Kesan PEM Catalyst Platinum Loading pada Prestasi Sel Bahan Api

Kesan PEM Catalyst Platinum Loading pada Prestasi Sel Bahan Api

Sepanjang dua dekad yang lalu, penyelidikan meluas mengenai pembangunan sel bahan api polimerelektrolit-membran suhu rendah (PEMFC) menghasilkan peningkatan ketara dalam prestasi voltan pemasangan elektrod membran (MEA) . Keuntungan voltan ini terutamanya dihasilkan oleh pelaksanaan membran yang lebih nipis, berkembang daripada membran Nafion® 1100 EW (berat setara (gpolymer/molH+)) yang paling biasa pada asalnya dengan ketebalan 175 μm/125 μm (Nafion 117/115), kepada 50 μm tebal Nafion® 112 , sehingga ke homogen ultra-nipis (cth. 25 μm, membran 1100 EW tersemperit dalam bentuk sulfonilfluorida daripada DuPont dan dihidrolisiskan kepada bentuk proton oleh Kuasa Ion ) atau membran komposit PTFE/ionomer EW yang lebih rendah ( sama ada daripada Asahi Glass (30 μm, 910 ) atau Gore (25 μm, <1000 EW )) yang menghasilkan voltan sel tinggi pada ketumpatan arus ≥1 A/cm². Penambahbaikan voltan sel ini disertai dengan pengurangan ketara dalam pemuatan platinum MEA daripada pemuatan tinggi 5–10 mgPt/cm² setiap MEA pada awal 1990-an hingga <1 mgPt/cm² per MEA dalam kerja kemudian, perkembangan yang terutamanya disebabkan oleh penggantian pemangkin Pt-hitam dengan pemangkin Pt disokong karbon kawasan permukaan yang lebih tinggi serta penggunaan pengikat perfluorosulfonik-ionomer dalam lapisan pemangkin filem nipis.

Disebabkan oleh inovasi dalam bahan dan teknologi pemprosesan ini, sel bahan api tercanggih menghasilkan voltan sel yang mengatasi teknologi MEA yang lebih lama, di mana hanya sehingga 0.60 V dicapai pada 1.0 A/cm² di bawah keadaan tekanan tinggi (300 kPaabs) dengan H₂/reaktan udara (aliran stoikiometri 1.5/2.0) pada suhu sel 70–80 °C dan muatan Pt <1 mgPt/cm² setiap MEA. Ini, sebagai contoh, digambarkan oleh laporan daripada Sel Bahan Api UTC, di mana 0.68 V diperoleh pada ketumpatan arus yang sama (1.0 A/cm²) walaupun pada tekanan ambien dalam keadaan yang serupa (suhu sel 65 °C, H. lembap sepenuhnya₂/udara pada aliran stoikiometri 1.25/2.0) . Dalam kes kedua, muatan katod Pt yang agak rendah iaitu 0.4 mgPt/cm² telah digunakan dan beban Pt pada anod mungkin mempunyai nilai yang sama atau lebih rendah (tidak disebut). Walaupun ini mewakili kemajuan pembangunan utama, ketumpatan kuasa khusus Pt masih bersamaan dengan ca. 0.9–1.2 gPt/kW (dengan mengandaikan muatan Pt anod 0.2–0.4 mgPt/cm², iaitu jumlah muatan 0.6–0.8 mgPt/cm² setiap MEA), yang mungkin cukup rendah untuk aplikasi volum rendah (cth. pegun, bekalan kuasa tidak terganggu, dll.), tetapi masih terlalu tinggi untuk aplikasi automotif, di mana kurang daripada 0.4 gPt/kW diperlukan untuk pelaksanaan berskala besar .

Terutamanya dua pendekatan boleh digunakan untuk mengurangkan keperluan logam Pt dalam sel bahan api terkini: (i) pengurangan kehilangan pengangkutan jisim terutamanya pada ketumpatan arus tinggi oleh media resapan yang lebih baik (DM), aliran reaktan yang lebih baik- medan, dan struktur elektrod yang lebih baik dan/atau (ii) pemangkin dan penggunaan mangkin yang dipertingkatkan. Pendekatan terdahulu akan membolehkan untuk meningkatkan ketumpatan arus tindanan kepada 1.5-2.0 A/cm² dengan penalti voltan tiada atau tidak ketara , dengan itu mengurangkan ketumpatan kuasa khusus Pt dengan faktor 1.5–2 (iaitu 0.45–0.6 gPt/kW). Sebarang pengurangan selanjutnya perlu dicapai dengan pengurangan pemuatan Pt MEA di bawah 0.6–0.8 mgPt/cm2 di atas setiap MEA, yang mungkin sama ada dilakukan melalui penjimatan platinum atau pelaksanaan pemangkin alternatif (cth. katod aloi Pt pemangkin).

Kerja ini mengkaji secara terperinci kesan pengurangan pemuatan platinum (kedua-dua anod dan katod) ke atas prestasi sel bahan api dan berusaha untuk menunjukkan pertukaran antara pemuatan pemangkin Pt dan voltan sel. Ini akan digambarkan dengan cara 50 cm² data sel tunggal yang dilengkapi dengan timbunan pendek kawasan aktif penuh (250 dan 500 cm² kawasan aktif, ca. 20 sel) ukuran. Disebabkan oleh aktiviti pemangkin Pt yang tinggi terhadap H₂ elektro-pengoksidaan (ketumpatan pertukaran-arus, i0, daripada susunan 10−3 A/cmPt2), kami akan menunjukkan bahawa terdapat potensi besar untuk mengurangkan beban anod Pt dalam kes operasi sel bahan api dengan H tulen₂, manakala pengurangan yang lebih sedikit boleh dicapai dengan pemangkin anod PtRu semasa dalam kes operasi sel bahan api dengan format semula tercemar CO. Malangnya, kinetik tindak balas pengurangan oksigen (ORR) pada Pt adalah kira-kira enam urutan magnitud lebih perlahan daripada H.₂ kinetik pengoksidaan (i0 daripada susunan 10−9 A/cmPt2 ), dan kami akan menunjukkan bahawa pengurangan selanjutnya dalam muatan Pt katod dengan pemangkin Pt tulen mengakibatkan kehilangan voltan yang boleh diramal dengan baik (walau bagaimanapun, ini boleh dielakkan dengan melaksanakan lebih maju. Pemangkin katod aloi Pt ).