تأثير تحميل البلاتين محفز PEM على أداء خلايا الوقود

تأثير تحميل البلاتين لمحفز PEM على أداء خلية الوقود

على مدى العقدين الماضيين، أجريت أبحاث مكثفة حول تطوير خلايا وقود ذات غشاء بوليمري منخفض الحرارة (PEMFC) أدى إلى زيادات كبيرة في أداء الجهد لمجموعات الأقطاب الكهربائية الغشائية (MEAs) . تم إنتاج مكاسب الجهد هذه في المقام الأول من خلال تنفيذ أغشية أرق، تتقدم من 1100 EW الأكثر شيوعًا في الأصل (الوزن المكافئ (gpolymer / molH +)) أغشية Nafion® بسماكة 175 ميكرومتر / 125 ميكرومتر (Nafion 117/115)، إلى 50 Nafion® 112 بسمك ميكرومتر، حتى الوصول إلى أغشية متجانسة رقيقة للغاية (على سبيل المثال، 25 ميكرومتر، 1100 أغشية EW مقذوفة في شكل فلوريد السلفونيل من DuPont ويتم تحللها إلى شكل بروتون بواسطة Ion Power) أو أغشية مركبة PTFE/أيونومر منخفضة EW ( إما من زجاج أساهي (30 ميكرومتر، 910) أو جور (25 ميكرومتر، <1000 EW)) والتي تنتج جهدًا عاليًا للخلايا عند كثافات تيار ≥1 أمبير/سم². رافقت هذه التحسينات في جهد الخلية انخفاضات كبيرة في أحمال البلاتين MEA من الأحمال العالية البالغة 5-10 ملغم / سم² لكل شركة طيران متعددة الأطراف في أوائل التسعينيات <1 ملجم بت / سم² وفقًا لـ MEA في العمل اللاحق، وهو تطور يرجع في المقام الأول إلى استبدال محفزات Pt-black بمحفزات Pt المدعومة بالكربون ذات المساحة السطحية الأعلى، بالإضافة إلى استخدام رابط الأيونومر المشبع بالفلور سلفونيك في طبقات المحفز ذات الأغشية الرقيقة.

بسبب هذه الابتكارات في المواد وتكنولوجيا المعالجة، تنتج خلايا الوقود الحديثة جهدًا كهربائيًا للخلايا يفوق تكنولوجيا MEA الأقدم، حيث تم تحقيق ما يصل إلى 0.60 فولت فقط عند 1.0 أمبير/سم² تحت ظروف الضغط العالي (300 كيلو باسكال) مع ترطيب كامل لـ H₂/ متفاعلات الهواء (تدفقات متكافئة تبلغ 1.5 / 2.0) عند درجات حرارة الخلية من 70 إلى 80 درجة مئوية وتحميل Pt من <1 ملجم بت / سم² لكل طيران الشرق الأوسط. يتم توضيح ذلك، على سبيل المثال، من خلال تقارير UTC Fuel Cells، حيث يتم الحصول على 0.68 فولت بنفس كثافة التيار (1.0 أمبير/سم3).²) حتى عند الضغط المحيط في ظل ظروف مماثلة (درجة حرارة الخلية 65 درجة مئوية، مرطب بالكامل H₂/الهواء عند تدفقات متكافئة تبلغ 1.25/2.0). وفي الحالة الأخيرة، تكون حمولات الكاثود Pt منخفضة إلى حد ما بمقدار 0.4 mgPt/cm² تم استخدامها ومن المحتمل أن تكون عمليات تحميل Pt على الأنود بنفس القيمة أو أقل (لم يتم الاستشهاد بها). في حين أن هذا يمثل تقدمًا كبيرًا في التطوير، إلا أن كثافة الطاقة الخاصة بـ Pt لا تزال تعادل كاليفورنيا. 0.9–1.2 جيجابت/كيلوواط (بافتراض أن الأنود يحمل 0.2–0.4 ملجم بت/سم²، أي إجمالي التحميل 0.6-0.8 ملغم / سم² لكل MEA)، والتي قد تكون منخفضة بما فيه الكفاية للتطبيقات ذات الحجم المنخفض (مثل إمدادات الطاقة الثابتة وغير المنقطعة، وما إلى ذلك)، ولكنها لا تزال مرتفعة للغاية بالنسبة لتطبيقات السيارات، حيث يلزم أقل من 0.4 gPt/kW للتنفيذ على نطاق واسع .

يمكن استخدام نهجين في المقام الأول لتقليل متطلبات معدن Pt في خلايا الوقود الحديثة: (1) تقليل خسائر النقل الجماعي خاصة عند كثافات التيار العالية عن طريق وسائط الانتشار المحسنة (DM)، وتحسين تدفق المواد المتفاعلة. الحقول، وتحسين هياكل القطب و/أو (2) تحسين استخدام المحفزات والمحفزات. سيسمح النهج السابق بزيادة كثافة تيار المكدس إلى 1.5-2.0 أمبير / سم² مع عدم وجود عقوبة جهد كبيرة أو غير مهمة، مما يقلل من كثافة الطاقة الخاصة بـ Pt بعامل 1.5-2 (أي 0.45–0.6 gPt/kW). يجب تحقيق أي تخفيضات إضافية عن طريق تقليل تحميل Pt لـ MEA أقل من 0.6-0.8 mgPt/cm2 لكل MEA، والذي يمكن أن يتم إما عن طريق توفير البلاتين أو تنفيذ محفزات بديلة (مثل كاثود سبيكة Pt). المحفزات).

يدرس العمل الحالي بالتفصيل تأثير تخفيضات تحميل البلاتين (كل من الأنود والكاثود) على أداء خلية الوقود ويسعى إلى إظهار المفاضلة بين تحميل المحفز Pt وجهد الخلية. وسيتم توضيح ذلك عن طريق 50 سم² بيانات خلية واحدة تكملها مجموعة قصيرة كاملة المساحة (250 و 500 سم² المنطقة النشطة، كاليفورنيا. 20 خلية) القياسات. نظرًا للنشاط التحفيزي العالي لـ Pt تجاه H₂ الأكسدة الكهربائية (كثافات تيار التبادل، i0، في حدود 10−3 A/cmPt2)، سنبين أن هناك إمكانية كبيرة لتقليل أحمال الأنود Pt في حالة تشغيل خلية الوقود باستخدام H النقي₂، في حين يمكن تحقيق تخفيضات أقل بكثير باستخدام محفزات الأنود PtRu الحالية في حالة تشغيل خلايا الوقود باستخدام مادة إعادة التشكيل الملوثة بثاني أكسيد الكربون. لسوء الحظ، فإن حركية تفاعل اختزال الأكسجين (ORR) على Pt هي أبطأ بحوالي ستة أوامر من H₂ حركية الأكسدة (i0 في حدود 10−9 A/cmPt2)، وسنبين أن التخفيضات الإضافية في تحميلات Pt الكاثود باستخدام محفزات Pt النقية تؤدي إلى خسائر جهد يمكن التنبؤ بها جيدًا (ومع ذلك، يمكن تجنب ذلك من خلال تنفيذ المزيد من التقدم محفزات الكاثود من سبيكة Pt).