Efecto de la carga de platino del catalizador PEM sobre el rendimiento de la pila de combustible

Efecto de la carga de platino del catalizador PEM sobre el rendimiento de la pila de combustible

Durante las últimas dos décadas, una extensa investigación sobre el desarrollo de pilas de combustible de membrana polimérica y electrolítica de baja temperatura (PEMFC) dio como resultado aumentos significativos en el rendimiento de voltaje de los conjuntos de electrodos de membrana (MEA). Estas ganancias de voltaje se produjeron principalmente mediante la implementación de membranas más delgadas, pasando de las membranas Nafion® originalmente más comunes de 1100 EW (peso equivalente (gpolímero/molH+)) con un espesor de 175 μm/125 μm (Nafion 117/115), a 50 Nafion® 112 de μm de espesor, hasta membranas homogéneas ultrafinas (por ejemplo, membranas de 25 μm, 1100 EW extruidas en forma de fluoruro de sulfonilo de DuPont e hidrolizadas a forma de protón por Ion Power) o membranas compuestas de PTFE/ionómero de bajo EW ( ya sea de Asahi Glass (30 μm, 910) o Gore (25 μm, <1000 EW )) que producen altos voltajes de celda con densidades de corriente ≥1 A/cm². Estas mejoras en el voltaje de la celda estuvieron acompañadas de reducciones significativas en las cargas de platino MEA desde las cargas altas de 5 a 10 mgPt/cm² según MEA a principios de la década de 1990 para <1 mgPt/cm² según MEA en un trabajo posterior, un desarrollo que se debió principalmente a la sustitución de catalizadores de Pt-negro con catalizadores de Pt soportados en carbono de mayor área superficial, así como al uso de un aglutinante de ionómero perfluorosulfónico en capas de catalizador de película delgada.

Debido a estas innovaciones en materiales y tecnología de procesamiento, las celdas de combustible de última generación producen voltajes de celda que superan la tecnología MEA más antigua, donde solo se alcanzaban hasta 0,60 V a 1,0 A/cm.² en condiciones de alta presión (300 kPaabs) con H completamente humidificado₂/reactivos de aire (flujos estequiométricos de 1,5/2,0) a temperaturas de celda de 70–80 °C y cargas de Pt de <1 mgPt/cm² por MEA. Esto se ilustra, por ejemplo, en los informes de UTC Fuel Cells, donde se obtienen 0,68 V con la misma densidad de corriente (1,0 A/cm²) incluso a presión ambiente en condiciones similares (temperatura de la celda de 65 °C, H completamente humidificado)₂/aire a flujos estequiométricos de 1,25/2,0). En el último caso, se utilizan cargas catódicas de Pt bastante bajas, de 0,4 mgPt/cm.² Se utilizaron y las cargas de Pt en el ánodo probablemente fueron del mismo valor o inferiores (no citado). Si bien esto representa un importante avance en el desarrollo, la densidad de potencia específica del Pt sigue siendo de aprox. 0,9–1,2 gPt/kW (suponiendo cargas de Pt en el ánodo de 0,2–0,4 mgPt/cm², es decir, cargas totales de 0,6 a 0,8 mgPt/cm² según MEA), que puede ser suficientemente bajo para aplicaciones de bajo volumen (por ejemplo, suministro de energía estacionario, ininterrumpido, etc.), pero aún es demasiado alto para aplicaciones automotrices, donde se requieren menos de 0,4 gPt/kW para la implementación a gran escala. .

Se pueden utilizar principalmente dos enfoques para reducir el requisito de metal Pt en pilas de combustible de última generación: (i) reducción de las pérdidas por transporte de masa, particularmente a altas densidades de corriente, mediante medios de difusión (DM) mejorados, flujo de reactivo mejorado campos, y estructuras de electrodos mejoradas y/o (ii) catalizadores mejorados y utilización de catalizadores. El primer enfoque permitiría aumentar la densidad de corriente de la pila a 1,5-2,0 A/cm² con una penalización de voltaje nula o insignificante, reduciendo así la densidad de potencia específica de Pt en un factor de 1,5 a 2 (es decir, 0,45 a 0,6 gPt/kW). Cualquier reducción adicional tendría que lograrse mediante una reducción de la carga de Pt del MEA por debajo de los 0,6 a 0,8 mgPt/cm2 por MEA, lo que puede hacerse mediante ahorro de platino o la implementación de catalizadores alternativos (por ejemplo, cátodos de aleación de Pt). catalizadores).

El presente trabajo examina en detalle el efecto de las reducciones de carga de platino (tanto en el ánodo como en el cátodo) sobre el rendimiento de la celda de combustible y busca demostrar el equilibrio entre la carga del catalizador de Pt y el voltaje de la celda. Esto se ilustrará mediante 50 cm.² datos de una sola celda complementados con una pila corta de área activa completa (250 y 500 cm² área activa, ca. 20 celdas) mediciones. Debido a la alta actividad catalítica del Pt hacia H₂ electrooxidación (densidades de corriente de intercambio, i0, del orden de 10−3 A/cmPt2), mostraremos que existe un gran potencial para reducir las cargas del ánodo de Pt en el caso de la operación de celda de combustible con H puro.₂, mientras que con los actuales catalizadores de ánodo de PtRu se pueden lograr reducciones mucho menores en el caso del funcionamiento de pilas de combustible con reformado contaminado con CO. Desafortunadamente, la cinética de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en Pt es aproximadamente seis órdenes de magnitud más lenta que la de H.₂ cinética de oxidación (i0 del orden de 10−9 A/cmPt2), y mostraremos que reducciones adicionales en las cargas de Pt del cátodo con catalizadores de Pt puro dan como resultado pérdidas de voltaje bien predecibles (sin embargo, estas pueden evitarse implementando métodos más avanzados). Catalizadores catódicos de aleación de Pt).