Ефект от зареждането с платина на PEM катализатор върху производителността на горивните клетки

Ефект от зареждането с платина на PEM катализатор върху производителността на горивните клетки

През последните две десетилетия обширни изследвания върху развитието на нискотемпературни горивни клетки с полимерелектролитна мембрана (PEMFC) доведе до значителни увеличения в характеристиките на напрежението на мембранните електродни възли (MEAs). Тези увеличения на напрежението се дължат предимно на прилагането на по-тънки мембрани, преминаващи от първоначално най-често срещаните 1100 EW (еквивалентно тегло (gpolymer/molH+)) Nafion® мембрани с дебелина 175 μm/125 μm (Nafion 117/115) до 50 μm дебелина Nafion® 112, чак до ултратънки хомогенни (напр. 25 μm, 1100 EW мембрани, екструдирани в сулфонилфлуоридна форма от DuPont и хидролизирани до протонна форма от Ion Power) или по-ниско EW PTFE/йономерни композитни мембрани ( от Asahi Glass (30 μm, 910 ) или Gore (25 μm, <1000 EW )), които произвеждат високо напрежение на клетката при плътност на тока ≥1 A/cm². Тези подобрения на напрежението на клетката бяха придружени от значителни намаления на MEA платинените натоварвания от високите натоварвания от 5–10 mgPt/cm² на MEA в началото на 1990 г. до <1 mgPt/cm² на MEA в по-късна работа, развитие, което се дължи главно на заместването на Pt-черни катализатори с Pt катализатори с по-голяма повърхностна повърхност, поддържани от въглерод, както и използването на перфлуоросулфоново-йономерно свързващо вещество в тънкослойни каталитични слоеве.

Благодарение на тези иновации в материалите и технологията на обработка, най-съвременните горивни клетки дават напрежение на клетката, което надминава по-старата технология MEA, където само до 0,60 V бяха постигнати при 1,0 A/cm² при условия на високо налягане (300 kPaabs) с напълно овлажнен H₂/въздушни реагенти (стехиометрични потоци от 1,5/2,0) при температури на клетката от 70–80 °C и Pt натоварвания от <1 mgPt/cm² по MEA. Това например се илюстрира от доклади от UTC Fuel Cells, където се получават 0,68 V при същата плътност на тока (1,0 A/cm²) дори при околно налягане при иначе сходни условия (65 °C температура на клетката, напълно овлажнен H₂/въздух при стехиометрични потоци от 1,25/2,0) . В последния случай, доста ниски Pt катодни натоварвания от 0,4 mgPt/cm² са били използвани и натоварванията на Pt върху анода вероятно са били със същата стойност или по-ниска (не е цитирано). Въпреки че това представлява голям напредък в развитието, специфичната за Pt плътност на мощността все още се равнява на приблизително. 0,9–1,2 gPt/kW (приемайки, че анодните Pt натоварвания са 0,2–0,4 mgPt/cm², т.е. общо натоварване от 0,6–0,8 mgPt/cm² за MEA), което може да е достатъчно ниско за приложения с малък обем (напр. стационарни, с непрекъснато захранване и т.н.), но все още е твърде високо за автомобилни приложения, където са необходими по-малко от 0,4 gPt/kW за широкомащабно внедряване .

Основно два подхода могат да бъдат използвани за намаляване на изискването за Pt метал в най-съвременните горивни клетки: (i) намаляване на загубите при транспортиране на маса, особено при високи плътности на тока чрез подобрена дифузионна среда (DM), подобрен поток на реагент- полета и подобрени електродни структури и/или (ii) подобрени катализатори и използване на катализатора. Първият подход би позволил да се увеличи плътността на тока на стека до 1,5–2,0 A/cm² без или с незначително нарушение на напрежението, като по този начин се намалява специфичната за Pt плътност на мощността с коефициент 1,5–2 (т.е. 0,45–0,6 gPt/kW). Всяко по-нататъшно намаление ще трябва да бъде постигнато чрез намаляване на Pt натоварването на MEA под горните 0,6–0,8 mgPt/cm2 на MEA, което може да бъде направено или чрез пестене на платина, или чрез прилагане на алтернативни катализатори (напр. катод от Pt-сплав катализатори).

Настоящата работа разглежда подробно ефекта от намаляването на натоварването на платина (както анод, така и катод) върху производителността на горивните клетки и се стреми да демонстрира компромиса между натоварването на Pt-катализатор и напрежението на клетката. Това ще бъде илюстрирано с помощта на 50 cm² данни от една клетка, допълнени от кратък стек с пълна активна площ (250 и 500 cm² активна площ, ок. 20 клетки) измервания. Благодарение на високата каталитична активност на Pt спрямо H₂ електроокисление (плътности на тока на обмен, i0, от порядъка на 10-3 A/cmPt2), ще покажем, че има голям потенциал за намаляване на натоварванията на Pt анода в случай на работа на горивна клетка с чист H₂, докато много по-малко намаления са постижими с настоящите PtRu-анодни катализатори в случай на работа на горивни клетки с CO-замърсен риформат. За съжаление, кинетиката на реакцията на редукция на кислород (ORR) върху Pt е приблизително шест порядъка по-бавна от H₂ кинетика на окисление (i0 от порядъка на 10-9 A/cmPt2), и ние ще покажем, че по-нататъшното намаляване на натоварванията на катод Pt с чисти Pt-катализатори води до добре предвидими загуби на напрежение (те обаче могат да бъдат избегнати чрез прилагане на по-напреднали Pt-сплав катодни катализатори).