Analysis of proton exchange membrane fuel cells operated at Intermediate temperatures (IT: 80—120 °C)
Tid: Ti 2025-05-27 kl 10.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Kemiteknik
Respondent: Martina Butori , Tillämpad elektrokemi
Opponent: Professor Erik Kjeang, Simon Fraser University, Kanada
Handledare: Professor Rakel Wreland Lindström, Tillämpad elektrokemi; Professor Carina Lagergren, Tillämpad elektrokemi; Professor Göran Lindbergh, Tillämpad elektrokemi
QC 20250505
Abstract
Bränsleceller omvandlar energin lagrad i vätgas till elektricitet. Som nollemissionsteknik utgör de ett hållbarare alternativ till konventionella förbränningsmotorer. Vätgasens höga energiinnehåll gör dem särskilt lovande för tunga fordon. I fordon används vanligtvis protonledande membranbränsleceller (PEMFC) med en driftstemperatur runt 80 °C. För att underlätta kylningen av PEMFC, vore det önskvärt att kunna använda den vid en något förhöjd temperatur, från 80 till 120 °C, definierad som en mellantemperatur (IT).
Syftet med avhandlingen är att elektrokemiskt analysera inverkan av IT-drift på kommersiellt tillgängliga PEMFC-material. Resultaten visar att en ökning av temperaturen har flera effekter på cellen: ökad jonledningsförmåga, snabbare reaktionskinetik och minskad masstransportmotstånd motverkas av en negativ förskjutning av jämviktspotentialen, ökad korrosion av katalysatorns bärarkol och försämrade gasbarriäregenskaper hos membranet. Dessutom, om fuktigheten och celltrycket är konstanta, minskar syrepartialtrycket vid högre temperatur, vilket begränsar cellens prestanda. I förlängningen orsakar den förhöjda temperaturen en snabbare nedbrytning av PEMFC som slutligen havererar genom att hål bildas i membranet. Även polymerelektrolytens ledningsförmåga och katalysatorns aktiva yta minskar vid långvarig drift.
Det saknas jämförbara data över 80 °C, men uppenbart är det största hindret för IT-PEMFC bristen på stabila material. Nuvarande polymerelektrolyter för PEMFC är baserade på perfluorsulfonsyra (PFSA), vars miljövänlighet nyligen har ifrågasatts. Alternativa fluorfria kolvätebaserade polymerer som undersökts här visar jämförbara resultat upp till 100 °C, men tolererar inte drift vid 120 °C. Mer forskning behövs för att utveckla hållbara material för att möjliggöra kontinuerlig drift av PEMFC i mellantemperaturintervallet.