karena CT adalah teknik pencitraan tomografi, penyesuaian pada segmentasi setiap irisan 2D individual dapat digunakan untuk memodifikasi keseluruhan struktur 3D. Ini memungkinkan perubahan atau penghapusan langkah demi langkah dari setiap “cacat” morfologis tertentu. Seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 4 , pemisahan dapat dicapai dengan menugaskan kembali wilayah seperti pori-pori membran, retakan katalis, dan migrasi katalis. Proses ini memungkinkan pembentukan model yang terkait, tetapi dimodifikasi secara khusus: ① model asli, “② tidak ada pori-pori membran,” “③ tidak ada retakan katalis,” dan “④ tidak ada migrasi katalis”. Selain itu, model yang diberi nama “⑤ flat membran” dan “⑥ campuran fase Shrink” telah dibuat. Proses pembuatan model cacat terisolasi ini, bersama dengan perubahan struktural dan perubahan kondisi, dirinci dalam Tabel 1. Model-model ini disempurnakan dengan memodifikasi struktur 3D melalui penyesuaian irisan demi irisan pada gambar penampang melintang. Informasi yang lebih terperinci disediakan dalam Gambar S6–S10 (Informasi Pendukung). Model-model yang menggabungkan cacat juga diproduksi. Ini akan dijelaskan kemudian tetapi juga dicantumkan dalam Tabel 1 untuk kelengkapan.
Simulasi berbasis elektrokimia memungkinkan karakterisasi distribusi potensial dan arus dalam MEA pada berbagai tegangan keluaran, seperti yang digambarkan pada Gambar 5a dan Video S1 (Informasi Pendukung). Pendekatan ini memfasilitasi derivasi kurva polarisasi dan kurva kerapatan daya. Kurva polarisasi tersimulasi untuk MEA berdasarkan membran PVP-PES setelah AST, serta untuk model yang dipisahkan dengan “cacat” morfologi individual, disajikan pada Gambar 5b . Yang penting, sementara kurva polarisasi dan kerapatan daya tersimulasi tidak sepenuhnya cocok dengan data eksperimen, mereka menunjukkan karakteristik yang serupa, keduanya menunjukkan penurunan OCV karena persilangan hidrogen. Perbandingan antara kurva polarisasi tersimulasi dan eksperimental (Gambar S11 , Informasi Pendukung) menunjukkan korelasi yang kuat, yang mencerminkan kemampuan model dalam memperkirakan perilaku multifase dan multifisika MEA setelah AST. Sementara model secara efektif menangkap tren utama, penyimpangan kecil tetap ada karena faktor-faktor seperti ukuran domain komputasi. Meskipun demikian, hasil ini menunjukkan bahwa sifat struktural dan transportasi yang diekstraksi dari model berbasis CT memberikan dasar representatif untuk prediksi kinerja elektrokimia. Selain itu, meskipun model tersebut tidak secara eksplisit menyertakan kontribusi impedansi dari pelat medan aliran, kabel, dan komponen eksternal lainnya, dampaknya terhadap kinerja keseluruhan tampaknya minimal dalam domain yang disimulasikan.
Sebelum keluaran dari simulasi dipertimbangkan lebih lanjut, perlu diketahui bahwa pendekatan pemodelan yang digunakan melibatkan berbagai asumsi dan keterbatasan. Domain komputasi tidak secara eksplisit mencakup saluran dan rusuk medan aliran, yang berarti bahwa efek kompresi potensial pada GDL dan variasi dalam distribusi reaktan karena interaksi saluran-rusuk tidak diperhitungkan. Selain itu, sementara morfologi membran dimodifikasi dalam model, struktur pori internal CL diasumsikan tetap tidak berubah, yang mungkin tidak sepenuhnya menangkap variasi lokal yang disebabkan oleh deformasi membran. Lebih jauh, validasi resistansi tidak disertakan, karena data resistansi frekuensi tinggi waktu nyata tidak tersedia dalam penelitian ini. Akhirnya, ukuran domain dibatasi oleh kendala komputasi, mencegah simulasi dari sepenuhnya mewakili variasi struktural skala besar dalam MEA. Rincian tertentu yang tidak dapat direkonstruksi dalam 3D diperlakukan sebagai homogen dan sebaliknya diperhitungkan melalui pemodelan berparameter. Oleh karena itu, faktor-faktor ini harus dipertimbangkan ketika menafsirkan hasil, karena dapat mewakili sumber kesalahan potensial.

Seperti yang diharapkan, tidak semua cacat mengakibatkan penurunan kinerja. Analisis awal mengungkapkan bahwa kinerja MEA dengan “②tanpa pori membran” sebagian besar tetap tidak berubah dibandingkan dengan MEA asli. Ini menunjukkan bahwa kerugian dari berkurangnya kontak antara membran dan katalis yang disebabkan oleh pori-pori membran dapat diimbangi sebagian oleh keuntungan pengaturan kelembapan yang disediakan oleh pori-pori, seperti yang disebutkan sebelumnya. Sebaliknya, model dengan “③tanpa retakan katalis” dan “⑥penyusutan fase campuran” menunjukkan peningkatan kinerja. Efek merugikan dari retakan katalis dan migrasi PA terlihat jelas, tetapi ini khusus untuk kondisi saat ini. Sebaliknya, model “⑤membran datar” dan “④tanpa migrasi katalis” menunjukkan penurunan kinerja. Ini melibatkan masalah antarmuka yang lebih kompleks dan juga menunjukkan bahwa model tersebut responsif terhadap cacat morfologi ini.

Pada bagian berikut, kami menyediakan studi kasus yang lebih terperinci, yang menggabungkan visualisasi model multifase dan multifisika untuk analisis mendalam terhadap elemen-elemen ini. Lebih jauh, kami menyelidiki efek dari penggabungan ulang elemen-elemen yang dipisahkan secara selektif, yang dapat menggeser keuntungan dan kerugian relatif dari cacat morfologi. Misalnya, untuk kondisi variabel tunggal tertentu, keberadaan pori-pori membran terbukti memiliki dampak minimal pada kinerja ketika efek persilangan hidrogen tidak dipertimbangkan. Lebih jauh, pembengkokan membran dan migrasi CL berkontribusi positif terhadap kinerja, sedangkan migrasi PA dan retakan katalis memiliki efek yang merugikan dan penipisan membran yang terlokalisasi merupakan penyebab signifikan persilangan hidrogen. Dalam kasus di mana pori-pori membran tidak ada, persilangan hidrogen berkurang secara substansial, sehingga meningkatkan kinerja, seperti yang ditunjukkan pada Gambar S12a (Informasi Pendukung).

Setelah memisahkan elemen atau variabel yang berbeda, mereka dapat secara sistematis digabungkan kembali dengan cara yang berdasar untuk mengeksplorasi efek sinergisnya. Pengurangan pori-pori membran dapat mengurangi perpindahan hidrogen. Pembengkokan membran dapat menyebabkan deformasi CL, sementara MEA dengan membran datar dapat menunjukkan lebih sedikit retakan katalis. Selain itu, migrasi PA dapat menginduksi migrasi komponen lain, yang menghubungkan retakan CL dengan migrasi CL. Berbagai kombinasi faktor-faktor ini dimungkinkan, tetapi studi ini secara khusus mengeksplorasi kombinasi yang diilustrasikan dalam Gambar 4 , yang tercantum sebagai model ⑦–⑩ dalam Tabel 1 .

Dengan memasangkan elemen-elemen individual yang dipisahkan ini, model-model ini mampu menganalisis secara langsung dampak keseluruhan dari dua struktur MEA. Kopling dari “③ tidak ada retakan katalis” dan “⑤ membran datar” diilustrasikan dalam Gambar 5c . Meskipun menghilangkan retakan katalis meningkatkan kinerja berdasarkan MEA asli, menghilangkan retakan katalis dalam MEA dengan membran datar menyebabkan penurunan kinerja. Dengan demikian, dampak retakan katalis pada kinerja MEA dipengaruhi oleh kerataan membran, yang meluas ke pertimbangan sifat mekanis membran. Lebih jauh, hasil dari model ⑩ yang menggabungkan “③ tidak ada retakan katalis” dan “⑥ penyusutan fase campuran” juga patut diperhatikan. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5d , penghapusan retakan katalis berdasarkan “penyusutan fase campuran” tidak hanya gagal meningkatkan kinerja tetapi juga menyebabkan penurunan kinerja. Oleh karena itu, jelas bahwa retakan katalis ini dapat memainkan peran yang berbeda dalam berbagai kondisi perpindahan massa. Model “⑥penyusutan fase campuran” menunjukkan, sampai batas tertentu, peningkatan transportasi massa. Secara bersamaan, data ini menunjukkan bahwa retakan lapisan katalis memiliki efek yang bervariasi tergantung pada kondisi transportasi massa. Demikian pula, meskipun migrasi katalis dapat meningkatkan kinerja dalam kondisi tertentu, manfaatnya menjadi kurang jelas dalam kondisi “penyusutan fase campuran ⑥”, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 5e . Singkatnya, “cacat” morfologi ini dapat memiliki efek yang menguntungkan dan merugikan pada kinerja MEA, dan interaksinya dapat saling membatasi. Interaksi ini dapat menjelaskan fluktuasi yang diamati dalam kinerja MEA selama proses AST, yang berpotensi mencerminkan perubahan keseimbangan atau keuntungan dan kerugian di antara “cacat” morfologi ini. Justru karena apa yang disebut “cacat” morfologi berinteraksi dan menyeimbangkan satu sama lain, dampaknya pada kinerja dapat dikontrol. Misalnya, katalis kinerja tinggi yang rentan terhadap keretakan dapat dipasangkan dengan membran yang memiliki kekuatan mekanis tinggi dan kurang rentan terhadap pembengkokan atau deformasi, sehingga berpotensi mengubah retakan ini menjadi faktor yang meningkatkan kinerja. Pendekatan ini menawarkan perspektif baru untuk desain dan pembuatan MEA, yang menunjukkan bahwa memanfaatkan cacat ini secara strategis dapat meningkatkan kinerja. Model dan kurva polarisasi pada Gambar 5 berfungsi sebagai perbandingan representatif. Bagan radar pada Gambar S13 (Informasi Pendukung), yang mengilustrasikan kerapatan daya berbagai model pada 0,4 V, memberikan perbandingan variasi yang lebih intuitif.

Pembentukan protokol di atas tidak hanya memungkinkan ekstraksi kurva polarisasi untuk membandingkan dampak kinerja yang disebabkan oleh decoupling elemen tunggal dan recoupling multi-elemen tetapi juga memungkinkan analisis multi-perspektif mekanisme melalui distribusi medan multifase dan multi-fisika. Gambar 6 mengilustrasikan contoh analisis komparatif decoupling elemen tunggal dan kopling elemen ganda dalam sistem multifase dan multi-fisika dalam kondisi membran datar dan tanpa retakan katalis. Analisis ini sesuai dengan kurva polarisasi yang ditunjukkan pada Gambar 5c . Perbandingan distribusi arus vektor dalam elektrolit dan elektroda antara Gambar 6a-i,bi memberikan penjelasan yang jelas untuk penurunan kinerja yang diamati setelah meratakan membran. Meskipun MEA berdasarkan membran datar menunjukkan distribusi arus yang seragam, MEA asli, dengan antarmuka yang berliku-liku, memungkinkan transfer arus multi-sudut dan multi-jalur antara elektroda dan membran, secara signifikan meningkatkan luas antarmuka. Namun, saat menghitung kerapatan arus, area efektif MEA biasanya dipertimbangkan, yang sangat meningkatkan pemanfaatan MEA dengan ukuran yang sama. Perbandingan Gambar 6a-i,ci menunjukkan bahwa penghilangan retakan katalis dapat meningkatkan kerapatan vektor arus di wilayah ini, sehingga meningkatkan kinerja.
Namun, efek dari perubahan yang dibahas di atas melampaui apa yang dapat dijelaskan oleh variasi vektor kerapatan arus saja, karena perbedaan antara Gambar 6b-i,ci tidak mudah dijelaskan oleh medan fisik tunggal ini. Saat menggabungkan elemen “⑤ membran datar” dengan kondisi “③ tidak ada retakan katalis” dalam model ⑧, kerapatan vektor arus di daerah retakan tidak meningkat; sebaliknya, menunjukkan penurunan keseluruhan. Gambar 6b–d-iii menunjukkan garis arus H₂, di mana vektor panah didistribusikan dengan panjang busur yang sama. Pada Gambar 6b,c-iii , di dekat retakan dan permukaan membran, panah bervariasi dalam warna, ukuran, atau arah, yang mewakili gangguan gas. Gangguan ini menunjukkan bahwa gas cenderung mengalir secara turbulen di dekat permukaan yang tidak rata atau retakan katalis. Sebaliknya, vektor panah pada Gambar 6d-iii seragam dalam arah, warna, dan ukuran, yang menunjukkan bahwa aliran gas lebih laminar. Aliran H₂ turbulen dapat lebih efektif mendorong reaksi dalam katalis dibandingkan dengan aliran laminar, seperti yang ditunjukkan oleh distribusi fraksi mol hidrogen. Dengan menggunakan protokol yang diusulkan untuk decoupling elemen tunggal, pengaruh GDL pada transportasi gas tetap konsisten di seluruh model yang berbeda yang ditunjukkan pada Gambar 6. Namun, di bawah kondisi “⑤ membran datar” dan “③ tidak ada retakan katalis”, fraksi mol hidrogen pada posisi yang sesuai relatif lebih tinggi. Meskipun perbedaan ini tidak substansial dalam besarnya, mengingat penggunaan hidrogen murni yang dilembabkan, bahkan variasi kecil dalam fraksi mol mencerminkan perubahan signifikan dalam jumlah hidrogen. Ketika kondisi transportasi hidrogen dalam GDL sama, fraksi mol hidrogen yang lebih tinggi pada antarmuka katalis-membran menunjukkan berkurangnya konsumsi oleh reaksi. Kecepatan aliran H₂ yang ditunjukkan pada Gambar 6a-d-iv lebih lanjut menyoroti perbedaan ini. Variasi dalam kecepatan aliran di dekat retakan katalis menyebabkan gangguan dalam aliran. Dengan tidak adanya retakan katalis, permukaan membran yang tidak rata masih dapat meningkatkan kecepatan aliran keseluruhan, yang menyebabkan gangguan. Namun, ketika kedua retakan katalis dihilangkan dan membran menjadi halus, kecepatan aliran hidrogen tetap seragam. Gambar 6a,bv lebih lanjut menggambarkan perbedaan struktural ini di berbagai model, memberikan gambaran yang lebih jelas tentang dampak setiap konfigurasi.

Selain analisis mekanisme decoupling dan recoupling dari elemen “③ tidak ada retakan” dan “⑤ membran datar,” pendekatan yang dikembangkan dalam karya ini memberikan penjelasan multiperspektif tentang efek faktor decoupling dan recoupling lainnya. Struktur pemasangan berbagai model diilustrasikan dalam Gambar S14–S58 (Informasi Pendukung), yang menyoroti variasi dalam distribusi berbagai medan fisik.

Pembahasan Gambar 5 menyoroti peran kompleks yang dimainkan oleh “cacat” dalam kinerja MEA. Seperti dicatat, cacat tertentu dapat bermanfaat atau merugikan, tergantung pada interaksinya dengan faktor-faktor lain. Pengamatan ini menunjukkan bahwa manipulasi cacat yang strategis berpotensi meningkatkan kinerja. Untuk mengeksplorasi lebih lanjut konsep ini, akan sangat berharga untuk membandingkan kinerja MEA yang sepenuhnya “bebas cacat” dengan MEA setelah AST. “Model bebas cacat ⑪” diperkenalkan, seperti yang digambarkan dalam Gambar 4. Untuk mengisolasi efek persilangan hidrogen, model tambahan dikembangkan: struktur bebas cacat dengan tingkat persilangan hidrogen yang cocok dengan “model ①” setelah AST, disebut sebagai “persilangan bebas cacat ⑫ + H₂”. Deskripsi terperinci dari kedua model ini disediakan dalam Tabel 1 , dan kurva polarisasi dan kerapatan daya yang sesuai disajikan dalam Gambar S12b (Informasi Pendukung). Seperti yang diilustrasikan pada Gambar S12b (Informasi Pendukung), kinerja model bebas cacat ⑪ sedikit lebih unggul daripada kinerja model ① MEA setelah AST. Namun, ketika memperhitungkan dampak persilangan hidrogen, kinerja persilangan ⑫ Bebas cacat + H₂ sangat sesuai dengan kinerja model ① MEA setelah AST. Pengamatan ini tidak menyiratkan bahwa apa yang disebut cacat tidak memiliki efek signifikan pada kinerja, juga tidak serta merta menunjukkan sifat menguntungkan atau merugikan dari cacat ini. Sebaliknya, hal ini menggarisbawahi interaksi sinergis yang kompleks di antara cacat ini.

3 Kesimpulan
Melalui pengembangan model 3D berbasis citra multifase dan multifisika, yang berasal dari data karakterisasi struktural canggih MEA riil, dampak dan interaksi perubahan material dapat diprediksi. Pemisahan elemen individual, seperti retakan katalis, pori membran, dan migrasi fase, memungkinkan pemeriksaan terperinci dampak terisolasinya pada kinerja MEA, yang menunjukkan bahwa fitur morfologi yang secara tradisional dipandang sebagai cacat dapat, dalam kondisi tertentu, meningkatkan transportasi gas dan aktivitas katalitik dengan mendorong turbulensi lokal dan meningkatkan luas antarmuka, yang bermanfaat untuk reaksi elektrokimia. Sebaliknya, membran halus dan katalis bebas retak, meskipun menunjukkan distribusi arus dan aliran yang seragam seperti aliran laminar, tidak selalu menghasilkan peningkatan kinerja karena berkurangnya turbulensi dan manfaat transportasi massa. Analisis penggabungan ini selanjutnya mengungkapkan bahwa interaksi antara berbagai elemen dapat secara signifikan mengubah kinerja keseluruhan, yang menekankan bahwa sifat mekanis dan perilaku elektrokimia saling terkait erat.

Secara keseluruhan, temuan ini menggarisbawahi pentingnya pendekatan holistik dalam desain MEA, di mana interaksi lintas komponen harus dimanfaatkan secara strategis. Dengan memahami sinergi kompleks antara elemen morfologi, karya ini menawarkan jalur untuk mengoptimalkan PEMFC di luar perbaikan material konvensional, yang berkontribusi pada pengembangan sel bahan bakar generasi berikutnya dengan kinerja, efisiensi, dan daya tahan yang ditingkatkan.

4 Bagian Eksperimen
Persiapan dan Pengujian MEA Berbasis Membran PVP-PES
Larutan PVP-PES disiapkan dengan melarutkan PES (Ultrason E7020P, BASF Co., Jerman) dan PVP (1300 kDa) secara terpisah dalam N , N -dimetil asetamida (DMAc), diikuti dengan pencampuran pada rasio massa 3:2 (PVP:PES). Konsentrasi akhir larutan PVP-PES/DMAc disesuaikan menjadi 1 wt.%. Larutan polimer ini diendapkan ke dalam cawan Petri politetrafluoroetilena (PTFE) menggunakan teknik pelapisan semprot ultrasonik, dengan substrat dipertahankan pada suhu 150 °C di atas pelat panas untuk memfasilitasi penguapan pelarut. Setelah pengendapan, cawan PTFE yang dilapisi dikenakan perlakuan termal dalam oven pada suhu 80 °C semalaman, untuk memastikan penghilangan pelarut awal. Membran kemudian dikeringkan lebih lanjut di bawah vakum pada suhu 130 °C selama 3 jam untuk menghilangkan sisa pelarut, menghasilkan membran yang berdiri sendiri dengan ketebalan 40 ± 3 µm. Selanjutnya, membran direndam dalam larutan PA jenuh dan dibiarkan terendam semalaman untuk mencapai doping PA yang efektif.

Membran PVP-PES yang didoping PA ditempatkan di antara elektroda berbasis Pt anoda dan katoda Celtec dengan muatan Pt sebesar 1 mg cm⁻ 2 . GDL terbuat dari kain serat karbon yang ditenun. Gasket Teflon dengan ketebalan 190 µm ditumpuk di kedua sisi untuk memastikan penyegelan. MEA yang telah dirakit kemudian ditekan panas pada suhu 140 °C di bawah tekanan 100 psi selama empat menit. Setelah ditekan panas, MEA dipasang dalam perlengkapan sel bahan bakar Scribner dengan area aktif 5 cm 2 dan dihubungkan ke Sistem Uji Sel Bahan Bakar 850 untuk pengujian kinerja.

MEA diuji dalam kondisi di mana udara terkompresi dan hidrogen dimasukkan ke katode dan anoda, masing-masing, dengan rasio stoikiometri 2 untuk udara dan 1,2 untuk hidrogen, pada suhu 160 °C. Kurva polarisasi diperoleh dengan melepaskan secara progresif dari OCV ke 0,1 V dengan peningkatan 0,1 A, dengan setiap peningkatan ditahan selama 5 detik. Dalam pengukuran EIS, stasiun kerja Gamry Reference 3000 digunakan dengan besarnya gangguan 10 mV (RMS). EIS galvanostatik dilakukan pada kerapatan arus 0,5 A cm⁻ 2 , yang mencakup rentang frekuensi dari 10 kHz hingga 0,1 Hz dengan 10 titik per dekade untuk menghasilkan plot Nyquist. MEA menjalani protokol AST yang melibatkan kronopotensiometri berulang, dengan operasi pada 0,6 A cm⁻ 2 selama 4 menit diikuti oleh operasi pada 1 A cm⁻ 2 selama 16 menit. Sel dipertahankan pada OCV selama 10 menit di antara setiap siklus, dan pola ini diulang terus menerus selama 6 jam. Pengukuran CV dilakukan dengan anoda dan katoda yang dipasok dengan hidrogen dan oksigen pada laju aliran masing-masing 33,4 dan 140 ml min −1 . Selama pengukuran ini, potensial elektroda kerja diayunkan antara 0,05 dan 1 V pada laju pindai 100 mV s −1 .

Pemindaian CT Sinar-X, FIB-SEM dan Analisis Data
MEA segar dan MEA yang telah mengalami AST digiling menjadi cakram berdiameter 2 mm menggunakan mesin pemotong laser untuk pemindaian dengan µ-CT pada garis sinar ID19 dari fasilitas radiasi sinkrotron Eropa (ESRF) di Prancis dan Carl Zeiss Xradia 620 Versa CT (Oxford Lasers, Seri A/Sistem Kompak). Untuk pengukuran CT dalam ESRF, sintilator kristal tunggal setebal 250 µm, yang didoping cerium (LuAG, Republik Ceko), dipasangkan dengan kamera CMOS pco. edge 5,5 s (PCO AG, Jerman) dan undulator harmonik tunggal U13 untuk menghasilkan energi foton puncak sebesar 80 keV. Lensa 5x memberikan ukuran voksel isotropik sebesar 0,65 µm, dengan bidang pandang 2160 × 2560 piksel, yang memungkinkan seluruh sampel ditangkap dalam satu pemindaian. Jarak sampel ke detektor ditetapkan pada 200 mm untuk menghasilkan efek kontras fase berbasis propagasi. Sebanyak 4000 proyeksi direkam pada waktu pencahayaan 300 ms per proyeksi selama rotasi 360° terus-menerus. Data direkonstruksi menggunakan proyeksi balik tersaring standar dengan paket rekonstruksi NABU internal ESRF. Untuk pemindaian CT versa, lensa objektif 4x digunakan untuk mengakomodasi bidang pandang sampel 2 mm dengan tetap mempertahankan resolusi 1 µm. Pemindaian dilakukan dengan sumber polikromatik yang beroperasi pada tegangan tabung 60 kV, dengan waktu pencahayaan 8 detik dan sudut rotasi 360°. Tomografi FIB-SEM dilakukan menggunakan sistem dual-beam Zeiss Auriga 60, menghasilkan total 676 irisan tomografi FIB. Proses tomografi dilakukan pada tegangan percepatan 30 kV dan arus berkas 20 pA, dengan setiap irisan memiliki ketebalan 9 nm. Gambar SEM diambil pada 5 kV dengan ukuran piksel 3 nm, menggunakan detektor dalam lensa (IL) dan elektron sekunder (SE2). Untuk melindungi permukaan sampel, lapisan platina diendapkan di atas volume pengambilan sampel, diikuti dengan pengukiran garis untuk memudahkan verifikasi ketebalan irisan. Segmentasi komponen dilakukan di Avizo. Filter non-local means digunakan untuk meningkatkan ketajaman gambar. Awalnya, teknik pembelajaran mesin digunakan untuk mengekstraksi membran berdasarkan karakteristik bentuknya. Selanjutnya, ambang batas skala abu-abu digunakan untuk mengisolasi katalis dan struktur pori. Akhirnya, segmentasi pulau dengan mengiris digunakan untuk memisahkan GDL dari fase campuran. Model yang dipisahkan dan digabungkan diperoleh dengan mendistribusikan kembali daerah “cacat” morfologis, sehingga menciptakan model di mana cacat dihilangkan dari setiap elemen secara berurutan.

Simulasi Visualisasi Multifase dan Multifisika
Jaringan pori dan permeabilitas GDL, MPL, dan CL awalnya disimulasikan terlebih dahulu di Avizo. Struktur pori pertama kali diekstraksi menggunakan ambang batas interaktif, diikuti dengan penghilangan pori-pori yang terisolasi melalui analisis konektivitas sumbu. Selanjutnya, model jaringan pori dan informasi pori dan tenggorokan yang terperinci dibuat menggunakan fungsi “objek terpisah”. Data permeabilitas kemudian diperoleh melalui simulasi eksperimen permeabilitas absolut. Model MEA yang diperoleh dari pemindaian CT dijalin dalam Avizo. CL, yang melibatkan antarmuka tiga fase yang lebih kompleks, dijalin dengan penyempurnaan paling halus. Jala dari berbagai model kemudian diimpor ke COMSOL untuk simulasi Multiphysics. Gaya gesekan dinding pori dimodelkan menggunakan difusivitas dinding, yang default ke difusivitas Knudsen. Difusivitas Knudsen ditentukan dari teori gas kinetik, yang menghubungkan lintasan bebas rata-rata molekul gas dengan diameter pori. Difusivitas gas yang ditentukan dalam simpul Fase Gas disesuaikan dengan faktor koreksi untuk mencerminkan bahwa fraksi volume pori gas kurang dari 1. Penyesuaian ini dapat diimplementasikan menggunakan korelasi Bruggeman, Tortuosity, atau metode yang ditentukan pengguna. Untuk Tortuosity, opsi meliputi pengaturan nilai skalar isotropik dan penentuan nilai tensor anisotropik melalui pengaturan Diagonal dan Simetris.

Model sel bahan bakar menggabungkan transportasi massa, perpindahan momentum, dan proses elektrokimia untuk menyelidiki perilaku reaktan dan produk di berbagai komponen, termasuk GDL, elektroda difusi gas, dan membran. Model ini menangkap berbagai fenomena fisik melalui penerapan antarmuka dan persamaan khusus. Persamaan utama ditunjukkan di bawah ini. Diimplementasikan dalam COMSOL Multiphysics, model ini memanfaatkan antarmuka Aliran Media Bebas dan Berpori yang dikombinasikan dengan simpul Multiphysics Aliran Bereaksi untuk mensimulasikan dinamika transportasi kompleks dalam sel bahan bakar. Model ini memecahkan variabel utama seperti potensial listrik dan ionik, fraksi massa spesies, medan kecepatan, dan distribusi tekanan, yang memungkinkan analisis terperinci kinerja sel bahan bakar dalam berbagai kondisi operasional. Beberapa parameter diperoleh melalui perhitungan simulasi, sedangkan parameter masukan awal tercantum dalam Tabel S1 (Informasi Pendukung). Parameter tertentu dalam Tabel S1 (Informasi Pendukung) diperoleh dari uji elektrokimia dan simulasi model 3D yang dipindai. Selain itu, parameter standar dan tidak diketahui tertentu diadopsi dari parameter yang digunakan dalam model sederhana yang ditemukan dalam literatur.
Persamaan dan Metode Utama—Persamaan Maxwell–Stefan untuk Transportasi Massa
Persamaan ini digunakan untuk memodelkan fluks fraksi massa spesies dalam sel.

Dij : difusivitas biner ( m 2  s −1 ) ρ : densitas fluida ( kg  m −3 ) ω : fraksi massa
u : kecepatan ( m  s −1 ) p : tekanan ( Pa ) D ij dapat dihitung dengan menggunakan persamaan empiris yang diturunkan dari teori kinetik gas:
volume difusi molar
Persamaan dan Metode Utama—Persamaan Navier–Stokes untuk Transfer Momentum
Persamaan ini menggambarkan perpindahan momentum dalam aliran fluida.
η: viskositas fluida ( kg  m −1  s )
Persamaan dan Metode Utama—Hukum Darcy (Digabungkan dengan Navier–Stokes untuk Media Berpori)
Untuk mempelajari distribusi kecepatan dalam media berpori, Hukum Darcy dimasukkan ke dalam persamaan Navier–Stokes.
κ p : permeabilitas ( m 2 )
Persamaan dan Metode Utama—Persamaan Brinkman (Transfer Momentum dalam Media Berpori)

Aliran dalam media berpori diatur oleh persamaan Brinkman, kombinasi persamaan kontinuitas dan momentum:
Q m : massa sumber atau penerima ( kg  ( m 2   ×   s 2 ) −1 )
ε p : porositas
μ: viskositas dinamis fluida ( kg  m −1  s )

Persamaan dan Metode Utama—Persamaan Butler–Volmer dan Hukum Tafel (Reaksi Elektrokimia)
Reaksi elektrokimia dimodelkan menggunakan persamaan Butler–Volmer dan persamaan Tafel. Persamaan Butler–Volmer memberikan deskripsi komprehensif tentang hubungan antara potensial elektroda dan kerapatan arus, yang memperhitungkan reaksi anoda dan katoda. Pada kelebihan potensial yang lebih tinggi, persamaan ini disederhanakan menjadi persamaan Tafel, yang menawarkan perkiraan linier yang berguna untuk menganalisis kinetika reaksi di wilayah ini.

Persamaan Butler–Volmer dinyatakan sebagai:
j : kerapatan arus elektroda (A m −2 )
j 0 : kerapatan arus tukar (A m −2 )
a a dan a c : koefisien perpindahan muatan anoda dan katoda
z: jumlah elektron yang ditransfer
F : Konstanta Faraday (C mol −1 )
η: potensi berlebih (V)
R: konstanta gas universal (J (mol × K) −1 )
T: suhu (K)

Di wilayah dengan potensi berlebih yang tinggi, persamaan Butler–Volmer disederhanakan menjadi persamaan Tafel:
a : konstanta meja
b : Kemiringan meja
i : kerapatan arus (A m −2 )

Untuk memperhitungkan ketergantungan konsentrasi, konsentrasi reaktan dan produk lokal dimasukkan ke dalam kerapatan arus pertukaran j 0 . Pendekatan ini memastikan bahwa kinetika reaksi mencerminkan variasi konsentrasi spesies di antarmuka elektroda, sehingga memberikan representasi yang lebih akurat dari proses elektrokimia yang terjadi dalam sistem.