[論文レビュー] Hydrogen Peroxide Formation Rates in a PEMFC Anode and Cathode: Effect of Humidity and Temperature

Vijay A. Sethuraman, John W. Weidner+3 more|Scholar Commons (University of South Carolina)|Feb 20, 2020

Fuel Cells and Related Materials参考文献 42被引用数 127

ひとこと要約

本論文は、RRDE を用いて PEMFC の陽極および陰極の両方で、湿度、温度、O2 濃度を変化させたときの H2O2 形成速度を推定し、水活度と O2 レベルへの H2O2 発生収率の関連を明らかにする。

ABSTRACT

Hydrogen peroxide (H2O2) formation rates in a proton exchange membrane (PEM) fuel cell anode and cathode were estimated as a function of humidity and temperature by studying the oxygen reduction reaction (ORR) on a rotating ring disc electrode (RRDE). Fuel cell conditions were replicated by depositing a film of Pt/Vulcan XC-72 catalyst onto the disk and by varying the temperature, dissolved O2 concentration and the acidity levels in hydrochloric acid (HClO4). The HClO4 acidity was correlated to ionomer water activity and hence fuel cell humidity. The H2O2 formation rates showed a linear dependence on oxygen concentration and square dependence on water activity. The H2O2 selectivity in ORR was independent of oxygen concentration but increased with decrease in water activity (i.e., decreased humidity). Potential dependent activation energy for the H2O2 formation reaction was estimated from data obtained at different temperatures.

研究の動機と目的

• 湿度（水活度）と温度が PEMFC における H2O2 形成速度に與える影響を理解する。
• 酸素濃度と水活度に対する H2O2 形成の依存性を定量化する。
• さまざまな動作条件下での酸素還元反応の H2O2 への選択性を評価する。
• 酸性度（HClO4 を介して）をイオノマーの水活度に関連付け、燃料電池の湿度を模擬する。
• 温度変化を通じた H2O2 形成の活性化エネルギーの洞察を提供する。

提案手法

• Pt/Vulcan XC-72 カソリスト膜上での ORR および H2O2 形成を研究するために回転環電極（RRDE）を用いる。
• 水活度を調整するために HClO4 による温度、O2 濃度、および酸性度を制御して燃料電池条件を再現する。
• H2O2 形成速度を測定し、それらが O2 濃度と水活度にどう依存するかを分析する。
• 温度を跨ぐ H2O2 形成の活性化エネルギーを推定するために電位依存性を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 湿度（水活度）と温度は PEMFC 電極上での ORR 中の H2O2 形成速度にどのように影響するか？
• RQ2 O2 濃度と H2O2 形成速度および選択性の関係は何か？
• RQ3 水活度（湿度）の低下に伴い H2O2 の選択性はどのように変化するか？
• RQ4 酸性度（HClO4 を介して）を用いて燃料電池の湿度効果を H2O2 形成に模擬できるか？
• RQ5 温度の関数として H2O2 形成の活性化エネルギーは何か？

主な発見

• H2O2 形成速度は酸素濃度とともに線形に増加する。
• H2O2 形成速度は水活度に対して二次（平方）依存を示す。
• H2O2 の選択性は酸素濃度に依存せず、水活度が低下するにつれて増加する。
• HClO4 の酸性度はイオノマーの水活度と相関し、実験での湿度制御を可能にする。
• 異なる温度で収集したデータから H2O2 形成の活性化エネルギーを推定できる。