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Composition / Porosity Effects on the Activity, Performance and Stability of Non-Noble Metal, O2-Reduction Catalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cells

Titel Englisch Composition / Porosity Effects on the Activity, Performance and Stability of Non-Noble Metal, O2-Reduction Catalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cells
Gesuchsteller/in Herranz Juan
Nummer 173632
Förderungsinstrument Ambizione Energie
Forschungseinrichtung Labor für Elektrochemie Paul Scherrer Institut
Hochschule Paul Scherrer Institut - PSI
Hauptdisziplin Physikalische Chemie
Beginn/Ende 01.08.2017 - 31.07.2020
Bewilligter Betrag 780'308.00
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Keywords (6)

Hydrogen; X-ray absorption spectroscopy; Electrocatalysis; Electromobility; Stability; Catalyst layer

Lay Summary (Französisch)

Lead
Ce projet vise à éclaircir les causes de l'instabilité des catalyseurs non-nobles pour la réduction de l'oxygène dans la pile à combustible -- des matériaux faites à partir de métaux abondants et donc plus abordables que le platine communément utilisé à ce bout. Les résultats de ces travaux serviront à améliorer la stabilité de ces matériaux, permettant leur utilisation dans la pile à combustible et contribuant à diminuer le prix de ce dispositif.
Lay summary

Les piles à combustible à membrane polymérique sont des dispositifs électrochimiques qui produisent de l’eau et de l’électricité à partir de l’hydrogène et de l’oxygène. Grâce à leur haute efficacité énergétique et à leur faible impact écologique, l'utilisation de ces piles pour la propulsion des voitures électriques s'avère avantageuse. Toutefois, les grands coûts associés à leur fabrication restreignent leur commercialisation à grande échelle. En effet, près d’un tiers de ces frais sont reliés aux catalyseurs utilisés pour la réduction de l'oxygène, car ceux-ci étant produits à base de platine, un métal rare et extrêmement couteux. Sa substitution par des matériaux plus abordables supposerait donc une réduction significative du prix des piles à combustible.

Suite à ce besoin, de nombreuses recherches ont été effectuées afin de mettre au point des catalyseurs à base de métaux communs tels que le fer ou le cobalt. Ces catalyseurs, souvent appelés « non-nobles », ont démontré une efficacité similaire à celle des catalyseurs à base de platine. Cependant, leur performance initiale décroit rapidement pour des raisons peu claires.

Dans ce contexte, ce projet vise à éclaircir les causes de l’instabilité des catalyseurs non-nobles dans la pile à combustible. La première étape du projet visera à développer une nouvelle procédure de synthèse des catalyseurs qui permettra de contrôler leur composition et leur morphologie. Par la suite, l’effet de ces variables sur la performance et la stabilité des catalyseurs sera étudié en combinant des techniques de caractérisation avec des mesures électrochimiques. Enfin, les résultats de ces recherches serviront à développer des stratégies afin de minimiser l’instabilité de ces matériaux, ce qui permettra leur utilisation dans la pile à combustible, contribuant ainsi au progrès de cette technologie du futur.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 22.06.2017

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Abstract

With their reduced costs, non-noble metal catalysts (NNMCs) for the reduction of oxygen would positively impact the commercialization of polymer electrolyte fuel cells (PEFCs). These materials have recently displayed the catalytic activities required for this application, but little is known regarding the factors that determine their high-current performance and that lead to their fast deactivation upon PEFC-operation. This project will shed light on these questions by developing unprecedented, quantitative relations between the catalysts’ composition / porosity features and their corresponding PEFC-behavior; additionally, different PEFC-diagnostic tools that have never been applied on such materials will be used to unravel the relative contribution of different mechanisms to the overall activity decay. For this purpose, NNMCs with a controlled composition will be prepared using a novel method developed at PSI, and analyzed with various techniques (e.g., X-ray absorption and Mössbauer spectroscopies). Complementing characterization of the resulting catalyst layers and discrimination of the different overpotential contributions will clarify the impact of pore size distribution and NNMC-composition on the initial PEFC-performance. Additionally, a portable PEFC-setup will be developed and used for the first time to understand operando NNMC-demetallation, and complementing in-situ electrochemical measurements (e.g., helox tests, online electrochemical mass spectrometry) will clarify the contribution of other mechanisms (flooding, carbon corrosion) to the materials' instability. Most importantly, the results of these studies will provide guidelines for the synthesis of better-performing NNMCs and the design of mitigation strategies to improve their stability.
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