MitHStar – Mitigating H2-starvation effects on PEFC anodes

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502962

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Implementierung von Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFCs) für den Schwerlastverkehr erfordert erhebliche Verbesserungen der Haltbarkeit und Kostensenkungen, die durch eine Verringerung der Pt-Beladung in PEFC-Anoden auf = 20 µgPt·cm-2 erreicht werden können, ohne deren Lebensdauer zu beeinträchtigen. Während die ultraschnelle Kinetik der H2-Oxidationsreaktion auf Pt darauf hindeutet, dass solche extrem niedrigen Pt-Beladungen keine nachteiligen Auswirkungen auf die Leistung der PEFC zu Beginn ihrer Lebensdauer haben sollten, ist ihr Einfluss auf die Haltbarkeit des Geräts noch weitgehend unerforscht. Dies ist besonders kritisch, wenn man die Ereignisse mit starkem H2-Mangel (GHS) berücksichtigt, die eine bestimmte Zelle innerhalb eines PEFC-Stacks beeinträchtigen können und vorübergehende Ausschläge auf sehr hohe Potentiale (> 1,5 V gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode (SHE)) auslösen, die aufgrund der Korrosion des Kohlenstoffträgers des Katalysators zu einer erheblichen Leistungsverschlechterung führen. Vor allem haben vorläufige Experimente am PSI gezeigt, dass GHS für PEFC-Anoden mit = 20 µgPt·cm-2 besonders schädlich ist, da die während dieser Ereignisse erreichten hohen Potentiale nicht sofort nach Wiederherstellung der H2-Versorgung abklingen und somit zu umfangreichen Anodenschäden führen. Aus diesem Grund wird im ersten Teil dieses Projekts detailliert untersucht, wie die Betriebsbedingungen (wie Temperatur oder H2-Druck) und die Anodenkomponenten (z. B. Vorhandensein/Fehlen eines O2-Entwicklungskatalysators) die Dauer dieses Zustands mit hohem Potential und die daraus resultierende Beeinträchtigung der PEFC-Leistung beeinflussen.Anschließend befasst sich der zweite Teil mit der Synthese, der Zellimplementierung und der elektrochemischen Prüfung eines neuartigen C-freien Katalysators vom Typ TiO2-Kern/Pt-Hülle (TiO2@Pt) mit einer Ti-Oxid-Beschichtung, der diesen eingeschlossenen Zustand beseitigen und gleichzeitig die Herstellung von Anoden mit = 20 µgPt·cm-2 ermöglichen soll.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The implementation of polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) for heavy-duty transportation requires significant durability improvements and cost reductions that pass by decreasing the Pt-loading in PEFC-anodes to = 20 µgPt·cm-2 without compromising their service life. While the ultra-fast kinetics of the H2-oxidation reaction on Pt imply that such ultralow Pt-loadings shall not have a detrimental effect on the beginning-of-life PEFC performance, their impact on the device’s durability remains largely un-explored. This is particularly critical when considering the gross H2-starvation (GHS-) events that can affect a given cell within a PEFC-stack, and that trigger temporary excursions to very high potentials (> 1.5 V vs. the standard hydrogen electrode (SHE)) that cause a remarkable performance deteriora-tion due to the corrosion of the catalyst’s carbon support. Most importantly, preliminary experiments at PSI have unveiled that GHS is particularly damaging for PEFC-anodes with = 20 µgPt·cm-2, since the high potentials reached during these events do not decay as soon as the H2-supply is re-established, thus causing extensive anode damage. With this motivation, the first part of this project will study in detail how the operative conditions (like temperature or H2-pressure) and anode components (e.g., presence / absence of an O2-evolution catalyst) affect the duration of this high potential trapped state and its subsequent damage to the PEFC-performance. Subsequently, the second part will deal with the synthesis, cell implementation and electrochemical testing of a novel type of C-free, TiO2-core / Pt-shell (TiO2@Pt) catalyst with a Ti-oxide overcoating that should eradicate this trapped state while al-lowing the manufacture of anodes with = 20 µgPt·cm-2.

Kurzbeschreibung (Französisch)

La mise en œuvre de piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC) pour le transport lourd nécessite des améliorations significatives en termes de durabilité et de réduction des coûts, qui passent par une diminution de la charge en Pt dans les anodes des PEFC à = 20 µgPt·cm-2 sans compromettre leur durée de vie. Si la cinétique ultra-rapide de la réaction d'oxydation de l'hydrogène sur le Pt implique que de telles charges de Pt ultra-faibles ne devraient pas avoir d'effet néfaste sur les performances des PEFC en début de vie, leur impact sur la durabilité des dispositifs reste largement inexploré. Ceci est particulièrement critique lorsque l'on considère les événements de privation brute d'hydrogène (GHS) qui peuvent affecter une cellule donnée dans une pile PEFC et qui déclenchent des excursions temporaires à des potentiels très élevés (> 1,5 V par rapport à l'électrode à hydrogène standard (SHE)), provoquant une détérioration notable des performances due à la corrosion du support en carbone du catalyseur. Plus important encore, des expériences préliminaires menées au PSI ont révélé que le GHS est particulièrement dommageable pour les anodes PEFC avec = 20 µgPt·cm-2, car les potentiels élevés atteints lors de ces événements ne diminuent pas dès que l'approvisionnement en H2 est rétabli, ce qui cause des dommages importants à l'anode. Dans cette optique, la première partie de ce projet étudiera en détail comment les conditions de fonctionnement (telles que la température ou la pression de H2) et les composants de l'anode (par exemple, la présence ou l'absence d'un catalyseur d'évolution d'O2) affectent la durée de cet état de potentiel élevé piégé et les dommages qui en résultent pour les performances de la PEFC.La deuxième partie traitera ensuite de la synthèse, de la mise en œuvre cellulaire et des essais électrochimiques d'un nouveau type de catalyseur sans carbone, à cœur de TiO2 et enveloppe de Pt (TiO2@Pt), recouvert d'une couche d'oxyde de titane qui devrait éliminer cet état piégé tout en permettant la fabrication d'anodes avec = 20 µgPt·cm-2.