Effect van het laden van PEM-katalysatorplatina op de prestaties van brandstofcellen

Effect van het laden van PEM-katalysatorplatina op de prestaties van brandstofcellen

De afgelopen twintig jaar is er uitgebreid onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van lage temperatuur polymeer-elektrolyt-membraanbrandstofcellen (PEMFC) resulteerde in significante verhogingen van de spanningsprestaties van membraanelektrodesamenstellen (MEA's). Deze spanningswinsten werden voornamelijk veroorzaakt door de implementatie van dunnere membranen, gaande van de oorspronkelijk meest voorkomende 1100 EW (equivalent gewicht (gpolymeer/molH+)) Nafion®-membranen met een dikte van 175 μm/125 μm (Nafion 117/115) tot 50 μm dikke Nafion® 112, helemaal tot ultradunne homogene (bijv. 25 μm, 1100 EW-membranen geëxtrudeerd in de sulfonylfluoride-vorm van DuPont en gehydrolyseerd tot proton-vorm door Ion Power) of PTFE/ionomeer composietmembranen met een lagere EW ( hetzij van Asahi Glass (30 μm, 910 ) of Gore (25 μm, <1000 EW )) die hoge celspanningen produceren bij stroomdichtheden ≥1 A/cm². Deze verbeteringen in de celspanning gingen gepaard met significante verlagingen van de MEA-platinabelastingen ten opzichte van de hoge belastingen van 5-10 mgPt/cm3.² per MEA begin jaren negentig tot <1 mgPt/cm² volgens MEA in later werk, een ontwikkeling die voornamelijk te wijten was aan de vervanging van Pt-zwart-katalysatoren door koolstof-ondersteunde Pt-katalysatoren met een groter oppervlak, evenals aan het gebruik van perfluorsulfon-ionomeerbindmiddel in dunne-film katalysatorlagen.

Dankzij deze innovaties op het gebied van materialen en verwerkingstechnologie leveren de modernste brandstofcellen celspanningen op die de oudere MEA-technologie overtreffen, waarbij slechts tot 0,60 V werd bereikt bij 1,0 A/cm² onder hoge drukomstandigheden (300 kPaabs) met volledig bevochtigde H₂/luchtreagentia (stoichiometrische stromen van 1,5/2,0) bij celtemperaturen van 70–80 °C en Pt-belastingen van <1 mgPt/cm² per MEA. Dit wordt bijvoorbeeld geïllustreerd door rapporten van UTC Fuel Cells, waar 0,68 V wordt verkregen bij dezelfde stroomdichtheid (1,0 A/cm²) zelfs bij omgevingsdruk onder overigens vergelijkbare omstandigheden (celtemperatuur van 65 °C, volledig bevochtigde H₂/lucht bij stoichiometrische stromen van 1,25/2,0). In het laatste geval vrij lage Pt-kathodebelastingen van 0,4 mgPt/cm² werden gebruikt en Pt-belastingen op de anode waren waarschijnlijk van dezelfde waarde of lager (niet genoemd). Hoewel dit een grote ontwikkelingsvooruitgang betekent, komt de Pt-specifieke vermogensdichtheid nog steeds neer op ca. 0,9–1,2 gPt/kW (uitgaande van anode Pt-belastingen van 0,2–0,4 mgPt/cm², d.w.z. totale belastingen van 0,6–0,8 mgPt/cm3² per MEA), wat voldoende laag kan zijn voor toepassingen met een laag volume (bijvoorbeeld stationaire, ononderbroken stroomvoorziening, enz.), maar nog steeds te hoog is voor toepassingen in de automobielsector, waar minder dan 0,4 gPt/kW nodig is voor grootschalige implementatie .

Er kunnen hoofdzakelijk twee benaderingen worden gebruikt om de behoefte aan Pt-metaal in de modernste brandstofcellen te verminderen: (i) vermindering van de massatransportverliezen, vooral bij hoge stroomdichtheden, door verbeterde diffusiemedia (DM), verbeterde stroming van reactanten velden, en verbeterde elektrodestructuren en/of (ii) verbeterde katalysatoren en katalysatorgebruik. De eerste benadering zou het mogelijk maken de stroomdichtheid van de stapel te verhogen tot 1,5–2,0 A/cm² zonder of met een onbeduidende spanningsstraf, waardoor de Pt-specifieke vermogensdichtheid met een factor 1,5–2 wordt verminderd (dwz 0,45–0,6 gPt/kW). Eventuele verdere reducties zouden moeten worden bereikt door een reductie van de Pt-belasting van de MEA tot onder de bovengenoemde 0,6-0,8 mgPt/cm2 per MEA, wat kan worden gedaan via platina-zuinigheid of de implementatie van alternatieve katalysatoren (bijv. katalysatoren).

Het huidige werk onderzoekt in detail het effect van de vermindering van de platinalading (zowel anode als kathode) op de prestaties van brandstofcellen en probeert de wisselwerking tussen Pt-katalysatorlading en celspanning aan te tonen. Dit wordt geïllustreerd aan de hand van 50 cm² single-cell data aangevuld met full-active-area shortstack (250 en 500 cm² actief gebied, ca. 20 cellen) metingen. Vanwege de hoge katalytische activiteit van Pt richting H₂ elektro-oxidatie (wisselstroomdichtheden, i0, in de orde van 10−3 A/cmPt2), zullen we aantonen dat er een groot potentieel is voor het verminderen van de Pt-anodebelastingen in het geval van brandstofcelwerking met zuivere H₂, terwijl er met de huidige PtRu-anodekatalysatoren veel minder reducties haalbaar zijn in het geval van brandstofcelwerking met CO-verontreinigd reformaat. Helaas is de kinetiek van de zuurstofreductiereactie (ORR) op Pt ongeveer zes ordes van grootte langzamer dan die van H₂ oxidatiekinetiek (i0 in de orde van 10−9 A/cmPt2), en we zullen laten zien dat verdere reducties in kathode-Pt-belastingen met zuivere Pt-katalysatoren resulteren in goed voorspelbare spanningsverliezen (deze kunnen echter worden vermeden door meer geavanceerde Kathodekatalysatoren van Pt-legeringen).