Interaktionerna mellan fosforsyra och platinakatalysatorn i PEM-bränsleceller med hög temperatur är mer komplexa än vad som tidigare antagits. Experiment på BESSY II med ömma röntgenstrålar har avkodat de multipla oxidationsprocesserna vid platina-elektrolytgränssnittet. Resultaten indikerar att variationer i luftfuktighet kan påverka vissa av dessa processer för att öka bränslecellernas livslängd och effektivitet.
Verket publiceras i Journal of the American Chemical Society .
Vätebränsleceller omvandlar kemisk energi från väte till elektrisk energi genom separata reaktioner av vätebränslen och oxidationsmedel (syre). Bland vätebränsleceller är högtemperaturpolymerelektrolytmembranbränsleceller (HT-PEMFC) attraktiva för mikrostationära elkällor. En nackdel med dessa HT-PEMFC är att fosforsyran (H3 PO4 ) protonledare läcker ut ur H3 PO4 -dopat polybensimidazolmembran och förgiftar platinakatalysatorn.
Nyligen genomförda studier visar på ytterligare komplikationer under driften av HT-PEMFC, där några av H3 PO4 kan reduceras till H3 PO3 , vilket ytterligare kan förgifta platinakatalysatorerna, vilket leder till en betydande prestandaförlust.
En tidigare studie av Prof. Dr. Marcus Bärs team visade att motsatta processer också äger rum i gränssnittet mellan Pt och vattenhaltig H3 PO3 och att interaktionerna mellan platinakatalysatorn och H3 PO3 /H3 PO4 är mycket komplexa:Medan H3 PO3 kan leda till förgiftning av platinakatalysatorn, samtidigt kan platina katalysera oxidationen av H3 PO3 tillbaka till H3 PO4 .
För att undersöka oxidationsbeteendet hos vattenhaltig H3 PO3 under förhållanden nära HT-PEMFC:s arbetsförhållanden har Bärs team nu analyserat de kemiska processerna med hjälp av en intern designad uppvärmningsbar elektrokemisk cell som är kompatibel för in situ anbudsröntgenstudier vid OÆSE-ändstationen som nyligen inrättades i Energy Materials In -situ Laboratory Berlin (EMIL).
De använde intensivt röntgenljus i det ömma röntgenenergiområdet (2 keV–5 keV), som tillhandahålls av EMIL-strållinjen vid röntgenkällan BESSY II. I detta energiområde används röntgenabsorptionsnära-kantstrukturspektroskopi (XANES) vid P K-kanten för att övervaka oxidationsprocesser från H3 PO3 till H3 PO4 .
"Vi har således upptäckt olika processer för denna oxidationsreaktion, inklusive platinakatalyserad kemisk oxidation, elektrokemisk oxidation under positiv potentialförspänning vid platinaelektroden och värmebefrämjad oxidation. Dessa in situ spektroskopiska resultat bekräftas också av jonbyteskromatografi och in situ elektrokemiska karakteriseringar", förklarar Enggar Wibowo, första författare till studien och en Ph.D. kandidat i Bärs lag.
"Anmärkningsvärt nog involverar alla dessa oxidationsvägar reaktioner med vatten, vilket visar att fuktigheten inuti bränslecellen har en betydande inverkan på dessa processer."
Dessutom pekar resultaten också på möjliga förbättringar av driftsförhållandena för HT-PEM-bränsleceller, t.ex. genom att kontrollera befuktningen för att oxidera H3 PO3 tillbaka till H3 PO4 .
"Motsvarande justeringar av driftsförhållandena för HT-PEMFC kan implementeras för att förhindra katalysatorförgiftning av H3 PO3 och förbättra effektiviteten hos dessa bränsleceller," påpekar Wibowo.
"Arbetet klargör en viktig nedbrytningsväg för bränsleceller och är ett bidrag på vägen till en H2 -baserad energiförsörjning", säger Prof. Dr.-Ing. Marcus Bär. "Det visar också den stora nyttan med öm röntgenstrålning, och vi ser fram emot BESSY III, som syftar till att täppa till det ömma röntgengapet ."
Mer information: Romualdus Enggar Wibowo et al., Belysande av det komplexa oxidationsbeteendet för vattenhaltig H3PO3 på Pt-elektroder via in situ öm röntgenabsorptionsnära-kantstrukturspektroskopi vid P K-Edge, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12381
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
