Влияние загрузки платины в катализатор PEM на характеристики топливного элемента

Влияние загрузки платины в катализатор PEM на характеристики топливного элемента

За последние два десятилетия были проведены обширные исследования по развитию низкотемпературные полимерэлектролитно-мембранные топливные элементы (PEMFC) привело к значительному увеличению характеристик напряжения мембранно-электродных сборок (MEA). Такое увеличение напряжения было в первую очередь достигнуто за счет внедрения более тонких мембран, начиная с первоначально наиболее распространенных мембран Nafion® с плотностью 1100 EW (эквивалентный вес (гполимер/мольH+)) и толщиной 175 мкм/125 мкм (Nafion 117/115) до 50 мкм. Nafion® 112 толщиной мкм, вплоть до ультратонких гомогенных (например, мембраны толщиной 25 мкм, 1100 EW, экструдированные в сульфонилфторидной форме от DuPont и гидролизованные до протонной формы с помощью Ion Power) или композитных мембран из ПТФЭ/иономера с более низким EW ( либо из Asahi Glass (30 мкм, 910 ), либо Gore (25 мкм, <1000 ЭВт)), которые создают высокие напряжения элементов при плотностях тока ≥1 А/см.². Эти улучшения напряжения ячейки сопровождались значительным снижением содержания платины в МЭА по сравнению с высокими нагрузками 5–10 мгPt/см.² на МЭА в начале 1990-х годов до <1 мгПт/см² согласно MEA в более поздней работе, это развитие произошло в первую очередь из-за замены катализаторов Pt-сажи на Pt-катализаторы с более высокой площадью поверхности на углеродном носителе, а также использования перфторсульфо-иономерного связующего в тонкопленочных слоях катализатора.

Благодаря этим инновациям в материалах и технологиях обработки, современные топливные элементы обеспечивают напряжение элементов, которое превосходит старую технологию MEA, где достигалось только до 0,60 В при токе 1,0 А/см.² в условиях высокого давления (300 кПаабс) с полностью увлажненной H₂/воздух-реагенты (стехиометрические потоки 1,5/2,0) при температуре ячейки 70–80 °С и загрузке Pt <1 мгПт/см² за МЭА. Это, например, иллюстрируется отчетами компании UTC Fuel Cells, где напряжение 0,68 В получается при той же плотности тока (1,0 А/см2).²) даже при давлении окружающей среды и в других аналогичных условиях (температура ячейки 65 °C, полное увлажнение H₂/воздух при стехиометрических расходах 1,25/2,0). В последнем случае достаточно низкие катодные загрузки Pt — 0,4 мгPt/см.² и нагрузки Pt на аноде, вероятно, были такого же значения или ниже (не указано). Хотя это представляет собой значительный прогресс в разработке, удельная удельная мощность Pt по-прежнему составляет ок. 0,9–1,2 гПт/кВт (при условии загрузки анода Pt 0,2–0,4 мгПт/см).², т.е. суммарные нагрузки 0,6–0,8 мгPt/см.² на MEA), который может быть достаточно низким для применений с небольшим объемом (например, стационарных систем, источников бесперебойного питания и т. д.), но все же слишком высок для автомобильных применений, где для крупномасштабного внедрения требуется менее 0,4 гПт/кВт. .

Для снижения потребности в металлической платине в современных топливных элементах можно использовать в первую очередь два подхода: (i) уменьшение потерь массопереноса, особенно при высоких плотностях тока, за счет улучшенной диффузионной среды (DM), улучшенного потока реагентов. полей и улучшенные структуры электродов и/или (ii) улучшенные катализаторы и их использование. Первый подход позволит увеличить плотность тока стека до 1,5–2,0 А/см.² без или с незначительным ухудшением напряжения, тем самым снижая удельную мощность Pt в 1,5–2 раза (т. е. 0,45–0,6 гPt/кВт). Любое дальнейшее снижение должно быть достигнуто за счет снижения содержания Pt в МЭБ ниже вышеуказанных 0,6–0,8 мгPt/см2 на МЭБ, что может быть достигнуто либо за счет экономии платины, либо за счет использования альтернативных катализаторов (например, катода из платинового сплава). катализаторы).

В настоящей работе подробно рассматривается влияние снижения загрузки платины (как анода, так и катода) на производительность топливного элемента и делается попытка продемонстрировать компромисс между загрузкой Pt-катализатора и напряжением элемента. Это будет проиллюстрировано с помощью 50 см.² данные одной ячейки, дополненные коротким стеком полной активной области (250 и 500 см).² Активная зона, ок. 20 ячеек) измерений. Благодаря высокой каталитической активности Pt по отношению к H₂ электроокисления (плотности обменного тока i0 порядка 10–3 А/смPt2), мы покажем, что существует большой потенциал для снижения анодной нагрузки Pt в случае работы топливных элементов с чистым H₂, тогда как гораздо меньшее снижение достижимо при использовании нынешних катализаторов с PtRu-анодом в случае работы топливных элементов с продуктом риформинга, загрязненным CO. К сожалению, кинетика реакции восстановления кислорода (ORR) на Pt примерно на шесть порядков медленнее, чем на H.₂ кинетику окисления (i0 порядка 10–9 А/смPt2), и мы покажем, что дальнейшее снижение нагрузки на катод Pt с использованием чистых Pt-катализаторов приводит к хорошо предсказуемым потерям напряжения (однако этого можно избежать, внедрив более совершенные Катодные катализаторы из платинового сплава).