Electrochemical characterization of materials for next generation polymer electrolyte fuel cells
Tid: Fr 2024-01-26 kl 10.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/meeting/register/u5wlcOGuqTwiGNXzKR_gDsNo2rokLVn_pyFk
Språk: Engelska
Ämnesområde: Kemiteknik
Respondent: Timon Novalin , Tillämpad elektrokemi
Opponent: Professor Gareth Hinds, National Physical Laboratory, United Kingdom
Handledare: Professor Rakel Wreland Lindström, Tillämpad elektrokemi; Professor Göran Lindbergh, Tillämpad elektrokemi; Professor Carina Lagergren, Tillämpad elektrokemi
QC 20231218
Abstract
Bränsleceller med polymerelektrolyt har en avgörande roll för implementering av vätgasekonomin globalt. Faktorer som kostnad, tillgänglighet och miljöpåverkan av material som för närvarande används i moderna bränsleceller är dock ett bekymmer. Platina och platinagruppmetaller är dyra och sällsynt förekommande. Den dominerande jonledande polymeren NafionTM och liknande perfluorsulfonsyra-baserade polymerer är krävande att syntetisera och svårnedbrytbara i naturen. Bipolära plattor av grafit och kolkomposit är olämpliga för massproduktion och har låg återvinningspotential. I avhandlingens sammanställda arbeten utvärderades alternativa material både för de sura (PEMFC) och de alkaliska (AEMFC) varianterna av polymerelektrolytbränsleceller. Elektrokemisk karakterisering med polarisations- och impedansmätningar genomfördes i enkelceller för att studera begränsningarna vad gäller laddningsöverföring samt ohmska och transportrelaterade förluster i cellen.
Kolbelagda bipolära plattor av rostfritt stål undersöktes in operando i en PEMFC under realistiska förhållanden baserade på en standardiserad europeisk driftcykel. Spår av metalljoner i cellkomponenterna observerades efter test och kopplades till metallupplösning från defekter orsakade vid tillverkningen (Paper I). Upplösningen visade sig bero på potentialgradienter som uppstod vid förändringar i gassammansättningen och kunde undvikas med bättre reglerade flöden (Paper II). Tre typer av rostfritt stål utan kolbeläggning jämfördes i operando PEMFC med belagda bipolära plattor Inte i något av fallen påvisades någon metalljonupplösning(Paper III).
Anjonbytarpolymerer baserade på poly(arylenpiperidinium) (PAP) undersöktes både som membran och jonomer. I en jämförande studie med ett kommersiellt Aemion-material visade PAP högre prestanda. Vidare visade studien att interaktionen mellan jonomer och bärarkol hade betydelse för prestandan (Paper IV). PAP-baserade jonomerer med varierande jonbyteskapacitet studerades för att optimera elektroder i AEMFC. En kombination med jonomer med hög jonbyteskapacitet på både katod och anod var bäst, och kopplad till litet vattentransportmotstånd i katoden och ökat kinetiskt bidrag från anodreaktionen (Paper V). Effekterna av att modifiera katalysatorskiktet genom införandet av tvärbundna PAP-partiklar studerades i operando AEMFCs. En positiv inverkan på laddningsöverföring och diffusionsmotstånd i elektroder som innehåller partiklar kunde observeras. (Paper VI).
Slutligen användes silvernanopartiklar som katodkatalysator i AEMFC med elektroder optimerade med PAP. Resultaten visade lovande prestanda jämfört med platinaelektroder, utifrån kostnads- och hållbarhetsaspekter, men också utmaningar gällande katalysatorns stabilitet och interaktionen mellan silver och jonomer. (Paper VII).