Forlænger levetiden for polymerelektrolytbrændselsceller med en nanodisperseret ionomer

Protoner (subatomære partikler) kan overføres fra anoden til katoden gennem ionomermembranen i polymerelektrolytbrændselsceller (PEFC). Forskere kan udvide protonveje ved at imprægnere ionomeren (type polymer) i elektroderne for at opnå forbedret protonoverførselseffektivitet. Da den imprægnerede ionomer mekanisk kan binde katalysatorer inde i elektroden, de er kendt som et bindemiddel. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Chi-Yeong Ahn og et forskerhold introducerede en simpel tilgang til at bruge en superkritisk væske og forberede en homogen dispersion af bindemiddel i nanoskala i vandig alkohol. Præparatet viste høj dispersionskarakter, krystallinitet og protonkonduktivitet til høj ydeevne og holdbare applikationer i en PEFC katodeelektrode.

Polymerelektrolytbrændselsceller (PEFC'er) er elektrokemiske enheder, der effektivt kan omdanne kemisk energi fra brændstoffet direkte til elektrisk energi. PEFC'erne er i høj grad påvirket af nøglekomponenter, herunder polymerelektrolytmembraner, katalysatorer og perfluorerede sulfonsyre (PFSA) ionomerer. Redoxreaktioner, der forekommer i en PEFC, forekommer hovedsageligt ved elektrodegrænsefladen kendt som triple phase boundary (TPB), hvor reaktantgasserne (H) ₂ ved anoden og O ₂ ved katoden) kan komme i kontakt med platin (Pt) katalysatorpartikler, på elektronledende kulstofmaterialer (deraf den tredobbelte fase). I denne undersøgelse, Ahn et al. beskrev en ionomer-dispersion med en gennemsnitlig kolloid partikelstørrelse, der er meget mindre end kommercielt tilgængelige dispersioner ved at behandle en Nafion 117-membran med alifatisk alkohol under superkritiske betingelser. Nafion membranen, et varemærke for en perfluoreret sulfonsyre (PFSA) membran introduceret af E. I. du Pont de Nemours and Company i 1960'erne, kan adskille anode- og katoderummet i protonudvekslingsmembranbrændselsceller og i vandelektrolysatorer.

Superkritiske væsker (SCF'er) bruges i vid udstrækning i industrien og forskning til syntetisering af speciel medicin, polymerer og nanomaterialer, med yderligere applikationer til at forberede materialer til elektrokemiske undersøgelser. Imidlertid, Forskere er stadig til at undersøge effektiviteten af ​​supersure perfluorerede sulfonsyre (PFSA) ionomerer som elektrodebindere. For at opnå dette, Ahn et al. først opnået laboratoriefremstillet ionomerdispersion ved behandling af en kommercielt tilgængelig Nafion-membran i et vandigt medium af isopropylalkohol (IPA) i superkritisk væsketilstand (SCF). Derefter ved hjælp af dynamisk lysspredningsanalyse, forskerne observerede ionomerpartikelfordelinger med størrelser mindre end 100 nm og kaldte den laboratoriefremstillede dispersion for en 'nanodispersion' (ND). ND gennemgik en faseovergang fra en vandig dispersion til et fast stof, til brug som katodebindemiddel. Ved hjælp af røntgendiffraktion (XRD) analyse opnåede de krystalliniteterne af ND og viste dem som semi-krystallinske kæder pakket ensartet med forbedret regelmæssighed, sammenlignet med Nafion D521 brugt i andre PEFC-systemer. ND's forbedrede protonkonduktivitet indebar lavere modstand; forudsige et højt ydeevneniveau af membran-elektrode-samlingen (MEA) til enkeltcelledrift.

Ahn et al. karakteriseret (testet) ionomer-dispersionen fremstillet med SCF, ved hjælp af scanningselektronmikroskopi til at observere topografien og kviksølvintrusionsporosimetri (MIP) til at måle porøsiteter. De observerede en relativt ensartet overflade af ND'en på MEA-overfladen (membran-elektrodesamling); ND-ionomeren var godt dispergeret på Pt/C-katalysatoren i blækopslæmningen for at fremstille MEA til at begynde med. Baseret på katalysatorens morfologier og porestørrelsesfordeling, ND havde bedre ionomerdispergerbarhed til brændstofbrug i membran-elektrodesamlingen.

Bindemiddelindholdet til elektrodeformulering var vigtigt som en af ​​de komponenter, der bestemte triple phase boundary (TPB). Forskerne indstillede ionomerforholdet i elektroderne, hver gang en af ​​elektrodekomponenterne blev ændret. For at forstå ydeevnen af ​​ionomerer, de opdagede den elektrokemiske ydeevne af MEA'er ved hjælp af katoder med 30 vægtprocent D521 (MEA-0) vs. 10, 20, og 30 vægtprocent ND (MEA-10, MEA-20 og MEA-30). MEA-præstationerne steg med ionomerindholdet. De bestemte en passende mængde ionomer til MEA-fremstilling og besluttede sig for MEA-20, som udviste den højeste ydeevne i en atmosfære af ilt. Når de målte elektrokemisk ydelse af MEA'er i luft, brændselscellens ydeevne faldt på grund af tilstedeværelsen af ​​inert nitrogen og reducerede koncentrationer af oxygen.

For at forstå enkeltcelles ydeevne og elektrokemisk holdbarhed, holdet udvalgte to prøver (MEA-0 og MEA-20) og udførte den accelererede stresstest (AST). De udførte AST ved hjælp af en belastningscyklusmetode, hvilket forårsagede alvorlig nedbrydning af katodeelektroden. Graden af ​​elektrokemisk nedbrydning afhang af typen af ​​ionomer anvendt i katoden. For eksempel, MEA-20 (ND ionomer) fastholdt sin elektrokemiske ydeevne på 3,33 procent i nærvær af ilt, og dens elektrokemiske holdbarhed steg omkring seks gange mere end MEA-0, i forhold til strømtætheden.

Selv efter de accelererede stresstests (AST), strømtætheden for MEA-20 var højere end den oprindelige strømtæthed for MEA-0. Katalysatornedbrydningen var derfor alvorlig i MEA-0, men knap mærkbar i MEA-20. Ahn et al. krediterede den høje molekylvægt og forbedrede krystallinitet af den bestanddelige ionomer for at retfærdiggøre den forbedrede elektrokemiske tolerance for ND -elektroden, hvilket bidrog til at forhindre katalysatornedbrydning. De udførte transmissionselektronmikroskopi (TEM) for at bekræfte fysiske ændringer i elektroden efter AST og noterede mindre katalysatornedbrydning i ND-elektroden. Den ekstremt forbedrede elektrokemiske holdbarhed skyldtes forbedret mekanisk styrke baseret på den høje molekylvægt og forbedrede krystallinske karakter af ND, som var sværere at vaske væk under PEFC-funktion.

På denne måde Chi-Yeong Ahn og kolleger demonstrerede fremstilling og karakterisering af ND-ionomer indeholdende en gennemsnitlig partikelstørrelse mindre end D521-ionomer (som havde en identisk kemisk arkitektur og ækvivalent vægt). De bekræftede den elektrokemiske effektivitet af ND som et katodebindemateriale og observerede unikke morfologier for ND-ionomer opnået fra SCF-processen (Superkritisk væske). Disse morfologier svarede til forbedret protonledningsevne og enkeltcelleydelser - som følge af en effektiv protontransportvej. Det højere krystallinske indhold og molekylvægten af ​​ND forbedrede den mekaniske styrke og forbedrede MEA-levetiden med en faktor på seks ved en strømtæthed på 0,6 V. Resultaterne viste forbedret ydeevne og holdbarhed af PEFC-elektroder. Forskerholdet forventer, at elektroden yderligere vil forbedre ydeevnen og holdbarheden ved påføring af den nydannede ionomer med en højtydende katalysator i en polymerelektrolytbrændselscelle.

© 2020 Science X Network