Efeito da carga de platina do catalisador PEM no desempenho da célula de combustível

Efeito da carga de platina do catalisador PEM no desempenho da célula de combustível

Nas últimas duas décadas, extensas pesquisas sobre o desenvolvimento de células a combustível de membrana eletrolítica de polímero de baixa temperatura (PEMFC) resultou em aumentos significativos no desempenho de tensão de conjuntos de eletrodos de membrana (MEAs). Esses ganhos de tensão foram produzidos principalmente pela implementação de membranas mais finas, progredindo das membranas Nafion® originalmente mais comuns de 1100 EW (peso equivalente (gpolímero/molH+)) com espessura de 175 μm/125 μm (Nafion 117/115), para 50 μm de espessura Nafion® 112, até ultrafino homogêneo (por exemplo, membranas de 25 μm, 1100 EW extrusadas na forma de fluoreto de sulfonil da DuPont e hidrolisadas em forma de próton pela Ion Power) ou membranas compostas de PTFE / ionômero de baixo EW ( seja da Asahi Glass (30 μm, 910) ou Gore (25 μm, <1000 EW)) que produzem altas tensões de célula em densidades de corrente ≥1 A/cm². Essas melhorias na tensão celular foram acompanhadas por reduções significativas nas cargas de platina MEA das altas cargas de 5–10 mgPt/cm² por MEA no início de 1990 para <1 mgPt/cm² de acordo com MEA em trabalhos posteriores, um desenvolvimento que se deveu principalmente à substituição de catalisadores Pt-preto por catalisadores de Pt suportados em carbono com maior área superficial, bem como ao uso de aglutinante de ionômero perfluorossulfônico em camadas de catalisador de película fina.

Devido a essas inovações em materiais e tecnologia de processamento, as células de combustível de última geração produzem tensões de célula que superam a tecnologia MEA mais antiga, onde apenas até 0,60 V eram alcançados a 1,0 A/cm² sob condições de alta pressão (300 kPaabs) com H2 totalmente umidificado₂/ reagentes de ar (fluxos estequiométricos de 1,5/2,0) em temperaturas de célula de 70–80 °C e cargas de Pt de <1 mgPt/cm² por MEA. Isto é, por exemplo, ilustrado por relatórios da UTC Fuel Cells, onde 0,68 V são obtidos na mesma densidade de corrente (1,0 A/cm²) mesmo à pressão ambiente sob condições semelhantes (temperatura da célula de 65 °C, H2 totalmente umidificado₂/ar em fluxos estequiométricos de 1,25/2,0). Neste último caso, cargas catódicas de Pt bastante baixas de 0,4 mgPt/cm² foram utilizados e as cargas de Pt no ânodo eram provavelmente do mesmo valor ou inferiores (não citado). Embora isto represente um grande progresso no desenvolvimento, a densidade de potência específica de Pt ainda equivale a ca. 0,9–1,2 gPt/kW (assumindo cargas de Pt do ânodo de 0,2–0,4 mgPt/cm², ou seja, cargas totais de 0,6–0,8 mgPt/cm² por MEA), que pode ser suficientemente baixo para aplicações de baixo volume (por exemplo, estacionário, fonte de alimentação ininterrupta, etc.), mas ainda é muito alto para aplicações automotivas, onde menos de 0,4 gPt/kW são necessários para implementação em grande escala .

Principalmente duas abordagens podem ser usadas para reduzir a necessidade de metal Pt em células de combustível de última geração: (i) redução das perdas por transporte de massa, particularmente em altas densidades de corrente, por meios de difusão (DM) melhorados, melhor fluxo de reagentes. campos e estruturas de eletrodos melhoradas e/ou (ii) catalisadores melhorados e utilização de catalisador. A primeira abordagem permitiria aumentar a densidade de corrente da pilha para 1,5–2,0 A/cm² sem penalidade de tensão ou insignificante, reduzindo assim a densidade de potência específica de Pt por um fator de 1,5–2 (ou seja, 0,45–0,6 gPt/kW). Quaisquer reduções adicionais teriam que ser alcançadas através de uma redução da carga de Pt do MEA abaixo dos 0,6-0,8 mgPt/cm2 acima por MEA, o que pode ser feito através da poupança de platina ou da implementação de catalisadores alternativos (por exemplo, cátodo de liga de Pt catalisadores).

O presente trabalho examina detalhadamente o efeito das reduções de carga de platina (ânodo e cátodo) no desempenho da célula de combustível e procura demonstrar o compromisso entre a carga do catalisador Pt e a tensão da célula. Isso será ilustrado por meio de 50 cm² dados de célula única complementados por pilha curta de área totalmente ativa (250 e 500 cm² área ativa, ca. 20 células) medições. Devido à alta atividade catalítica de Pt em relação a H₂ eletro-oxidação (densidades de corrente de troca, i0, da ordem de 10−3 A/cmPt2), mostraremos que existe um grande potencial para reduzir as cargas anódicas de Pt no caso de operação de célula a combustível com H puro₂, embora sejam possíveis reduções muito menores com os atuais catalisadores de ânodo PtRu no caso de operação de célula de combustível com reformado contaminado com CO. Infelizmente, a cinética da reação de redução de oxigênio (ORR) em Pt é aproximadamente seis ordens de grandeza mais lenta que a do H₂ cinética de oxidação (i0 da ordem de 10−9 A/cmPt2 ), e mostraremos que reduções adicionais nas cargas de Pt no cátodo com catalisadores de Pt puros resultam em perdas de tensão bem previsíveis (estas podem, no entanto, ser evitadas implementando sistemas mais avançados Catalisadores catódicos de liga Pt).