Efectul încărcării cu platină a catalizatorului PEM asupra performanței celulei de combustie

Efectul încărcării cu platină a catalizatorului PEM asupra performanței celulei de combustie

În ultimele două decenii, cercetări ample privind dezvoltarea celule de combustibil cu membrană polimerelectrolită la temperatură joasă (PEMFC) a dus la creșteri semnificative ale performanței de tensiune a ansamblurilor de electrozi cu membrană (MEA). Aceste creșteri de tensiune au fost produse în principal de implementarea membranelor mai subțiri, trecând de la cele mai comune inițial 1100 EW (greutate echivalentă (gpolimer/molH+)) membrane Nafion® cu grosime de 175 μm/125 μm (Nafion 117/115), la 50 μm grosime Nafion® 112, până la membrane omogene ultra-subțiri (de exemplu, 25 μm, 1100 EW membrane extrudate sub formă de fluorură de sulfonil de la DuPont și hidrolizate în formă de protoni de către Ion Power) sau membrane compozite PTFE/ionomer cu EW mai scăzută ( fie de la Asahi Glass (30 μm, 910 ) sau Gore (25 μm, <1000 EW )) care produc tensiuni ridicate ale celulelor la densități de curent ≥1 A/cm². Aceste îmbunătățiri ale tensiunii celulei au fost însoțite de reduceri semnificative ale încărcărilor de platină MEA de la încărcările mari de 5-10 mgPt/cm² pe MEA la începutul anilor 1990 la <1 mgPt/cm² pe MEA în lucrările ulterioare, o dezvoltare care s-a datorat în primul rând substituirii catalizatorilor Pt-negru cu catalizatori Pt cu suprafață mai mare suportați de carbon, precum și utilizării liantului perfluorosulfonic-ionomer în straturile de catalizator cu peliculă subțire.

Datorită acestor inovații în materie de materiale și tehnologie de procesare, celulele de combustie de ultimă generație produc tensiuni ale celulelor care depășesc tehnologia MEA mai veche, unde doar până la 0,60 V au fost atinse la 1,0 A/cm² în condiții de presiune ridicată (300 kPaabs) cu H total umidificat₂reactanți /aer (debite stoichiometrice de 1,5/2,0) la temperaturi ale celulei de 70–80 °C și încărcări de Pt de <1 mgPt/cm² pe MEA. Acest lucru este, de exemplu, ilustrat de rapoartele de la UTC Fuel Cells, unde se obțin 0,68 V la aceeași densitate de curent (1,0 A/cm²) chiar și la presiunea ambiantă în condiții similare (temperatura celulei de 65 °C, H. complet umidificat₂/aer la debite stoichiometrice de 1,25/2,0) . În acest din urmă caz, încărcările catodului de Pt destul de scăzute de 0,4 mgPt/cm² au fost utilizate și încărcările de Pt pe anod au fost probabil de aceeași valoare sau mai mici (nu sunt citate). Deși acesta reprezintă un progres major de dezvoltare, densitatea de putere specifică Pt încă echivalează cu cca. 0,9–1,2 gPt/kW (presupunând încărcări ale anodului Pt de 0,2–0,4 mgPt/cm², adică încărcări totale de 0,6–0,8 mgPt/cm² pe MEA), care poate fi suficient de scăzut pentru aplicații de volum redus (de exemplu, staționare, alimentare neîntreruptă, etc.), dar este încă prea mare pentru aplicațiile auto, unde sunt necesare mai puțin de 0,4 gPt/kW pentru implementarea la scară largă. .

În primul rând, două abordări pot fi utilizate pentru a reduce necesarul de metal Pt în celulele de combustie de ultimă generație: (i) reducerea pierderilor de transport în masă, în special la densități mari de curent, prin medii de difuzie îmbunătățite (DM), flux îmbunătățit de reactanți - câmpuri și structuri de electrozi îmbunătățite și/sau (ii) catalizatori îmbunătățiți și utilizarea catalizatorului. Prima abordare ar permite creșterea densității curentului stivei la 1,5–2,0 A/cm² fără penalizare de tensiune sau nesemnificativă, reducând astfel densitatea de putere specifică Pt cu un factor de 1,5–2 (adică 0,45–0,6 gPt/kW). Orice reduceri suplimentare ar trebui realizate printr-o reducere a încărcăturii cu Pt a MEA sub cele de mai sus 0,6–0,8 mgPt/cm2 per MEA, care poate fi realizată fie prin economisire de platină, fie prin implementarea de catalizatori alternativi (de exemplu, catod din aliaj de Pt). catalizatori).

Lucrarea de față examinează în detaliu efectul reducerilor de încărcare cu platină (atât anodul cât și catodul) asupra performanței celulei de combustibil și încearcă să demonstreze compromisul dintre încărcarea catalizatorului Pt și tensiunea celulei. Acest lucru va fi ilustrat prin intermediul a 50 cm² date dintr-o singură celulă completate de stiva scurtă cu zonă activă completă (250 și 500 cm² zonă activă, ca. 20 de celule) măsurători. Datorită activității catalitice ridicate a Pt față de H₂ electrooxidare (densități de schimb de curent, i0, de ordinul a 10−3 A/cmPt2), vom arăta că există un potențial mare de reducere a încărcărilor anodice cu Pt în cazul funcționării celulei de combustie cu H pur.₂, în timp ce reduceri mult mai puține sunt realizabile cu catalizatorii actuali PtRu-anod în cazul funcționării celulei de combustibil cu reformat contaminat cu CO. Din păcate, cinetica reacției de reducere a oxigenului (ORR) pe Pt este cu aproximativ șase ordine de mărime mai lentă decât H₂ cinetica de oxidare (i0 de ordinul 10−9 A/cmPt2) și vom arăta că reducerile ulterioare ale încărcărilor de Pt catodice cu catalizatori Pt puri au ca rezultat pierderi de tensiune bine previzibile (acestea pot fi, totuși, evitate prin implementarea mai avansată). catalizatori catodici din aliaj Pt).