Effetto del caricamento del platino del catalizzatore PEM sulle prestazioni della cella a combustibile

Effetto del caricamento del platino del catalizzatore PEM sulle prestazioni della cella a combustibile

Negli ultimi due decenni, ricerche approfondite sullo sviluppo di celle a combustibile con membrana elettrolitica polimerica a bassa temperatura (PEMFC) ha comportato aumenti significativi delle prestazioni di tensione dei gruppi elettrodi a membrana (MEA). Questi guadagni di tensione sono stati prodotti principalmente dall'implementazione di membrane più sottili, passando dalle membrane Nafion® originariamente più comuni da 1100 EW (peso equivalente (gpolimero/molH+)) con spessore di 175 μm/125 μm (Nafion 117/115), a 50 Nafion® 112 di spessore μm, fino alle membrane ultrasottili omogenee (ad es. 25 μm, 1100 EW estruse nella forma di solfonilfluoruro da DuPont e idrolizzate in forma protonica da Ion Power) o membrane composite PTFE/ionomero con EW inferiore ( da Asahi Glass (30 μm, 910 ) o Gore (25 μm, <1000 EW )) che producono elevate tensioni di cella con densità di corrente ≥1 A/cm². Questi miglioramenti del voltaggio cellulare sono stati accompagnati da riduzioni significative dei carichi di platino MEA rispetto ai carichi elevati di 5-10 mgPt/cm² per MEA all'inizio degli anni '90 a <1 mgPt/cm² per MEA nel lavoro successivo, uno sviluppo dovuto principalmente alla sostituzione di catalizzatori Pt-nero con catalizzatori Pt supportati da carbonio con area superficiale più elevata, nonché all'uso di un legante perfluorosolfonico-ionomerico negli strati catalitici a film sottile.

Grazie a queste innovazioni nei materiali e nella tecnologia di lavorazione, le celle a combustibile all'avanguardia producono tensioni di cella che superano la vecchia tecnologia MEA, dove si raggiungevano solo fino a 0,60 V a 1,0 A/cm² in condizioni di alta pressione (300 kPaabs) con H₂/aria reagenti (flussi stechiometrici di 1,5/2,0) a temperature di cella di 70–80 °C e carichi di Pt di <1 mgPt/cm² per MEA. Ciò è illustrato, ad esempio, dai rapporti di UTC Fuel Cells, dove si ottengono 0,68 V alla stessa densità di corrente (1,0 A/cm²) anche a pressione ambiente in condizioni altrimenti simili (temperatura della cella di 65 °C, completamente umidificata H₂/aria a flussi stechiometrici di 1,25/2,0) . In quest'ultimo caso, carichi catodici di Pt piuttosto bassi di 0,4 mgPt/cm² sono stati utilizzati e i carichi di Pt sull'anodo erano probabilmente dello stesso valore o inferiori (non citato). Sebbene ciò rappresenti un importante progresso nello sviluppo, la densità di potenza specifica del Pt corrisponde ancora a ca. 0,9–1,2 gPt/kW (assumendo carichi di Pt anodici di 0,2–0,4 mgPt/cm², ovvero carichi totali di 0,6–0,8 mgPt/cm² per MEA), che può essere sufficientemente basso per applicazioni a basso volume (ad esempio sistemi stazionari, gruppi di continuità, ecc.), ma è ancora troppo elevato per applicazioni automobilistiche, dove sono necessari meno di 0,4 gPt/kW per l'implementazione su larga scala .

Principalmente due approcci possono essere utilizzati per ridurre il fabbisogno di metallo Pt nelle celle a combustibile all'avanguardia: (i) riduzione delle perdite di trasporto di massa, in particolare ad elevate densità di corrente, mediante mezzi di diffusione migliorati (DM), miglioramento del flusso dei reagenti campi e strutture di elettrodi migliorate e/o (ii) catalizzatori e utilizzo dei catalizzatori migliorati. Il primo approccio consentirebbe di aumentare la densità di corrente di stack a 1,5–2,0 A/cm² con una penalità di tensione nulla o insignificante, riducendo così la densità di potenza specifica del Pt di un fattore di 1,5–2 (ovvero 0,45–0,6 gPt/kW). Eventuali ulteriori riduzioni dovrebbero essere ottenute riducendo il carico di Pt del MEA al di sotto dei suddetti 0,6-0,8 mgPt/cm2 per MEA, cosa che può essere effettuata tramite il risparmio del platino o l'implementazione di catalizzatori alternativi (ad esempio catodo in lega di Pt catalizzatori).

Il presente lavoro esamina in dettaglio l'effetto delle riduzioni del carico di platino (sia dell'anodo che del catodo) sulle prestazioni delle celle a combustibile e cerca di dimostrare il compromesso tra il carico del catalizzatore Pt e la tensione della cella. Questo sarà illustrato per mezzo di 50 cm² dati a cella singola integrati da short stack con area attiva completa (250 e 500 cm² area attiva, ca. 20 celle) misurazioni. A causa dell’elevata attività catalitica del Pt verso H₂ elettroossidazione (densità di corrente di scambio, i0, dell'ordine di 10−3 A/cmPt2), mostreremo che esiste un grande potenziale per ridurre i carichi anodici di Pt nel caso di funzionamento di celle a combustibile con H puro₂, mentre riduzioni molto inferiori sono ottenibili con gli attuali catalizzatori anodici PtRu nel caso di funzionamento di celle a combustibile con materiale riformato contaminato da CO. Sfortunatamente, la cinetica della reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR) su Pt è circa sei ordini di grandezza più lenta rispetto a quella dell’H₂ cinetica di ossidazione (i0 dell'ordine di 10−9 A/cmPt2 ), e mostreremo che ulteriori riduzioni dei carichi di Pt nel catodo con catalizzatori di Pt puri si traducono in perdite di tensione ben prevedibili (queste possono, tuttavia, essere evitate implementando soluzioni più avanzate catalizzatori catodici in lega di Pt).