Membránový palivový článek s protonovou výměnou

Pemfc jsou postaveny z membránových elektrodových sestav (MEA), které zahrnují elektrody, elektrolyt, katalyzátor a difúzní vrstvy plynu. Inkoustové katalyzátoru, uhlíku a elektroda jsou stříkané nebo malované na pevných elektrolytů a uhlíku papír je žárově lisované na jedné straně chránit uvnitř buňky a také působí jako elektrody. Stěžejní část buňky je trojfázový hranice (TPB), kde elektrolyt, katalyzátor a reaktanty míchat a tím, kdy buňka reakce skutečně dochází. Důležité je, že membrána nesmí být elektricky vodivá, aby se poloviční reakce nemíchaly. Jsou požadovány provozní teploty nad 100 °C, takže vedlejší produkt vody se stává párou a hospodaření s vodou se stává méně kritickým v konstrukci buněk.

ReactionsEdit

proton výměna membrány palivových článků transformuje chemické energie uvolněné při elektrochemické reakci vodíku a kyslíku na elektrickou energii, na rozdíl od přímého spalování vodíku a kyslíku plyny k výrobě tepelné energie.

proud vodíku je přiváděn na anodovou stranu mea. Na straně anody je katalyticky rozdělen na protony a elektrony. Tato oxidace půl-buněk reakce nebo vodík oxidační reakce (HOR) je zastoupena:

Na anodě:

nově vznikající protony prostupují přes polymerní elektrolytovou membránou ke katodě straně. Elektrony cestují podél vnějšího zatěžovacího obvodu na katodovou stranu MEA, čímž vytváří proudový výstup palivového článku.Mezitím je proud kyslíku přiváděn na katodovou stranu mea. Na katodové straně molekuly kyslíku reagují s protony prostupující skrz polymerní elektrolytovou membránou a elektronů přicházejících přes vnější obvod tvoří molekuly vody. Toto snížení poloviční buněčné reakce nebo kyslíku redukční reakce (ORR) je zastoupena:

Na katodě:

Celková reakce:

reverzibilní reakce je vyjádřena v rovnici a ukazuje začlenění vodíkové protony a elektrony spolu s molekulu kyslíku a tvorbě jedné molekuly vody. Potenciály jsou v každém případě uvedeny s ohledem na standardní vodíkovou elektrodu.

Polymerní elektrolyt membraneEdit

funkce, membrána musí vést vodíkové ionty (protony), ale ne elektrony, protože by to v podstatě „zkrat“ palivových článků. Membrána také nesmí dovolit, aby plyn prošel na druhou stranu buňky, což je problém známý jako přechod plynu. Nakonec musí být membrána odolná vůči redukčnímu prostředí na katodě i drsnému oxidačnímu prostředí na anodě.

štěpení molekuly vodíku je relativně snadné použitím platinového katalyzátoru. Bohužel je však rozdělení molekuly kyslíku obtížnější, což způsobuje značné elektrické ztráty. Vhodný materiál katalyzátoru pro tento proces nebyl objeven a platina je nejlepší volbou.

levnější alternativou k platině je katalyzátor oxidu ceru(IV) používaný výzkumnou skupinou profesora Vladimíra Matolína při vývoji PEMFC.

StrengthsEdit

PEMFC je hlavním kandidátem pro vozidla a další mobilní aplikace všech velikostí dolů na mobilní telefony, protože jeho kompaktnost.

Slabostedit

palivové články založené na PEM mají stále mnoho problémů:

1. Vodohospodářství

vodohospodářství má zásadní význam pro výkon: pokud se voda odpaří příliš pomalu, zaplaví membránu a akumulace vody uvnitř desky field flow bude bránit toku kyslíku do palivového článku, ale pokud se voda odpaří příliš rychle, membrána zaschne a odpor přes ni se zvýší. Oba případy způsobí poškození stability a výkonu. Vodní hospodářství je v PEM systémech velmi obtížným předmětem, především proto, že voda v membráně je polarizací přitahována ke katodě buňky.

existuje široká škála řešení pro řízení vody včetně integrace elektroosmotického čerpadla.

dalším inovativním způsobem řešení problému recirkulace vody je 3D návrh jemného síťového toku použitý v Toyota Mirai, 2014. Konvenční konstrukce zásobníku FC recirkuluje vodu z výstupu vzduchu do vstupu vzduchu přes zvlhčovač s přímým kanálem a porézními kovovými průtokovými poli.Průtokové pole je struktura tvořená žebrem a kanály. Žebro však částečně pokrývá vrstvu difúze plynu (GDL) a výsledná vzdálenost transportu plynu je delší než vzdálenost mezi kanály. Kromě toho kontaktní tlak mezi GDL a žebrem také stlačuje GDL, čímž je jeho tloušťka nerovnoměrná přes žebro a kanál. Velká šířka a nerovnoměrná tloušťka žebra zvýší potenciál pro akumulaci vodní páry a kyslík bude ohrožen. V důsledku toho bude kyslíku bráněno difundovat do vrstvy katalyzátoru, což vede k nerovnoměrné výrobě energie v FC.

Tento nový design umožnil první FC stack funkce bez zvlhčování systém mezitím překonávání vodní recirkulace problémů a dosažení vysokého výkonu stability. 3D mikro mřížka umožňuje více cest pro proudění plynu; proto podporuje proudění vzduchu směrem k membránové elektrodě a sestavě vrstvy difúze plynu (MEGA) a podporuje difúzi O2 do vrstvy katalyzátoru. Na rozdíl od konvenčních proudových polí, 3D mikro-mřížky ve složité oblasti, které fungují jako přepážky a vyvolat časté mikro-měřítku interfacial tok mezi GDL a průtoku-pole. Díky tomuto opakujícímu se konvekčnímu toku v mikro měřítku se významně zvyšuje transport kyslíku do vrstvy katalyzátoru (CL) a odstraňování kapalné vody z GDL. Vygenerovaný voda je rychle táhlý přes tok pole, brání hromadění v pórech. Výsledkem je, že výroba energie z tohoto průtokového pole je v průřezu rovnoměrná a je povoleno samovlhčení.

2. Zranitelnost Katalyzátor

platinový katalyzátor na membráně je snadno otráven oxidem uhelnatým (ne více než jedna část na milion je obvykle přijatelné) a membrána je citlivé na věci, jako kovové ionty, které mohou být zavedeny do korozi kovových bipolární desky, kovové komponenty v palivovém článku systému nebo z kontaminujících látek v palivo/okysličovadlo.

byly navrženy systémy PEM, které používají reformovaný methanol, jako v Daimler Chrysler Necar 5; reforma methanolu, tj. to, že reaguje za získání vodíku, je však velmi komplikovaný proces, který vyžaduje také čištění z oxidu uhelnatého, který reakce produkuje. Katalyzátor platina-ruthenium je nezbytný, protože nějaký oxid uhelnatý nevyhnutelně dosáhne membrány. Úroveň by neměla překročit 10 dílů na milion. Doba spuštění takového reformačního reaktoru je navíc asi půl hodiny. Alternativně, methanol, a některé další biopaliva mohou být krmena na PEM palivové články přímo bez polepšení, což direct methanol fuel cell (DMFC). Tato zařízení pracují s omezeným úspěchem.

3. Omezení provozní teploty

nejčastěji používanou membránou je Nafion Chemours, který se spoléhá na zvlhčování membrány kapalnou vodou pro transport protonů. To znamená, že není možné použít teploty nad 80 až 90 °C, protože membrána by vyschla. Jiné novější typy membrán na bázi polybenzimidazolu (PBI) nebo kyseliny fosforečné mohou dosáhnout až 220 °C bez použití vodního hospodářství: vyšší teploty umožňují lepší efektivitu, hustoty zářivého toku, snadné chlazení (kvůli větší přípustné teplotní rozdíly), snížená citlivost na oxid uhelnatý otravy a lepší ovladatelnost (kvůli absenci problémů hospodaření s vodou v membráně); nicméně, tyto poslední typy nejsou tak časté. PBI lze dopovat kyselinou fosforečnou nebo sírovou a vodivostními stupnicemi s množstvím dopingu a teplotou. Při vysokých teplotách je obtížné udržovat Nafion hydratovaný, ale tento materiál dopovaný kyselinou nepoužívá vodu jako médium pro vedení protonů. Vykazuje také lepší mechanické vlastnosti, vyšší pevnost než Nafion a je levnější. Loužení kyselinou je však značným problémem a zpracování, smíchání s katalyzátorem za vzniku inkoustu, se ukázalo jako složité. Aromatické polymery, jako je PEEK, jsou mnohem levnější než Teflon (PTFE a páteř Nafion) a jejich polární charakter vede k hydrataci, která je méně závislá na teplotě než Nafion. PEEK je však mnohem méně ionicky vodivý než Nafion, a proto je méně příznivou volbou elektrolytu. V poslední době se protické iontové kapaliny a protické organické iontové plastové krystaly ukázaly jako slibné alternativní elektrolytové materiály pro pemfc s vysokou teplotou (100-200 °c).

elektroda

elektroda se obvykle skládá z uhlíkové podpory, pt částic, nafionionomeru a / nebo teflonového pojiva. Podpora uhlíku funguje jako elektrický vodič; částice Pt jsou reakční místa; ionomer poskytuje cesty pro vedení protonů a teflonové pojivo zvyšuje hydrofobnost elektrody, aby se minimalizovalo potenciální zaplavení. S cílem umožnit elektrochemické reakce na elektrodách, protony, elektrony a reaktantu plyny (vodík a kyslík) musí získat přístup k povrchu katalyzátoru na elektrodách, zatímco produkt vody, které mohou být v kapalné nebo plynné fázi, nebo obou fázích, musí být schopen projevit od katalyzátoru do plynové zásuvky. Tyto vlastnosti jsou obvykle realizována porézní kompozitní materiály z polymerních elektrolytů pojiva (ionomerní) a katalyzátor nanočástic podporovány na uhlíkové částice. Obvykle platina se používá jako katalyzátor pro elektrochemické reakce na anodě a katodě, zatímco nanočástice uvědomit, vysoké povrchové hmotnosti poměry (jak je dále popsáno níže) snížení množství drahé platiny. Polymerní elektrolytové pojivo poskytuje iontovou vodivost, zatímco uhlíková podpora katalyzátoru zlepšuje elektrickou vodivost a umožňuje nízké zatížení platinovým kovem. Elektrická vodivost v kompozitních elektrodách je obvykle více než 40krát vyšší než vodivost protonů.

vrstva difúze Plynuedit

GDL elektricky spojuje katalyzátor a sběrač proudu. Musí být porézní, elektricky vodivý a tenký. Reaktanty musí být schopny dosáhnout katalyzátoru, ale vodivost a pórovitost mohou působit jako protichůdné síly. Optimálně by měl být GDL složen z asi jedné třetiny Nafionu nebo 15% PTFE. Uhlíkové částice použité v GDL mohou být větší než částice použité v katalyzátoru, protože povrchová plocha není v této vrstvě nejdůležitější proměnnou. GDL by měl mít tloušťku kolem 15-35 µm, aby vyvážil potřebnou pórovitost s mechanickou pevností. Mezi GDL a vrstvou katalyzátoru se často přidává mezilehlá porézní vrstva, aby se usnadnily přechody mezi velkými póry v GDL a malou pórovitostí ve vrstvě katalyzátoru. Protože primární funkcí GDL je pomoci odstranit vodu, produkt, může dojít k zaplavení, když voda účinně blokuje GDL. To omezuje schopnost reaktantů přistupovat k katalyzátoru a významně snižuje výkon. Teflon může být potažen na GDL, aby se omezila možnost zaplavení. V GDLS je analyzováno několik mikroskopických proměnných, jako jsou: pórovitost, křivost a propustnost. Tyto proměnné mají dopad na chování palivových článků.

EfficiencyEdit

maximální teoretické účinnosti uplatnění Gibbsova volná energie rovnice ΔG = -237.13 kJ/mol a pomocí výhřevnosti Vodíku (ΔH = -285.84 kJ/mol) je 83% na 298 K.

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

praktické účinnosti PEMs je v rozmezí 50-60% .Hlavní faktory, které vytvářejí ztráty jsou:

• Aktivační ztráty
• Ohmické ztráty
• Hromadné dopravy ztráty

Kov-ekologické frameworksEdit

Metal-organic frameworks (soubory mof) jsou relativně nová třída porézní, vysoce krystalické materiály, které se skládají z kovové uzly spojeny organických linkerů. Vzhledem k jednoduchosti manipulace nebo nahrazení kovových center a ligandy, existuje téměř neomezený počet možných kombinací, které je atraktivní z hlediska designu. Soubory mof vykazují mnoho unikátních vlastností vzhledem k jejich laditelné velikostí pórů, tepelná stabilita, vysoký objem kapacity, velké povrchové plochy, a žádoucí, elektrochemické vlastnosti. Mezi jejich mnoho různých využití, soubory mof jsou slibné kandidáty pro čisté energie aplikací, jako je skladování vodíku, zemního plynu separace, superkondenzátory, Li-ion baterie, solární články a palivové články. V oblasti výzkumu palivových článků jsou MOFs studovány jako potenciální elektrolytové materiály a elektrodové katalyzátory, které by jednoho dne mohly nahradit tradiční polymerní membrány a PT katalyzátory.

jako elektrolytové materiály se zahrnutí MOFs zdá být nejprve kontraintuitivní. Membrány palivových článků mají obecně nízkou pórovitost, aby se zabránilo křížení paliva a ztrátě napětí mezi anodou a katodou. Kromě toho mají membrány tendenci mít nízkou krystalinitu, protože transport iontů je příznivější v neuspořádaných materiálech. Na druhé straně mohou být póry naplněny dalšími nosiči iontů, které nakonec zvyšují iontovou vodivost systému a vysoká krystalinita činí proces návrhu méně složitým.

obecné požadavky dobrého elektrolytu pro PEMFCs jsou: vysoká protonová vodivost (>10-2 S/cm pro praktické aplikace) k tomu, proton dopravy mezi elektrodami, dobrá chemická a tepelná stabilita pod palivových článků, provozní podmínky prostředí (vlhkost, proměnlivá teplota, odolnost proti jedovaté druhy, atd.), nízké náklady, schopnost zpracování na tenké vrstvy a celková kompatibilita s ostatními složkami buněk. Zatímco polymerní materiály jsou v současné době preferovanou volbou proton-vodivé membrány, které vyžadují zvlhčování pro dostatečný výkon a někdy může fyzicky degradovat vzhledem k hydrations účinky, což způsobuje ztráty účinnosti. Jak již bylo zmíněno, Nafion je také omezen dehydratační teplotou < 100 °C, což může vést k pomalejší reakční kinetice, špatné efektivitě nákladů a otravě CO katalyzátory Pt elektrod. Naopak, MOF prokázaly povzbudivé vodivosti protonů v režimech nízkých i vysokých teplot i v širokém rozsahu vlhkostních podmínek. Pod 100 °C a pod hydratace, přítomnost vodíkové vazby a rozpouštědla, molekuly vody podpory v proton dopravy, vzhledem k tomu, bezvodý podmínky jsou vhodné pro teploty nad 100 °C. soubory mof mají také nespornou výhodu vykazuje protonovou vodivost rámec sám o sobě kromě zařazení obvinění (tj. voda, kyseliny, atd.) do jejich pórů.

příkladem nízké teploty je práce Kitagawy a kol. who použila jako hostitele dvourozměrný rámec aniontové vrstvy přemostěný oxalátem a zavedla do pórů amonné kationty a molekuly kyseliny adipové pro zvýšení koncentrace protonů. Výsledkem byl jeden z prvních instancí MOF ukazuje „superprotonic“ vodivost (8 × 10-3 S/cm) při 25 °C a 98% relativní vlhkosti (RH). Později zjistili, že zvýšení hydrofilní povahy kationtů zavedených do pórů by mohlo ještě více zvýšit vodivost protonů. V tomto nízkoteplotním režimu, který je závislý na stupni hydratace, bylo také prokázáno, že vodivost protonů je silně závislá na hladinách vlhkosti.

vysokoteplotním bezvodým příkladem je PCMOF2, který se skládá ze sodných iontů koordinovaných s derivátem trisulfonovaného benzenu. Pro zlepšení výkonu a umožnění vyšších provozních teplot může být voda nahrazena jako nosič protonů méně těkavými molekulami imidazolu nebo triazolu v pórech. Maximální dosažená teplota byla 150 °C s optimální vodivostí 5 × 10-4 S / cm, která je nižší než u jiných současných elektrolytových membrán. Nicméně, tento model drží slib pro jeho teplotní režim, bezvodé podmínky, a schopnost kontrolovat množství hostujících molekul v pórech, což umožnilo tunability protonové vodivosti. Navíc, triazol-naložený PCMOF2 bylo začleněno do 2h/vzduch membrána-elektroda shromáždění a dosáhl otevřený obvod napětí 1.18 V při 100 °C, který byl stabilní po dobu 72 hodin a během testování se mu podařilo zůstat plynotěsný. To byl první instanci, která se ukázala soubory mof mohl skutečně být implementovány do fungování palivových článků, a mírné potenciální rozdíl ukázal, že palivo crossover vzhledem k pórovitosti nebyl problém.

k dnešnímu dni je nejvyšší protonová vodivost dosažená pro elektrolyt MOF 4,2 × 10-2 S/cm při 25 °C za vlhkých podmínek (98% RH), což je konkurenceschopné s Nafionem. Některé nedávné experimenty dokonce úspěšně vyráběny tenkých MOF membrán namísto tradičních hromadných vzorků nebo jeden krystaly, což je zásadní pro jejich průmyslové využitelnosti. Jakmile jsou MOF schopny trvale dosáhnout dostatečné úrovně vodivosti, mechanické pevnosti, stability vody a jednoduchého zpracování, mají potenciál hrát v Pemfc v blízké budoucnosti důležitou roli.

MOF byly také zaměřeny jako potenciální náhrada materiálů platinových kovových skupin (PGM) pro elektrodové katalyzátory, i když tento výzkum je stále v raných fázích vývoje. V Pemfc je reakce redukce kyslíku (ORR) na Pt katodě výrazně pomalejší než reakce oxidace paliva na anodě, a proto se jako alternativy zkoumají katalyzátory bez PGM a kovů. Vysoká objemová hustota, velké povrchové plochy pórů a otevřenost kov-iontových míst v MOF z nich činí ideální kandidáty na prekurzory katalyzátorů. Navzdory slibným katalytickým schopnostem je trvanlivost těchto navrhovaných katalyzátorů na bázi MOF v současné době menší než žádoucí a mechanismus ORR v této souvislosti stále není zcela pochopen.

Catalyst researcheditovat

velká část současného výzkumu katalyzátorů pro palivové články PEM lze klasifikovat jako jeden z následujících hlavních cílů:

1. získat vyšší katalytickou aktivitu než standardní karbon-podporované platinum částic katalyzátory používané v současné PEM palivové články
2. snížit otravy PEM palivové články, katalyzátory nečistot plyny
3. snížit náklady na palivového článku v důsledku použití platinové katalyzátory
4. pro zvýšení ORR aktivity platinové skupiny kovů-zdarma electrocatalysts

Příklady těchto postupů jsou uvedeny v následujících oddílech.

Zvýšení katalytické activityEdit

Jak bylo uvedeno výše, platinum je zdaleka nejúčinnější prvek, který se používá pro PEM palivové články, katalyzátory, a téměř všechny aktuální PEM palivové články použití platinových částic na porézní uhlík podporuje katalyzovat oba oxidace vodíku a redukci kyslíku. Vzhledem k jejich vysokým nákladům však současné katalyzátory Pt / C nejsou pro komercializaci proveditelné. USA. Ministerstvo Energetiky odhaduje, že platinové katalyzátory budou muset používat zhruba čtyřikrát méně platiny než se používá v současné PEM fuel cell návrhy s cílem představovat reálnou alternativu pro spalovací motory. V důsledku toho jeden hlavní cíl katalyzátoru design pro PEM palivové články je zvýšení katalytické aktivity platiny o faktor čtyři tak, že pouze jedna čtvrtina tolik drahých kovů je nezbytné k dosažení podobného výkonu.

jedním ze způsobů zvýšení výkonu platinových katalyzátorů je optimalizace velikosti a tvaru platinových částic. Snížení částic velikost sama o sobě zvyšuje celkového povrchu katalyzátoru, k dispozici k účasti v reakcích na objem platiny používané, ale nedávné studie prokázaly další způsoby, jak vydělat další vylepšení katalytické výkon. Millerovy indexy s velkými celými čísly, jako je Pt (730)) poskytují větší hustotu reaktivních míst pro redukci kyslíku než typické platinové nanočástice.

vzhledem k tomu, že nejběžnější a nejúčinnější katalyzátor, platina, je extrémně drahý, je nutné alternativní zpracování, aby se maximalizovala plocha povrchu a minimalizovalo zatížení. Ukládání nanosized Pt částic na oxid prášek (Pt/C) poskytuje velké Pt povrchu, zatímco uhlíku umožňuje elektrické spojení mezi katalyzátor a zbytek buňky. Platina je tak účinná, protože má vysokou aktivitu a vazby na vodík dostatečně silně, aby usnadnila přenos elektronů, ale nebránila vodíku v pohybu po buňce. Platina je však méně aktivní v katodové redukční reakci kyslíku. To vyžaduje použití více platiny, což zvyšuje náklady buňky a tím i proveditelnost. Mnoho potenciálních možností katalyzátoru je vyloučeno z důvodu extrémní kyselosti buňky.

nejúčinnějších způsobů, jak dosáhnout nano Pt na uhlíku prášek, který je v současné době nejlepší volba, jsou prostřednictvím vakuové depozice, naprašování, a elektrodepozice. Částice platiny se nanášejí na uhlíkový papír, který je prostoupen PTFE. Pro tuto vrstvu katalyzátoru však existuje optimální tenkost, která omezuje nižší nákladovou hranici. Pod 4 nm vytvoří Pt na papíře ostrovy, což omezí jeho aktivitu. Nad touto tloušťkou bude Pt pokrývat uhlík a bude účinným katalyzátorem. Dále komplikovat věci, Nafion nemůže být infiltrován za 10 um, takže použití více Pt, než je to zbytečné náklady. Množství a tvar katalyzátoru je tedy omezen omezeními jiných materiálů.

druhým způsobem zvýšení katalytické aktivity platiny je jeho slitina s jinými kovy. Například se nedávno ukázalo, že povrch Pt3Ni (111) má vyšší redukční aktivitu kyslíku než čistý Pt(111) o faktor deset. Autoři připisují tento dramatický nárůst výkonu na změny elektronické struktury povrchu, čímž se snižuje jeho tendence k bond obsahující kyslík iontové druhů vyskytujících se v PEM palivových článků a tím zvýšení počtu dostupných míst pro kyslík adsorpce a redukce.

Další zvýšení úspor může být realizována pomocí Ultrazvukové trysky použít platinový katalyzátor vrstva elektrolytu nebo karbonového papíru za atmosférických podmínek, což vede k vysoké účinnosti sprej. Studie prokázaly, že vzhledem k jednotné velikosti kapičky vytvořené pomocí tohoto typu sprej, vzhledem k vysoké účinnost přenosu technologií, vzhledem k non-zanášení přírody trysky a konečně vzhledem k tomu, že ultrazvukové energie de-aglomeráty pozastavení těsně před atomizace, palivové články MEA je vyrobené tímto způsobem mají větší homogenity v konečném MEA, a průtok plynu přes mobil, je mnohem jednotnější, maximalizaci efektivity platinum v MEA.Nedávné studie pomocí inkoustový tisk k uložení katalyzátoru přes membrány mají také ukazuje vysoké využití katalyzátoru v důsledku snížené tloušťce nanesené vrstvy katalyzátoru.

Velmi nedávno, nová třída ORR electrocatalysts byly zavedeny v případě Pt-M (M-Fe a Co) systémy s uspořádanou intermetalické jádro zapouzdřené v rámci Pt-bohaté shell. Tyto intermetalické core-shell (IMCS) nanocatalysts bylo zjištěno, že vykazují zvýšenou aktivitu, a co je nejdůležitější, delší trvanlivost ve srovnání s předchozí návrhy. Zatímco pozorované zvýšení v činnosti je přiřazena k napjaté mříž, autoři uvádějí, že jejich zjištění na kinetiky rozkladu stanovit, že rozšířené katalytické trvanlivost je důsledkem trvalé atomové pořadí.

snížení otravyedit

dalším populárním přístupem ke zlepšení výkonu katalyzátoru je snížení jeho citlivosti na nečistoty ve zdroji paliva, zejména oxid uhelnatý (CO). V současné době se čistý plynný vodík stává ekonomickým pro hromadnou výrobu elektrolýzou. Nicméně, v okamžiku, kdy plynný vodík je produkován parní reforming lehkých uhlovodíků, proces, který vytváří směs plynů, která obsahuje také CO (1-3%), CO2 (19-25%) a N2 (25%). Dokonce i desítky dílů na milion CO mohou otrávit čistý platinový katalyzátor, takže zvýšení odolnosti platiny vůči CO je aktivní oblastí výzkumu.

například, jedna studie uvádí, že ve tvaru krychle platinové nanočástice s (100) aspekty zobrazí čtyřnásobný nárůst kyslíku, snížení aktivity ve srovnání s náhodně tváří platinové nanočástice podobné velikosti. Autoři dospěli k závěru, že (111) aspekty náhodně ve tvaru nanočástic vázaných silněji na síranové ionty než (100) plošek, snížení počtu katalytické stránky otevřené na molekuly kyslíku. Nanokuby, které syntetizovali, měly naopak téměř výlučně (100) fazet, o nichž je známo, že slabě interagují se síranem. V důsledku toho byla k dispozici větší část povrchové plochy těchto částic pro redukci kyslíku, což zvýšilo redukční aktivitu katalyzátoru.

kromě toho, vědci byli vyšetřuje způsoby, jak snížit obsah CO ve vodíku paliva před vstupem do palivového článku jako možný způsob, jak se vyhnout otrava katalyzátorů. Jedna nedávná studie odhalila, že nanočástice ruthenium-platinové jádro-skořápka jsou zvláště účinné při oxidaci CO za vzniku CO2, mnohem méně škodlivého kontaminantu paliva. Mechanismus, který vytváří tento efekt, je koncepčně podobný mechanismu popsanému pro Pt3Ni výše: rutheniové jádro částice mění elektronickou strukturu platinového povrchu, čímž je lépe schopno katalyzovat oxidaci CO.

snížení nákladůedit

výzva pro životaschopnost palivových článků PEM dnes stále zůstává v jejich nákladech a stabilitě. Vysoké náklady lze z velké části připsat použití drahého kovu platiny v katalyzátorové vrstvě PEM buněk. Elektrokatalyzátor v současné době představuje téměř polovinu nákladů na zásobník palivových článků. Přestože se zatížení Pt palivových článků PEM v posledním desetiletí snížilo o dva řády, je nutné další snížení, aby byla technologie ekonomicky životaschopná pro komercializaci. Vzhledem k tomu, že některé výzkumné úsilí zaměřit na řešení tohoto problému tím, že zlepší electrocatalytic aktivity Pt-založené katalyzátory, alternativou je eliminovat používání Pt úplně vytvořením non-platinum-group-kov (non-PGM) katoda katalyzátor, jehož výkon soupeře, Pt-založené technologie. USA. Ministerstvo Energetiky má být nastavení milníků pro vývoj palivových článků, zaměřených na životnost 5000 hodin a non-PGM katalyzátor ORR objemové aktivity 300 cm−3.

slibnými alternativami k katalyzátorům na bázi Pt jsou katalyzátory kov/dusík/ uhlík (katalyzátory M/N/C). Pro dosažení vysoké hustoty výkonu nebo výkonu nad povrchovou plochou článku musí být splněna objemová aktivita alespoň 1/10 katalyzátorů na bázi Pt spolu s dobrými vlastnostmi pro přepravu hmoty. Zatímco M/N/C-katalyzátory ještě prokázat chudší objemové aktivity než Pt-založené katalyzátory, snížení nákladů těchto katalyzátorů umožňuje větší zatížení kompenzovat. Zvýšení zatížení m/N / c-katalyzátorů však také činí katalytickou vrstvu silnější, což zhoršuje její vlastnosti pro přepravu hmoty. Jinými slovy, H2, O2, protony a elektrony mají větší potíže s migrací katalytickou vrstvou, což snižuje napěťový výstup buňky. Zatímco vysoká mikroporozita katalytické sítě M / N / C má za následek vysokou volumetrickou aktivitu, zlepšené vlastnosti transportu hmoty jsou místo toho spojeny s makroporozitou sítě. Tyto materiály M / N / C se syntetizují za použití vysokoteplotní pyrolýzy a dalších vysokoteplotních úprav prekurzorů obsahujících kov, dusík a uhlík.

nedávno vědci vyvinuli katalyzátor Fe/N/C odvozený od acetátu železa (II) (FeAc), fenanthrolinu (Phen) a hostitele kov-organický rámec (MOF). MOF je zn (II) zeolitický imidazolátový rámec (ZIF) zvaný ZIF-8, který vykazuje vysokou mikroporézní povrchovou plochu a vysoký obsah dusíku vedoucí k aktivitě ORR. Moc hustotu FeAc/Phen/ZIF-8-katalyzátor bylo zjištěno, 0.75 W cm−2 na 0,6 V. Tato hodnota je významné zlepšení oproti maximální 0.37 W cm−2 a hustoty výkonu z předchozí M/N/C-katalyzátory a je mnohem blíže k odpovídající typické hodnoty 1.0–1.2 W cm−2 pro Pt-založené katalyzátory s Pt zatížení 0,3 mg cm−2. Katalyzátor také prokázal objemovou aktivitu 230 A * cm-3, což je dosud nejvyšší hodnota pro katalyzátory bez PGM, blížící se milníku ministerstva energetiky USA.

zatímco hustota výkonu dosažená novým katalyzátorem FeAc/Phen/ZIF-8 je slibná, jeho trvanlivost zůstává nedostatečná pro komerční použití. Uvádí se, že nejlepší trvanlivost vykazovaná tímto katalyzátorem měla stále 15% pokles proudové hustoty během 100 hodin v H2/vzduchu. Proto zatímco katalyzátory jiné než PGM na bázi Fe soupeří s katalyzátory na bázi Pt v jejich elektrokatalytické aktivitě, stále je třeba udělat mnoho práce v pochopení jejich degradačních mechanismů a zlepšení jejich trvanlivosti.