Identification of radicals generated in operating anion exchange polymer membrane fuel cells: in situ and ex situ research.

Abstract

Postęp technologiczny stawia przed ludzkością wyzwanie, jakim jest poszukiwanie efektywnych i ekologicznych źródeł energii — jednym z nich, mogącym mu sprostać są ogniwa paliwowe. Obecnie najczęściej stosowane są ogniwa paliwowe z membranami protonoprzewodzącymi (ang. proton exchange membranes, PEM). Alternatywą dla PEM są membrany anionoprzewodzące (ang. anion exchange membranes, AEM), które pozwalają na zachodzenie reakcji według innego mechanizmu oraz na stosowanie katalizatorów niezawierających metali szlachetnych. Poważnym problemem związanym ze stosowaniem AEM na szeroką skalę jest ich degradacja zachodząca podczas pracy ogniwa.Hipoteza badawcza zakładała, że istotnym czynnikiem wpływającym na szybkość deterioracji membran są rodniki tlenowe. Doniesienia literaturowe dotyczące tworzenia się reaktywnych form tlenu (ang. reactive oxygen species, ROS) podczas reakcji redukcji tlenu (ang. oxygen reduction reaction, ORR) oraz wykrycia rodników w ogniwach z PEM pozwalają sądzić, że takie rodniki będą się również tworzyły w ogniwach stosujących jako elektrolit AEM. Pomiary in situ metodą elektronowego rezonansu paramagnetycznego (ang. electron paramagnetic resonance, EPR) w połączeniu z techniką pułapkowania spinowego umożliwiły udowodnienie powstawania rodników ˙H (na anodzie) oraz ˙OH i ˙OOH (na katodzie) ogniwa paliwowego z AEM. Dodatkowo, ilościowe pomiary ex situ EPR membrany zdegradowanej pracą w ogniwie przez 700 godzin, wykazały obecność trwałych rodników, których stężenie zależało wprost proporcjonalne od ilości tlenu w ogniwie.Uzyskane wyniki wskazują na udział ROS w procesach degradacji membran anionoprzewodzących. Znajomość czynników będących przyczyną degradacji membran może się przyczynić do opracowywania nowych, bardziej trwałych, polimerów.Modern society’s rapid development leads to search for effective and environmentally friendly energy sources. One of the most promising are fuel cells (FCs). Currently, most of FCs use proton exchange membranes (PEMs) as electrolyte. A viable alternative for PEMs are anion exchange membranes (AEMs). They allow different reaction pathway, and therefore usage of non-noble metal catalysts. The biggest obstacle in wide-range AEMs application is their stability in aggressive fuel cell environment.Research hypothesis assumes that oxygen centered radicals play an important role in AEM degradation process. Reactive oxygen species (ROS) formation during oxygen reduction reaction (ORR) is widely reported in literature. Furthermore, free radicals were detected inside working FCs using PEMs. Both of these can lead to conclusion that radicals may also be formed inside working AEM FCs. In situ EPR measurements conjuncted with spin-trapping technique made it possible to prove formation of ˙H radicals on working AEM-FCs anode and ˙OH and ˙OOH on it’s cathode. Additionally, quantitive ex situ EPR studies of an AEM deteriorated with 700 h of FC operation confirmed presence of stable radicals, concentrration of which was strongly dependent of oxygen quantity in FC.Conducted research show that ROS play an important role in AEMs degradation. Understanding all factors contributing to membrane’s deterioration may contribute to development of new, more stable polymers