Low Platinum Content Thin Film Catalysts for Hydrogen Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Abstract

V práci je demonstrována účinnost nových typů katalyzátorů pro anodu vodíkových palivových článků s polymerní membránou na bázi Pt-CeO2 a Pt-Sn-CeO2, připravených pomocí magnetronového naprašování, které umožňují dosáhnout výrazného snížení obsahu platiny v anodovém katalyzátoru. Tento způsob přípravy umožňuje dosáhnout velké koncentrace platiny v iontovém stavu, zejména Pt2+ , která je dávána do souvislosti s vysokou aktivitou katalyzátoru. Je studován vliv nosiče katalyzátoru na výkon, dále je studována stabilita v prostředí palivového článku pomocí modelového systému. Byla studována interakce katalytických vrstev s vodíkem ve vakuu a za atmosférického tlaku, zvýšené teploty a vlhkosti. Byla potvrzena stabilita platiny v iontovém stavu i za podmínek panujících v palivovém článku. V další části práce je studována možnost snížení obsahu platiny na katodě s využitím naprašovaných katalyzátorů na bázi Pt-Co a Pt-Ni. Je ukázáno, že naprašovaný slitinový katalyzátor umožňuje zvýšit hmotnostně specifickou aktivitu více než dvakrát a byly vymezeny podmínky přípravy, které umožňují toto zvýšení.

Novel type of catalyst for proton exchange membrane fuel cells anode is demonstrated. It is based on magnetron sputtered Pt-CeO2 a Pt-Sn-CeO2 mixed oxides. It is shown, that these materials allow to significantly decrease amount of platinum in the anode catalyst. The preparation method yields high amount of platinum in ionized form, especially Pt2+ , which is related to the high activity. Stability of these catalytic layers were investigated under conditions similar to fuel cell anode (humidified hydrogen at elevated temperature). Also interaction of hydrogen a water under UHV conditions were studied, demonstrating high stability of the Pt2+ species. In the last part of the work sputtered Pt-Co mixed catalyst were investigated to be used in the PEMFC cathode. It is demonstrated that at right conditions, the sputtered alloy catalyst improves mass activity on cathode by factor more than two.