Auswirkung der Platinbeladung des PEM-Katalysators auf die Brennstoffzellenleistung

Auswirkung der Platinbeladung des PEM-Katalysators auf die Brennstoffzellenleistung

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden umfangreiche Forschungen zur Entwicklung von durchgeführt Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) führte zu erheblichen Steigerungen der Spannungsleistung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs). Diese Spannungssteigerungen wurden hauptsächlich durch den Einsatz dünnerer Membranen erzeugt, von den ursprünglich gebräuchlichsten 1100 EW (Äquivalentgewicht (gpolymer/molH+)) Nafion®-Membranen mit einer Dicke von 175 μm/125 μm (Nafion 117/115) auf 50 μm dickes Nafion® 112, bis hin zu ultradünnen homogenen (z. B. 25 μm, 1100 EW-Membranen, extrudiert in Sulfonylfluoridform von DuPont und hydrolysiert zur Protonenform von Ion Power) oder PTFE/Ionomer-Verbundmembranen mit niedrigerem EW ( entweder aus Asahi Glass (30 μm, 910) oder Gore (25 μm, <1000 EW )), die hohe Zellspannungen bei Stromdichten ≥1 A/cm erzeugen². Diese Verbesserungen der Zellspannung gingen mit einer erheblichen Verringerung der MEA-Platinbeladungen gegenüber den hohen Beladungen von 5–10 mgPt/cm einher² pro MEA in den frühen 1990er Jahren bis <1 mgPt/cm² pro MEA in späteren Arbeiten, eine Entwicklung, die hauptsächlich auf den Ersatz von Pt-Schwarz-Katalysatoren durch kohlenstoffgestützte Pt-Katalysatoren mit größerer Oberfläche sowie auf die Verwendung von Perfluorsulfon-Ionomer-Bindemitteln in Dünnfilm-Katalysatorschichten zurückzuführen war.

Aufgrund dieser Innovationen in Material und Verarbeitungstechnologie erreichen moderne Brennstoffzellen Zellspannungen, die die der älteren MEA-Technologie übertreffen, bei der nur bis zu 0,60 V bei 1,0 A/cm erreicht wurden² unter Hochdruckbedingungen (300 kPaabs) mit vollständig befeuchtetem H₂/Luft-Reaktanten (stöchiometrische Flüsse von 1,5/2,0) bei Zelltemperaturen von 70–80 °C und Pt-Beladungen von <1 mgPt/cm² pro MEA. Dies verdeutlichen beispielsweise Berichte von UTC Fuel Cells, wo bei gleicher Stromdichte (1,0 A/cm) 0,68 V erreicht werden²) auch bei Umgebungsdruck unter ansonsten ähnlichen Bedingungen (65 °C Zelltemperatur, vollständig befeuchtetes H₂/Luft bei stöchiometrischen Strömen von 1,25/2,0) . Im letzteren Fall recht niedrige Pt-Kathodenbeladungen von 0,4 mgPt/cm² verwendet wurden und die Pt-Beladungen auf der Anode wahrscheinlich den gleichen Wert oder einen niedrigeren Wert hatten (nicht zitiert). Obwohl dies einen großen Entwicklungsfortschritt darstellt, beträgt die Pt-spezifische Leistungsdichte immer noch ca. 0,9–1,2 gPt/kW (unter der Annahme einer Anoden-Pt-Beladung von 0,2–0,4 mgPt/cm², also Gesamtbeladungen von 0,6–0,8 mgPt/cm² pro MEA), der für Anwendungen mit geringem Volumen (z. B. stationäre, unterbrechungsfreie Stromversorgung usw.) ausreichend niedrig sein kann, für Automobilanwendungen, bei denen weniger als 0,4 gPt/kW für die großtechnische Implementierung erforderlich sind, jedoch immer noch zu hoch ist .

Zur Reduzierung des Pt-Metallbedarfs in modernen Brennstoffzellen können vor allem zwei Ansätze verwendet werden: (i) Reduzierung der Stofftransportverluste insbesondere bei hohen Stromdichten durch verbesserte Diffusionsmedien (DM), verbesserter Reaktantenfluss- Felder und verbesserte Elektrodenstrukturen und/oder (ii) verbesserte Katalysatoren und Katalysatorausnutzung. Der erstere Ansatz würde es ermöglichen, die Stapelstromdichte auf 1,5–2,0 A/cm zu erhöhen² ohne oder mit unbedeutendem Spannungsnachteil, wodurch die Pt-spezifische Leistungsdichte um den Faktor 1,5–2 (d. h. 0,45–0,6 gPt/kW) reduziert wird. Weitere Reduzierungen müssten durch eine Reduzierung der Pt-Beladung der MEA unter die oben genannten 0,6–0,8 mgPt/cm2 pro MEA erreicht werden, was entweder durch Platinsparsamkeit oder den Einsatz alternativer Katalysatoren (z. B. Pt-Legierungskathode) erfolgen kann Katalysatoren).

Die vorliegende Arbeit untersucht im Detail die Auswirkung einer Reduzierung der Platinbeladung (sowohl Anode als auch Kathode) auf die Leistung von Brennstoffzellen und versucht, den Kompromiss zwischen Pt-Katalysatorbeladung und Zellspannung aufzuzeigen. Dies soll anhand von 50 cm veranschaulicht werden² Einzelzellendaten ergänzt durch Shortstack mit vollständig aktiver Fläche (250 und 500 cm).² aktives Gebiet, ca. 20 Zellen) Messungen. Aufgrund der hohen katalytischen Aktivität von Pt gegenüber H₂ Elektrooxidation (Austauschstromdichten, i0, in der Größenordnung von 10−3 A/cmPt2) werden wir zeigen, dass beim Brennstoffzellenbetrieb mit reinem H ein großes Potenzial zur Reduzierung der Pt-Anodenbeladungen besteht₂, während beim Brennstoffzellenbetrieb mit CO-kontaminiertem Reformat mit aktuellen PtRu-Anodenkatalysatoren deutlich geringere Reduktionen erreichbar sind. Leider ist die Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) bei Pt etwa sechs Größenordnungen langsamer als bei H₂ Oxidationskinetik (i0 in der Größenordnung von 10−9 A/cmPt2 ), und wir werden zeigen, dass weitere Reduzierungen der Kathoden-Pt-Beladungen mit reinen Pt-Katalysatoren zu gut vorhersehbaren Spannungsverlusten führen (diese können jedoch durch die Implementierung fortschrittlicherer Systeme vermieden werden). Kathodenkatalysatoren aus Pt-Legierung).