Células combustíveis de membrana de troca de protões

PEMFCs são construídas a partir de conjuntos de eletrodos de membrana (MEA) que incluem os eletrodos, eletrólitos, catalisadores e camadas de difusão de gás. Uma tinta de catalisador, carbono e eletrodo são pulverizados ou pintados sobre o eletrólito sólido e papel de carbono é prensado a quente em ambos os lados para proteger o interior da célula e também agir como eletrodos. A parte central da célula é o limite de fase tripla (TPB) onde o eletrólito, catalisador e reagentes se misturam e, portanto, ONDE as reações celulares realmente ocorrem. Importante, a membrana não deve ser eletricamente condutora para que as meias reações não se misturam. Temperaturas operacionais acima de 100 ° C são desejadas para que o subproduto da água se torne vapor e a gestão da água se torne menos crítica no design celular.

ReactionsEdit

Uma membrana de troca de prótons de célula de combustível, que transforma a energia química liberada durante a reação eletroquímica de hidrogênio e oxigênio em energia elétrica, ao contrário da combustão direta de hidrogênio e oxigênio, gases para produzir energia térmica.

uma corrente de hidrogénio é fornecida ao ânodo da MEA. No lado ânodo é cataliticamente dividido em prótons e elétrons. Esta reacção de meia-célula de oxidação ou reacção de oxidação do hidrogénio (HOR) é representada por:

no ânodo:

os protões recém-formados permeiam-se através da membrana electrolítica do polímero até ao lado catódico. Os elétrons viajam ao longo de um circuito de carga externa para o lado catódico do MEA, criando assim a saída atual da célula de combustível.Entretanto, uma corrente de oxigénio é entregue no lado catódico do MEA. No lado cátodo, as moléculas de oxigênio reagem com os prótons que permeiam através da membrana eletrolítica do polímero e os elétrons que chegam através do circuito externo para formar moléculas de água. Esta redução de meia-célula de reação ou reação de redução de oxigênio (ORR) é representado por:

No cátodo:

Global da reação:

reversível da reação é expressa na equação e mostra a reinserção dos prótons de hidrogênio e elétrons, em conjunto com a molécula de oxigênio e a formação de uma molécula de água. Os potenciais em cada caso são dados em relação ao eletrodo padrão de hidrogênio.

Polímero eletrólito membraneEdit

para funcionar, a membrana deve conduzir íons de hidrogênio (prótons), mas não elétrons, pois isso teria efeito “curto-circuito” da célula combustível. A membrana também não deve permitir que qualquer gás passe para o outro lado da célula, um problema conhecido como crossover de gás. Finalmente, a membrana deve ser resistente ao ambiente redutor no cátodo, bem como ao ambiente oxidativo áspero no ânodo.

a separação da molécula de hidrogénio é relativamente fácil através da utilização de um catalisador de platina. Infelizmente, no entanto, dividir a molécula de oxigênio é mais difícil, e isso causa perdas elétricas significativas. Um material catalisador apropriado para este processo não foi descoberto, e platina é a melhor opção.

uma alternativa mais barata à platina é o catalisador de óxido de cério(IV) usado pelo grupo de pesquisa do professor Vladimír Matolín no desenvolvimento do PEMFC.

Strengsedit

the PEMFC is a prime candidate for vehicle and other mobile applications of all sizes down to mobile phones, because of its compactness.

Asinsuficiências Edit

as células de combustível com base na PEM ainda têm muitas questões:

1. Gestão da água

a gestão da água é crucial para o desempenho: se a água é evaporada muito lentamente, ela inundará a membrana e a acumulação de água dentro da placa de fluxo de campo impedirá o fluxo de oxigênio para a célula de combustível, mas se a água evapora muito rápido, a membrana secará e a resistência através dela aumenta. Ambos os casos causarão danos à estabilidade e à potência. A gestão da água é um assunto muito difícil em sistemas PEM, principalmente porque a água na membrana é atraída para o cátodo da célula através da polarização.

existe uma grande variedade de soluções para a gestão da água, incluindo a integração de uma bomba electroosmótica.

outro método inovador para resolver o problema da recirculação da água é o projeto de campo de fluxo de malha fina 3D usado na Toyota Mirai, 2014. O design convencional do FC stack recircula a água da saída de ar para a entrada de ar através de um humidificador com um canal recto e campos de fluxo de metal poroso.O campo de fluxo é uma estrutura composta por uma costela e canais. No entanto, a costela cobre parcialmente a camada de difusão de gás (GDL) e a distância resultante de transporte de gás é maior do que a distância entre canais. Além disso, a pressão de contacto entre a GDL e a costela também comprime a GDL, tornando a sua espessura não uniforme ao longo da costela e do canal. A grande largura e espessura não uniforme da costela irá aumentar o potencial de acumulação de vapor de água e o oxigênio será comprometido. Como resultado, o oxigênio será impedido de se difundir em camada catalisadora, levando à geração de energia não-uniforme no FC.

este novo projeto permitiu as primeiras funções FC stack sem um sistema humidificador, enquanto isso, superando questões de recirculação de água e alcançando alta estabilidade de saída de energia. A micro-estrutura 3D permite mais vias para o fluxo de gás; portanto, promove o fluxo de ar em direção ao eletrodo de membrana e montagem de camada de difusão de gás (MEGA) e promove a difusão de O2 para a camada catalisador. Diferentemente dos campos de fluxo convencionais, os micro-reticulados 3D no campo complexo, que atuam como baffles e induzem fluxo interfacial freqüente de micro-escala entre os campos GDL e de fluxo. Devido a este fluxo Convectivo repetitivo em micro-escala, o transporte de oxigênio para a camada catalisador (CL) e a remoção de água líquida do GDL é significativamente melhorada. A água gerada é rapidamente retirada através do campo de fluxo, impedindo a acumulação dentro dos poros. Como resultado, a geração de energia a partir deste campo de fluxo é uniforme em toda a seção transversal e auto-humidificação é ativada.

2. Vulnerabilidade do Catalisador

O catalisador de platina na membrana é facilmente envenenado por monóxido de carbono (não mais de uma parte por milhão é geralmente aceitável), e a membrana é sensível a coisas como íons metálicos, que podem ser introduzidos por corrosão metálicos placas bipolares, os componentes metálicos do sistema de célula de combustível ou de contaminantes do combustível/oxidante.

PEM sistemas que utilizam metanol reformado foram propostos, como no Daimler Chrysler Necar 5; reforming metanol, i.e. fazê-lo reagir para obter hidrogênio, é, no entanto, um processo muito complicado, que requer também a purificação do monóxido de carbono que a reação produz. Um catalisador de platina-rutênio é necessário como algum monóxido de carbono irá inevitavelmente alcançar a membrana. O nível não deve exceder 10 partes por milhão. Além disso, os tempos de arranque desse reactor reformador são de cerca de meia hora. Em alternativa, o metanol e alguns outros biocombustíveis podem ser alimentados directamente a uma célula de combustível da PEM sem serem reformados, tornando-se assim uma célula de combustível metanol (DMFC) directa. Estes dispositivos operam com sucesso limitado.

3. Limitation of Operating Temperature

The most commonly used membrane is Nafion by Chemours, which depends on liquid water humidification of the membrane to transport protons. Isto implica que não é possível usar temperaturas acima de 80 a 90 °C, uma vez que a membrana secaria. Outros tipos de membranas mais recentes, à base de polibenzimidazol (PBI) ou ácido fosfórico, podem atingir 220 ° C sem utilizar qualquer gestão da água: temperaturas mais altas permitem melhores eficiências, densidades de potência, facilidade de resfriamento (devido a maiores diferenças de temperatura permitidas), sensibilidade reduzida ao envenenamento por monóxido de carbono e melhor controlabilidade (devido à ausência de problemas de gestão de água na membrana); no entanto, estes tipos recentes não são tão comuns. PBI pode ser dopado com ácido fosfórico ou sulfúrico e as escalas de condutividade com quantidade de dopagem e temperatura. A altas temperaturas, é difícil manter o Nafion hidratado, mas este material dopado com ácido não usa água como meio para a condução de prótons. Ele também exibe Melhores propriedades mecânicas, maior força, do que Nafion e é mais barato. No entanto, a lixiviação ácida é uma questão considerável e o processamento, misturando-se com catalisador para formar tinta, provou ser complicado. Polímeros aromáticos, tais como PEEK, são muito mais baratos do que Teflon (PTFE e espinha dorsal do Nafion) e seu caráter polar leva à hidratação que é menos dependente da temperatura do que Nafion. No entanto, PEEK é muito menos condutivo ionicamente do que Nafion e, portanto, é uma escolha de eletrólitos menos favorável. Recentemente, líquidos iônicos proticos e cristais orgânicos iônicos proticos de plástico têm sido mostrados como materiais eletrolíticos alternativos promissores para Pemfc de alta temperatura (100-200 °c).

ElectrodesEdit

um eléctrodo consiste tipicamente em suporte de carbono, partículas de Pt, ionomer Nafion e/ou ligante de Teflon. O Suporte de carbono funciona como um condutor Elétrico; as partículas de Pt são locais de reação; o ionômero fornece caminhos para a condução de prótons, e o ligante de Teflon aumenta a hidrofobicidade do eletrodo para minimizar o potencial alagamento. A fim de permitir a eletroquímica reações de eletrodos, os prótons, elétrons e o reagente de gases (hidrogênio ou oxigênio) deve acessar a superfície do catalisador no eletrodos, enquanto que a água do produto, que pode ser líquida ou gasosa de fase, ou de ambas as fases, deve ser capaz de permear de catalisador para a saída de gás. Estas propriedades são tipicamente realizadas por compostos porosos de ligante eletrolítico polímero (ionomer) e nanopartículas catalisadoras suportadas em partículas de carbono. Tipicamente a platina é usada como catalisador para as reações eletroquímicas no ânodo e cátodo, enquanto as nanopartículas realizam altas razões superfície / peso (como descrito abaixo) reduzindo a quantidade da platina cara. O ligante eletrolítico polímero fornece a condutividade iônica, enquanto o Suporte de carbono do catalisador melhora a condutividade elétrica e permite baixa carga de metal platina. A condutividade elétrica nos eletrodos compostos é tipicamente mais de 40 vezes maior que a condutividade de prótons.

layerEdit

o GDL conecta eletricamente o catalisador e coletor de corrente. Deve ser poroso, condutor eléctrico e fino. Os reagentes devem ser capazes de alcançar o catalisador, mas a condutividade e porosidade podem atuar como forças opostas. Optimally, the GDL should be composed of about one third Nafion or 15% PTFE. As partículas de carbono usadas no GDL podem ser maiores do que as utilizadas no catalisador porque a área de superfície não é a variável mais importante nesta camada. O GDL deve ter cerca de 15-35 µm de espessura para equilibrar a porosidade necessária com a força mecânica. Muitas vezes, uma camada porosa intermediária é adicionada entre a camada GDL e catalisador para facilitar as transições entre os poros grandes na camada GDL e pequena porosidade na camada catalisadora. Uma vez que uma função primária do GDL é ajudar a remover a água, um produto, inundação pode ocorrer quando a água bloqueia efetivamente o GDL. Isto limita a capacidade dos reagentes de acessar o catalisador e diminui significativamente o desempenho. Teflon pode ser revestido sobre o GDL para limitar a possibilidade de inundação. Várias variáveis microscópicas são analisadas nos GDLS, tais como: porosidade, tortuosidade e permeabilidade. Estas variáveis têm incidência sobre o comportamento das células de combustível.

EfficiencyEdit

A máxima eficiência teórica de aplicar a energia livre de Gibbs equação ΔG = -237.13 kJ/mol e usando o valor de aquecimento de Hidrogênio (ΔH = -285.84 kJ/mol) é de 83% a 298 K.

η = ∆ G ∆ H = 1 − T ∆ S ∆ H {\displaystyle \eta ={\frac {\Delta G}{\Delta H}}=1-{\frac {T\Delta S}{\Delta H}}}

A prática da eficiência de um PEMs é na faixa de 50-60% .Principais fatores que criam as perdas são:

• Ativação perdas
• Ôhmica perdas
• transporte de Massa perdas

Metal-orgânicos frameworksEdit

Metal-organic frameworks (MOFs) são relativamente uma nova classe de porosa e altamente cristalino materiais que consistem em metal de nós conectados através de orgânicos vinculadores. Devido à simplicidade de manipular ou substituir os centros e ligandos de metal, há um número praticamente ilimitado de combinações possíveis, o que é atraente do ponto de vista do design. Os MOFs exibem muitas propriedades únicas devido ao seu tamanho de poros sintonizáveis, estabilidade térmica, alta capacidade de volume, grandes áreas de superfície e características eletroquímicas desejáveis. Entre seus diversos usos, MOFs são candidatos promissores para aplicações de energia limpa, como armazenamento de hidrogênio, separações de gás, supercapacitores, baterias de íons Li, células solares e células de combustível. Dentro do campo da pesquisa de células de combustível, MOFs estão sendo estudados como materiais eletrolíticos potenciais e catalisadores de eletrodos que poderiam algum dia substituir membranas poliméricas tradicionais e catalisadores de Pt, respectivamente.

como materiais electrolíticos, a inclusão de MOFs parece inicialmente contra-intuitiva. Membranas de células de combustível geralmente têm baixa porosidade para evitar o cruzamento de combustível e perda de tensão entre o ânodo e o cátodo. Além disso, membranas tendem a ter baixa cristalinidade porque o transporte de íons é mais favorável em materiais desordenados. Por outro lado, poros podem ser preenchidos com portadores de íons adicionais que, em última análise, melhoram a condutividade iônica do sistema e a alta cristalinidade torna o processo de design menos complexo.

Os requisitos gerais de um bom eletrólito para PEMFCs são: alta condutividade de prótons (>10-2 S/cm para aplicações práticas) para permitir o transporte de prótons entre os eletrodos, a boa química e estabilidade térmica em células a combustível as condições de operação (umidade ambiental, a variação de temperaturas, resistência a espécies venenosas, etc.), baixo custo, capacidade de ser processado em filmes finos, e compatibilidade global com outros componentes celulares. Enquanto os materiais poliméricos são atualmente a escolha preferida da membrana condutora de protões, eles requerem humidificação para um desempenho adequado e podem por vezes degradar-se fisicamente devido a efeitos de hidratação, causando assim perdas de eficiência. Como mencionado, o Nafion também é limitado por uma temperatura de desidratação < 100 °C, O que pode levar a uma cinética de reação mais lenta, baixa eficiência de custo, e envenenamento por CO de eletrodos catalisadores de Pt. Por outro lado, MOFs têm mostrado encorajando a condutividade de prótons em regimes de baixa e alta temperatura, bem como em uma ampla gama de condições de umidade. Abaixo de 100 °C e sob a hidratação, a presença de hidrogênio e ligação de solvente, as moléculas de água ajuda no transporte de prótons, enquanto o anidro condições são adequadas para temperaturas acima de 100 °C. MOFs também têm a vantagem de expor a condutividade de prótons pelo próprio framework, além da inclusão de encargos realiza (por exemplo, água, ácidos, etc.) em seus poros.

um exemplo de baixa temperatura é o trabalho de Kitagawa, et al. who used a bidimensional oxalate-bridged anionic layer framework as the host and introduced ammonium cations and adipic acid molecules into the pores to increase proton concentration. O resultado foi uma das primeiras instâncias de um MOF mostrando condutividade “superprotônica” (8 × 10-3 S/cm) a 25 °C e 98% de umidade relativa (RH). Mais tarde descobriram que o aumento da natureza hidrofílica dos catiões introduzidos nos poros poderia aumentar ainda mais a condutividade de prótons. Neste regime de baixa temperatura que é dependente do grau de hidratação, também tem sido mostrado que a condutividade de prótons é fortemente dependente dos níveis de umidade.

um exemplo anidro de alta temperatura é o PCMOF2, que consiste em iões de sódio coordenados a um derivado benzeno trissulfonado. Para melhorar o desempenho e permitir temperaturas de operação mais elevadas, a água pode ser substituída como portadora de protões por moléculas de imidazol ou triazole menos voláteis dentro dos poros. A temperatura máxima atingida foi de 150 ° C, com uma condutividade ótima de 5 × 10-4 S/cm, que é menor do que outras membranas eletrolíticas atuais. No entanto, este modelo mantém a promessa de seu regime de temperatura, condições anidras, e capacidade de controlar a quantidade de moléculas convidadas dentro dos poros, tudo o que permitiu a tunibilidade da condutividade de prótons. Além disso, o PCMOF2 carregado com triazole foi incorporado em um conjunto de eletrodos de membrana H2 / ar e alcançou uma tensão de circuito aberto de 1.18 V a 100 ° C que foi estável durante 72 horas e conseguiu manter-se estanque ao gás durante todo o ensaio. Esta foi a primeira instância que provou MOFs poderia realmente ser implementado em células de combustível funcionando, e a diferença potencial moderada mostrou que o cruzamento de combustível devido à porosidade não foi um problema.

até à data, a maior condutividade de protões alcançada para um electrólito MOF é de 4,2 × 10-2 S/cm a 25 °C em condições úmidas (98% RH), que é competitiva com o Nafion. Alguns experimentos recentes até produziram com sucesso membranas MOF de película fina em vez das amostras em massa tradicionais ou cristais únicos, o que é crucial para a sua aplicabilidade industrial. Uma vez que os MOFs são capazes de atingir consistentemente níveis suficientes de condutividade, força mecânica, estabilidade da água e processamento simples, eles têm o potencial de desempenhar um papel importante nos Pemfc em um futuro próximo.

MOFs have also been targeted as potential replacements of platinum group metal (PGM) materials for electrode catalysts, although this research is still in the early stages of development. Em PEMFCs, a reação de redução de oxigênio (ORR) no catodo Pt é significativamente mais lenta do que a reação de oxidação de combustível no ânodo, e, portanto, não-PGM e catalisadores sem metal estão sendo investigados como alternativas. A alta densidade volumétrica, grandes áreas de superfície de poros, e a abertura de locais de íons metálicos em MOFs fazem deles candidatos ideais para precursores catalisadores. Apesar das promissoras capacidades catalíticas, a durabilidade destes catalisadores baseados em MOF propostos é actualmente inferior à desejável e o mecanismo ORR neste contexto ainda não é completamente compreendido.

Catalyst researchEdit

Much of the current research on catalysts for PEM fuel cells can be classified as having one of the following main objectives:

1. para obter maior atividade catalítica do que o padrão de carbono-suporte platinum partículas de catalisadores usados na atual células de combustível PEM
2. para reduzir o envenenamento de célula de combustível PEM de catalisadores por impureza gases
3. para reduzir o custo da célula de combustível, devido ao uso da platina-catalisadores baseados em
4. para melhorar o ORR atividade de metais do grupo da platina-livre electrocatalysts

Exemplos dessas abordagens são dadas nas seções a seguir.

Aumentar catalítico activityEdit

Como mencionado acima, a platina é de longe o mais eficaz elemento utilizado para a célula de combustível PEM de catalisadores, e quase todas as células de combustível PEM uso de platina partículas porosas de carbono oferece suporte para catalisar tanto a oxidação de hidrogênio e oxigênio redução. No entanto, devido ao seu alto custo, os catalisadores Pt/C atuais não são viáveis para a comercialização. americano. Departamento de Energia estima que a platinum-catalisadores baseados em precisará usar cerca de quatro vezes menos platina, que é usado na atual célula de combustível PEM de desenhos para representar uma alternativa realista para motores de combustão interna. Consequentemente, um principal objetivo de catalisador de design para células de combustível PEM é aumentar a atividade catalítica da platina por um fator de quatro, de modo que apenas um quarto muito o metal precioso é necessário para atingir desempenho semelhante.

um método de aumentar o desempenho dos catalisadores de platina é otimizar o tamanho e a forma das partículas de platina. A diminuição do tamanho das partículas por si só aumenta a área total de superfície do catalisador disponível para participar em reações por volume de platina utilizado, mas estudos recentes demonstraram formas adicionais de fazer melhorias adicionais ao desempenho catalítico. Por exemplo, um estudo relata que facetas de alto índice de nanopartículas de platina (ou seja, Miller indexa com inteiros grandes, como Pt (730)), fornecem uma maior densidade de locais reativos para redução de oxigênio do que as nanopartículas de platina típicas.Uma vez que o catalisador mais comum e eficaz, a platina, é extremamente caro, o processamento alternativo é necessário para maximizar a área de superfície e minimizar o carregamento. A deposição de partículas de Pt nanosizadas em pó de carbono (Pt/c) proporciona uma grande área de superfície de Pt, enquanto o carbono permite a ligação eléctrica entre o catalisador e o resto da célula. A platina é tão eficaz porque tem alta atividade e ligações ao hidrogênio apenas fortemente o suficiente para facilitar a transferência de elétrons, mas não inibir o hidrogênio de continuar a se mover em torno da célula. No entanto, a platina é menos ativa na reação de redução de oxigênio do cátodo. Isto requer o uso de mais platina, aumentando a despesa da célula e, portanto, a viabilidade. Muitas escolhas catalisadoras potenciais são descartadas por causa da acidez extrema da célula.

as formas mais eficazes de alcançar a nanoscale Pt em pó de carbono, que é atualmente a melhor opção, São através da deposição em vácuo, sputtering e eletrodeposição. As partículas de platina são depositadas em papel carbono que é permeado com PTFE. No entanto, há uma magreza ótima para esta camada catalisadora, que limita o limite de custo mais baixo. Abaixo de 4 nm, o Pt formará ilhas no papel, limitando sua atividade. Acima desta espessura, O Pt revestirá o carbono e será um catalisador eficaz. Para complicar ainda mais as coisas, Nafion não pode ser infiltrada além de 10 um, então usando mais Pt do que isso é uma despesa desnecessária. Assim, a quantidade e forma do catalisador é limitada pelas restrições de outros materiais.Um segundo método para aumentar a atividade catalítica da platina é ligá-la a outros metais. Por exemplo, foi recentemente demonstrado que a superfície de Pt3Ni(111) tem uma maior atividade de redução de oxigênio do que o Pt puro(111) por um fator de dez. Os autores atribuem este aumento de desempenho dramático a modificações na estrutura eletrônica da superfície, reduzindo a sua tendência a se ligar a espécies iônicas contendo oxigênio presentes em células de combustível PEM e, portanto, aumentando o número de locais disponíveis para adsorção e redução de oxigênio.

outras eficiências podem ser realizadas usando um bocal ultrassônico para aplicar o catalisador de platina à camada eletrolítica ou ao papel carbono em condições atmosféricas resultando em pulverização de alta eficiência. Estudos têm mostrado que, devido ao tamanho uniforme das gotas criado por este tipo de spray, devido à alta eficiência de transferência de tecnologia, devido à não-entupimento natureza do bico e, finalmente, devido ao fato de que a energia ultra-sônica de aglomerados de suspensão antes de atomização, as células de combustível do MEA fabricados desta forma têm uma maior homogeneidade no final do MEA, e o fluxo de gás através da célula é mais uniforme, maximizando a eficiência da platina no MEA.Estudos recentes usando impressão a jacto de tinta para depositar o catalisador sobre a membrana também mostraram alta utilização do catalisador devido à redução da espessura das camadas de catalisador depositadas.

muito recentemente, uma nova classe de electrocatalisadores ORR foram introduzidos no caso de sistemas Pt-M (M-Fe E Co) com um núcleo intermetálico ordenado encapsulado dentro de uma concha Rica Em Pt. Estes nanocatalisadores intermetálicos core-shell (IMCS) foram encontrados para exibir uma atividade melhorada e, mais importante, uma durabilidade prolongada em comparação com muitos projetos anteriores. Embora o realce observado nas atividades seja atribuído a uma estrutura tensa, os autores relatam que seus achados sobre a cinética de degradação estabelecem que a durabilidade catalítica estendida é atribuível a uma ordem atômica sustentada.

Reducing poeningedit

The other popular approach to improving catalyst performance is to reduce its sensitivity to impurities in the fuel source, especially carbon monoxide (CO). Atualmente, o gás hidrogênio puro está se tornando econômico para produzir em massa por eletrólise. No entanto, no momento o gás hidrogênio é produzido por hidrocarbonetos leves reformadores a vapor, um processo que produz uma mistura de gases que também contém CO (1-3%), CO2 (19-25%) e N2 (25%). Mesmo dezenas de partes por milhão de CO podem envenenar um catalisador de platina pura, assim aumentando a resistência da platina ao CO é uma área ativa de pesquisa.

por exemplo, um estudo relatou que nanopartículas de platina em forma de cubo com (100) facetas exibiam um aumento de quatro vezes na atividade de redução de oxigênio em comparação com nanopartículas de platina com facetas aleatórias de tamanho similar. The authors concluded that the (111) facets of the random shaped nanoparticles bonded more strongly to sulfate ions than the (100) facets, reducing the number of catalytic sites open to oxygen molecules. Os nanocubos que sintetizaram, em contraste, tinham quase exclusivamente (100) facetas, que são conhecidas por interagir com sulfato de forma mais fraca. Como resultado, uma maior fração da área de superfície dessas partículas estava disponível para a redução de oxigênio, aumentando a atividade de redução de oxigênio do catalisador.

in addition, researchers have been investigating ways of reducing the co content of hydrogen fuel before it enters a fuel cell as a possible way to avoid poisoning the catalysts. Um estudo recente revelou que as nanopartículas de núcleo de ruténio-platina são particularmente eficazes na oxidação do CO para formar CO2, um contaminante de combustível muito menos prejudicial. O mecanismo que produz este efeito é conceitualmente semelhante ao descrito para Pt3Ni acima: o núcleo rutênio da partícula altera a estrutura eletrônica da superfície da platina, tornando-a mais capaz de catalisar a oxidação de CO.

Lowering costEdit

the challenge for the viability of PEM fuel cells today remains in their cost and stability. O alto custo pode, em grande parte, ser atribuído ao uso do metal precioso da platina na camada catalisador de células PEM. O eletrocatalisador atualmente é responsável por quase metade do custo da pilha de combustível. Embora a carga de Pt de células de combustível de PEM tenha sido reduzida em duas ordens de magnitude ao longo da última década, é necessária uma maior redução para tornar a tecnologia economicamente viável para a comercialização. Enquanto alguns esforços de investigação visam abordar esta questão melhorando a actividade electrocatalítica dos catalisadores baseados em Pt, uma alternativa é eliminar o uso de Pt por completo, desenvolvendo um catodo catódico não-platina (não-PGM), cujo desempenho rivaliza com o das tecnologias baseadas em Pt. americano. O departamento de energia tem estabelecido marcos Para o desenvolvimento de células de combustível, visando uma durabilidade de 5000 horas e uma atividade volumétrica de 300 A cm-3 não PGM.

alternativas promissoras aos catalisadores à base de Pt são catalisadores de Metal/nitrogénio/ carbono (catalisadores M/N/C). Para atingir uma elevada densidade de potência, ou a saída de potência sobre a área de superfície da célula, deve ser atingida uma actividade volumétrica de, pelo menos, 1/10 da dos catalisadores à base de Pt, juntamente com boas propriedades de transporte de massa. Enquanto os catalisadores M / N / C ainda demonstram atividades volumétricas mais pobres do que os catalisadores baseados em Pt, a redução dos custos desses catalisadores permite uma maior carga para compensar. No entanto, o aumento da carga de catalisadores M/N/C também torna a camada catalítica mais espessa, prejudicando as suas propriedades de transporte de massa. Em outras palavras, H2, O2, prótons e elétrons têm maior dificuldade em migrar através da camada catalítica, diminuindo a saída de tensão da célula. Enquanto alta microporosidade da rede catalítica M/N / C resulta em alta atividade volumétrica, propriedades de transporte de massa melhoradas são associadas à macroporosidade da rede. Estes materiais M/N/C são sintetizados usando pirólise a alta temperatura e outros tratamentos de alta temperatura de precursores contendo o metal, nitrogênio e carbono.

recentemente, pesquisadores desenvolveram um catalisador Fe/n/c derivado do acetato de ferro (II) (FeAc), fenantrolina (Phen), e um hospedeiro metal-orgânico (MOF). O MOF é uma estrutura Zn (II) de imidazolato zeólico (ZIF) chamada ZIF-8, que demonstra uma elevada área de superfície microporosa e um elevado teor de azoto conducente à actividade ORR. A densidade de potência da FeAc/Phen/ZIF-8-catalisador foi encontrado para ser de 0,75 W cm−2 de 0,6 V. Este valor é uma melhoria significativa sobre a máxima de 0,37 W cm−2 a densidade de potência da anterior M/N/C-catalisadores e está muito mais perto de igualar o valor típico de 1,0–1,2 W cm−2 para o Pt-catalisadores baseados em com um Pt de carga de 0,3 mg cm−2. O catalisador também demonstrou uma atividade volumétrica de 230 A * cm-3, o maior valor para catalisadores não-PGM até à data, aproximando-se do marco do Departamento de Energia DOS EUA.

embora a densidade de potência alcançada pelo novo catalisador FeAc/Phen/ZIF-8 seja promissora, a sua durabilidade permanece inadequada para a aplicação comercial. É relatado que a melhor durabilidade exibida por este catalisador ainda teve uma queda de 15% na densidade de corrente ao longo de 100 horas em H2/ar. Assim, enquanto os catalizadores não-PGM baseados em Fe rivalizam com os catalizadores baseados em Pt em sua atividade eletrocatalítica, ainda há muito trabalho a ser feito na compreensão de seus mecanismos de degradação e na melhoria de sua durabilidade.