Brændselsceller:Oxidationsprocesser af fosforsyre afsløret af ømme røntgenstråler

Interaktionerne mellem phosphorsyre og platinkatalysatoren i højtemperatur PEM-brændselsceller er mere komplekse end tidligere antaget. Eksperimenter på BESSY II med ømme røntgenstråler har afkodet de mange oxidationsprocesser ved platin-elektrolyt-grænsefladen. Resultaterne indikerer, at variationer i luftfugtighed kan påvirke nogle af disse processer for at øge levetiden og effektiviteten af ​​brændselsceller.

Værket er offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Brintbrændselsceller omdanner kemisk energi fra brint til elektrisk energi gennem separate reaktioner af brintbrændstoffer og oxidationsmidler (ilt). Blandt brintbrændselsceller er højtemperatur-polymerelektrolytmembranbrændselsceller (HT-PEMFC'er) attraktive for mikrostationære elektricitetskilder. En ulempe ved disse HT-PEMFC'er er, at phosphorsyren (H₃ PO₄ ) protonleder siver ud af H₃ PO₄ -doteret polybenzimidazolmembran og forgifter platinkatalysatoren.

Nylige undersøgelser viser yderligere komplikationer under driften af ​​HT-PEMFC, hvor nogle af H₃ PO₄ kan reduceres til H₃ PO₃ , hvilket yderligere kan forgifte platinkatalysatorerne, hvilket fører til et betydeligt tab af ydeevne.

En tidligere undersøgelse foretaget af Prof. Dr. Marcus Bärs team viste, at modsatte processer også finder sted ved grænsefladen mellem Pt og vandigt H₃ PO₃ og at interaktionerne mellem platinkatalysatoren og H₃ PO₃ /H₃ PO₄ er meget komplekse:Mens H₃ PO₃ kan føre til forgiftning af platinkatalysatoren, samtidig kan platin katalysere oxidationen af ​​H₃ PO₃ tilbage til H₃ PO₄ .

Eksperimenter under realistiske forhold

For at undersøge oxidationsadfærden af ​​vandigt H₃ PO₃ under forhold tæt på HT-PEMFCs arbejdsforhold har Bärs team nu analyseret de kemiske processer ved hjælp af en internt designet opvarmelig elektrokemisk celle, der er kompatibel til in situ røntgenundersøgelser ved OÆSE-slutstationen, der for nylig blev oprettet i Energy Materials In -situ Laboratory Berlin (EMIL).

De brugte intenst røntgenlys i det ømme røntgenenergiområde (2 keV–5 keV), leveret af EMIL-strålelinjen ved røntgenkilden BESSY II. I dette energiområde bruges X-ray absorption near-edge structure spectroscopy (XANES) ved P K-kanten til at overvåge oxidationsprocesser fra H₃ PO₃ til H₃ PO₄ .

Forskellige oxidationsreaktioner undersøgt

"Vi har således afdækket forskellige processer for denne oxidationsreaktion, herunder platinkatalyseret kemisk oxidation, elektrokemisk oxidation under positiv potentialforspænding ved platinelektroden og varmebefordret oxidation. Disse in situ spektroskopiske resultater bekræftes også af ionbytterkromatografi og in situ elektrokemiske karakteriseringer," forklarer Enggar Wibowo, førsteforfatter af undersøgelsen og en ph.d. kandidat i Bärs hold.

"Bemærkelsesværdigt nok involverer alle disse oxidationsveje reaktioner med vand, hvilket viser, at fugtigheden inde i brændselscellen har en væsentlig indflydelse på disse processer."

Derudover peger resultaterne også på mulige forbedringer af driftsforholdene for HT-PEM brændselsceller, f.eks. ved at styre befugtningen for at oxidere H₃ PO₃ tilbage til H₃ PO₄ .

"Tilsvarende justeringer af driftsbetingelserne for HT-PEMFC'er kunne implementeres for at forhindre katalysatorforgiftning med H₃ PO₃ og forbedre effektiviteten af ​​disse brændselsceller," påpeger Wibowo.

"Værket tydeliggør en central nedbrydningsvej for brændselsceller og er et bidrag på vejen til en H₂ -baseret energiforsyning," siger prof. Dr.-Ing. Marcus Bär. "Det viser også den store fordel ved ømme røntgenstråler, og vi ser frem til BESSY III, som har til formål at lukke det ømme røntgengab ."

Flere oplysninger: Romualdus Enggar Wibowo et al., Belysning af den komplekse oxidationsadfærd af vandig H3PO3 på Pt-elektroder via In Situ Tender X-ray Absorption Near-Edge Structure Spectroscopy at P K-Edge, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12381

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres