Effet de la charge de platine du catalyseur PEM sur les performances des piles à combustible

Effet de la charge de platine du catalyseur PEM sur les performances des piles à combustible

Au cours des deux dernières décennies, des recherches approfondies sur le développement de piles à combustible à membrane polymère-électrolyte basse température (PEMFC) a entraîné une augmentation significative des performances en tension des assemblages membrane-électrodes (MEA). Ces gains de tension ont été principalement produits par la mise en œuvre de membranes plus fines, passant des membranes Nafion® 1100 EW (poids équivalent (gpolymère/molH+)) les plus courantes à l'origine avec une épaisseur de 175 μm/125 μm (Nafion 117/115), à 50 Nafion® 112 d'épaisseur μm, jusqu'à des membranes homogènes ultra-minces (par exemple 25 μm, 1100 membranes EW extrudées sous forme de fluorure de sulfonyle de DuPont et hydrolysées en forme de proton par Ion Power) ou des membranes composites PTFE/ionomère à EW inférieure ( soit d'Asahi Glass (30 μm, 910 ) ou de Gore (25 μm, <1000 EW )) qui produisent des tensions de cellule élevées à des densités de courant ≥1 A/cm². Ces améliorations de la tension cellulaire se sont accompagnées de réductions significatives des charges de platine MEA par rapport aux charges élevées de 5 à 10 mgPt/cm.² par MEA au début des années 1990 pour <1 mgPt/cm² selon MEA dans des travaux ultérieurs, un développement qui était principalement dû à la substitution des catalyseurs Pt-noir par des catalyseurs Pt supportés sur carbone à plus grande surface ainsi qu'à l'utilisation de liant perfluorosulfonique-ionomère dans des couches de catalyseur en couche mince.

Grâce à ces innovations dans les matériaux et la technologie de traitement, les piles à combustible de pointe produisent des tensions de pile qui dépassent l'ancienne technologie MEA, où seulement jusqu'à 0,60 V étaient atteints à 1,0 A/cm.² dans des conditions de haute pression (300 kPaabs) avec H entièrement humidifié₂/réactifs air (flux stoechiométriques de 1,5/2,0) à des températures de cellule de 70 à 80 °C et des charges de Pt de <1 mgPt/cm² par MEA. Ceci est, par exemple, illustré par les rapports d'UTC Fuel Cells, où 0,68 V sont obtenus à la même densité de courant (1,0 A/cm²) même à pression ambiante dans des conditions par ailleurs similaires (température de cellule de 65 °C, H entièrement humidifié₂/air à des débits stœchiométriques de 1,25/2,0) . Dans ce dernier cas, des charges cathodiques Pt plutôt faibles de 0,4 mgPt/cm² ont été utilisés et les charges de Pt sur l'anode étaient probablement de la même valeur ou inférieures (non citées). Bien que cela représente un progrès de développement majeur, la densité de puissance spécifique au platine équivaut toujours à env. 0,9 à 1,2 gPt/kW (en supposant des charges de Pt anodiques de 0,2 à 0,4 mgPt/cm², soit des charges totales de 0,6 à 0,8 mgPt/cm² selon MEA), qui peut être suffisamment faible pour les applications à faible volume (par exemple, alimentation électrique stationnaire, sans interruption, etc.), mais reste trop élevée pour les applications automobiles, où moins de 0,4 gPt/kW sont nécessaires pour une mise en œuvre à grande échelle .

Principalement, deux approches peuvent être utilisées pour réduire les besoins en platine métallique dans les piles à combustible de pointe : (i) la réduction des pertes de transport de masse, en particulier à des densités de courant élevées, grâce à un milieu de diffusion (DM) amélioré, un débit de réactif amélioré. domaines, et des structures d'électrodes améliorées et/ou (ii) des catalyseurs améliorés et une utilisation améliorée des catalyseurs. La première approche permettrait d'augmenter la densité de courant de pile à 1,5–2,0 A/cm² sans pénalité de tension ou insignifiante, réduisant ainsi la densité de puissance spécifique au platine d'un facteur de 1,5 à 2 (c'est-à-dire 0,45 à 0,6 gPt/kW). Toute réduction supplémentaire devrait être obtenue par une réduction de la charge en Pt du MEA en dessous des 0,6 à 0,8 mgPt/cm2 par MEA ci-dessus, ce qui peut être réalisé soit via une économie de platine, soit par la mise en œuvre de catalyseurs alternatifs (par exemple cathode en alliage de platine). catalyseurs).

Le présent travail examine en détail l'effet des réductions de charge en platine (anode et cathode) sur les performances des piles à combustible et cherche à démontrer le compromis entre la charge du catalyseur au platine et la tension de la pile. Ceci sera illustré au moyen de 50 cm² données monocellulaires complétées par une pile courte à zone active complète (250 et 500 cm² zone active, env. 20 cellules) mesures. En raison de la forte activité catalytique du Pt envers H₂ électro-oxydation (densités de courant d'échange, i0, de l'ordre de 10−3 A/cmPt2), nous montrerons qu'il existe un potentiel important de réduction des charges anodiques en Pt dans le cas d'un fonctionnement de pile à combustible avec H pur₂, alors que des réductions bien moindres sont réalisables avec les catalyseurs actuels à anode PtRu dans le cas d'un fonctionnement de pile à combustible avec un reformat contaminé au CO. Malheureusement, la cinétique de la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) sur Pt est environ six ordres de grandeur plus lente que celle de H.₂ cinétique d'oxydation (i0 de l'ordre de 10−9 A/cmPt2 ), et nous montrerons que des réductions supplémentaires des charges de Pt dans la cathode avec des catalyseurs au Pt pur entraînent des pertes de tension bien prévisibles (celles-ci peuvent cependant être évitées en mettant en œuvre des méthodes plus avancées). Catalyseurs cathodiques en alliage de platine).