PEM 촉매 백금 로딩이 연료 전지 성능에 미치는 영향

PEM 촉매 백금 로딩이 연료 전지 성능에 미치는 영향

지난 20년 동안 개발에 대한 광범위한 연구가 진행되었습니다. 저온 고분자 전해질막 연료전지 (PEMFC)는 막 전극 조립체(MEA)의 전압 성능을 크게 향상시켰습니다. 이러한 전압 이득은 원래 가장 일반적인 1100 EW(등가 중량(gpolymer/molH+)) Nafion® 멤브레인(두께 175μm/125μm(Nafion 117/115))에서 50EW(등가 중량(gpolymer/molH+)) 멤브레인으로 발전하면서 더 얇은 멤브레인을 구현함으로써 주로 생성되었습니다. μm 두께의 Nafion® 112, 초박형 균질막(예: DuPont의 설포닐플루오라이드 형태로 압출되고 Ion Power에 의해 양성자 형태로 가수분해된 25μm, 1100 EW 멤브레인) 또는 저EW PTFE/이오노머 복합 멤브레인(예: 25μm, 1100 EW 멤브레인)까지 Asahi Glass(30μm, 910) 또는 Gore(25μm, <1000 EW )) 전류 밀도 ≥1 A/cm에서 높은 셀 전압을 생성합니다.². 이러한 셀 전압 개선은 5~10 mgPt/cm의 높은 로딩에서 MEA 백금 로딩의 상당한 감소를 동반했습니다.² 1990년대 초 MEA당 <1mgPt/cm² 이후 연구의 MEA에 따르면, 이는 주로 Pt-블랙 촉매를 더 높은 표면적의 탄소 지지 Pt 촉매로 대체하고 박막 촉매층에 퍼플루오로술폰산-이오노머 바인더를 사용함으로써 개발되었습니다.

재료 및 가공 기술의 이러한 혁신으로 인해 최첨단 연료 전지는 1.0A/cm에서 최대 0.60V만 달성되었던 기존 MEA 기술을 능가하는 전지 전압을 생성합니다.² 완전히 가습된 H가 있는 고압 조건(300kPaabs)에서₂/공기 반응물(화학양론적 흐름 1.5/2.0), 셀 온도 70~80°C 및 Pt 부하 <1mgPt/cm² MEA 당. 예를 들어, 이는 동일한 전류 밀도(1.0A/cm2)에서 0.68V가 얻어지는 UTC Fuel Cells의 보고서에 나와 있습니다.²) 유사한 조건(65°C 셀 온도, 완전히 가습된 H) 하의 주변 압력에서도 마찬가지입니다.₂/공기(화학량론적 흐름 1.25/2.0) . 후자의 경우, 0.4 mgPt/cm의 다소 낮은 Pt 음극 로딩² 사용되었으며 양극의 Pt 로딩은 아마도 동일한 값이거나 더 낮았습니다(인용되지 않음). 이는 주요 개발 진행을 나타내지만 Pt 특정 전력 밀도는 여전히 ca. 0.9~1.2gPt/kW(양극 Pt 부하가 0.2~0.4mgPt/cm라고 가정)²즉, 총 로딩량은 0.6–0.8 mgPt/cm입니다.² MEA당) 이는 소량 애플리케이션(예: 고정식, 무정전 전원 공급 장치 등)에는 충분히 낮을 수 있지만 대규모 구현에 0.4gPt/kW 미만이 필요한 자동차 애플리케이션에는 여전히 너무 높습니다. .

최첨단 연료 전지에서 Pt 금속 요구 사항을 줄이기 위해 기본적으로 두 가지 접근 방식이 사용될 수 있습니다. 분야, 개선된 전극 구조 및/또는 (ii) 개선된 촉매 및 촉매 활용. 전자의 접근 방식을 사용하면 스택 전류 밀도를 1.5~2.0A/cm로 높일 수 있습니다.² 전압 패널티가 없거나 미미한 수준이므로 Pt별 전력 밀도가 1.5~2배(즉, 0.45~0.6gPt/kW) 감소합니다. 추가 감소는 MEA당 0.6~0.8 mgPt/cm2 미만으로 MEA의 Pt 로딩을 감소시킴으로써 달성되어야 하며, 이는 백금 절약 또는 대체 촉매(예: Pt 합금 음극)의 구현을 통해 수행될 수 있습니다. 촉매).

본 연구에서는 백금 로딩 감소(양극과 음극 모두)가 연료 전지 성능에 미치는 영향을 자세히 조사하고 Pt 촉매 로딩과 전지 전압 간의 균형을 입증하려고 합니다. 50cm 단위로 설명하겠습니다.² 전체 활성 영역 짧은 스택(250cm 및 500cm)으로 보완된 단일 셀 데이터² 활성 영역, ca. 20셀) 측정. H에 대한 Pt의 높은 촉매 활성으로 인해₂ 전기 산화(교환 전류 밀도, i0, 10-3 A/cmPt2 정도)를 통해 순수한 H를 사용한 연료 전지 작동의 경우 Pt 양극 로딩을 줄일 수 있는 큰 잠재력이 있음을 보여줄 것입니다.₂CO로 오염된 개질유를 사용하는 연료 전지 작동의 경우 현재 PtRu-양극 촉매를 사용하면 훨씬 적은 감소를 달성할 수 있습니다. 불행하게도 Pt의 산소 환원 반응(ORR) 동역학은 H보다 약 6배 정도 느립니다.₂ 산화 동역학(10-9 A/cmPt2 정도의 i0), 순수한 Pt 촉매를 사용한 음극 Pt 로딩의 추가 감소로 인해 예측 가능한 전압 손실이 발생한다는 것을 보여줄 것입니다(그러나 이는 보다 진보된 구현을 통해 피할 수 있음) Pt-합금 캐소드 촉매).