Protonbytningsmembranbrændselscelle

Pemfc ‘ er er bygget ud af membranelektrodesamlinger (MEA), der inkluderer elektroder, elektrolyt, katalysator og gasdiffusionslag. Et blæk af katalysator, kulstof og elektrode sprøjtes eller males på den faste elektrolyt, og carbonpapir presses varmt på begge sider for at beskytte indersiden af cellen og fungerer også som elektroder. Den centrale del af cellen er triple phase boundary (TPB), hvor elektrolytten, katalysatoren og reaktanterne blandes, og dermed hvor cellereaktionerne faktisk forekommer. Det er vigtigt, at membranen ikke må være elektrisk ledende, så halvreaktionerne ikke blandes. Driftstemperaturer over 100 liter C ønskes, så vandbiproduktet bliver damp, og vandforvaltningen bliver mindre kritisk i celledesign.

ReactionsEdit

en protonbytningsmembranbrændselscelle omdanner den kemiske energi, der frigøres under den elektrokemiske reaktion af brint og ilt til elektrisk energi, i modsætning til den direkte forbrænding af brint og iltgasser til produktion af termisk energi.

en strøm af hydrogen leveres til anodesiden af MEA. På anodesiden er den katalytisk opdelt i protoner og elektroner. Denne iltningshalvcellereaktion eller hydrogenoksideringsreaktion (HOR) er repræsenteret ved:

ved anoden:

de nydannede protoner gennemsyrer gennem polymerelektrolytmembranen til katodesiden. Elektronerne bevæger sig langs et eksternt belastningskredsløb til katodesiden af MEA, hvilket skaber brændselscellens aktuelle output.I mellemtiden leveres en strøm af ilt til katodesiden af MEA. Ved katodesiden reagerer iltmolekyler med protonerne, der gennemsyrer polymerelektrolytmembranen, og elektronerne, der ankommer gennem det eksterne kredsløb for at danne vandmolekyler. Denne reduktionshalvcellereaktion eller iltreduktionsreaktion (ORR) er repræsenteret ved:

ved katoden:

samlet reaktion:

den reversible reaktion udtrykkes i ligningen og viser reinkorporationen af brintprotonerne og elektronerne sammen med iltmolekylet og dannelsen af et vandmolekyle. Potentialerne i hvert tilfælde er givet med hensyn til standardhydrogenelektroden.

Polymer elektrolyt membranrediger

for at fungere skal membranen lede hydrogenioner (protoner), men ikke elektroner, da dette i virkeligheden ville “kortslutte” brændselscellen. Membranen må heller ikke tillade, at nogen af gassen passerer til den anden side af cellen, et problem kendt som gasovergang. Endelig skal membranen være modstandsdygtig over for det reducerende miljø ved katoden såvel som det barske iltningsmiljø ved anoden.

opdeling af hydrogenmolekylet er relativt let ved anvendelse af en platinkatalysator. Desværre er det imidlertid vanskeligere at opdele iltmolekylet, og dette medfører betydelige elektriske tab. Et passende katalysatormateriale til denne proces er ikke blevet opdaget, og platin er den bedste løsning.

et billigere alternativ til platin er Cerium(IV) oksidkatalysator, der anvendes af forskergruppen af professor Vladimirr Matol Larsn i udviklingen af PEMFC.

Styrkeredit

PEMFC er en førsteklasses kandidat til køretøjer og andre mobile applikationer i alle størrelser ned til mobiltelefoner på grund af dens kompakthed.

Svaghedrediger

brændselsceller baseret på PEM har stadig mange problemer:

1. Vandforvaltning

vandforvaltning er afgørende for ydeevnen: hvis vand fordampes for langsomt, vil det oversvømme membranen, og akkumuleringen af vand inde i feltstrømspladen vil hindre strømmen af ilt ind i brændselscellen, men hvis vandet fordamper for hurtigt, vil membranen tørre, og modstanden over den øges. Begge tilfælde vil forårsage skade på stabilitet og effekt. Vandforvaltning er et meget vanskeligt emne i PEM-systemer, primært fordi vand i membranen tiltrækkes mod cellens katode gennem polarisering.

der findes en lang række løsninger til styring af vandet, herunder integration af en elektroosmotisk pumpe.

en anden innovativ metode til at løse vandrecirkulationsproblemet er 3D finmasket strømningsfeltdesign, der blev brugt i Toyota Mirai, 2014. Konventionelt design af FC stack recirkulerer vand fra luftudløbet til luftindtaget gennem en luftfugter med en lige kanal og porøse metalstrømningsfelter.Strømningsfeltet er en struktur, der består af en ribbe og kanaler. Ribben dækker dog delvist gasdiffusionslaget (GDL), og den resulterende gastransportafstand er længere end interkanalafstanden. Endvidere komprimerer kontakttrykket mellem GDL og ribben også GDL, hvilket gør dens tykkelse ikke-ensartet over ribben og kanalen. Den store bredde og ikke-ensartede tykkelse af ribben vil øge potentialet for vanddamp at akkumulere, og iltet vil blive kompromitteret. Som et resultat vil ilt blive forhindret i at diffundere i katalysatorlag, hvilket fører til ikke-ensartet kraftproduktion i FC.

dette nye design gjorde det muligt for de første FC-stakfunktioner uden et befugtningssystem i mellemtiden at overvinde vandrecirkulationsproblemer og opnå høj effektstabilitet. 3D-mikrogitteret tillader flere veje til gasstrøm; derfor fremmer det luftstrøm mod membranelektrode og gasdiffusionslagsamling (MEGA) og fremmer O2-diffusion til katalysatorlaget. I modsætning til konventionelle strømningsfelter er 3D-mikrogitterene i det komplekse felt, der fungerer som baffler og inducerer hyppig mikroskala grænsefladestrøm mellem GDL og strømningsfelter. På grund af denne gentagne konvektive strømning i mikroskala forbedres ilttransport til katalysatorlag (CL) og fjernelse af flydende vand fra GDL markant. Det genererede vand trækkes hurtigt ud gennem strømningsfeltet, hvilket forhindrer ophobning i porerne. Som et resultat er kraftproduktionen fra dette strømningsfelt ensartet på tværs af tværsnittet, og selvbefugtning er aktiveret.

2. Sårbarhed af katalysatoren

platinkatalysatoren på membranen forgiftes let af kulilte (højst en del pr.million er normalt acceptabel), og membranen er følsom over for ting som metalioner, som kan indføres ved korrosion af metalliske bipolære plader, metalliske komponenter i brændselscellesystemet eller fra forurenende stoffer i brændstoffet/iltmidlet.

PEM-systemer, der bruger reformeret methanol, blev foreslået, som i Daimler Chrysler Necar 5; reformering af methanol, dvs. at få det til at reagere for at opnå brint er imidlertid en meget kompliceret proces, der også kræver oprensning fra kulilte, som reaktionen producerer. En Platin-ruthenium-katalysator er nødvendig, da noget kulilte uundgåeligt når membranen. Niveauet må ikke overstige 10 dele pr. Desuden er opstartstiderne for en sådan reformatorreaktor på cirka en halv time. Alternativt kan methanol og nogle andre biobrændstoffer tilføres en PEM brændselscelle direkte uden at blive reformeret, hvilket gør en direkte methanol brændselscelle (DMFC). Disse enheder fungerer med begrænset succes.

3. Begrænsning af driftstemperatur

den mest almindeligt anvendte membran er Nafion af Kemurer, som er afhængig af flydende vandbefugtning af membranen til transport af protoner. Dette indebærer, at det ikke er muligt at anvende temperaturer over 80 til 90 liter C, da membranen ville tørre. Andre nyere membrantyper, der er baseret på PBI eller phosphorsyre, kan nå op til 220 liter C uden brug af vandforvaltning: højere temperatur giver mulighed for bedre effektivitet, effekttæthed, let afkøling (på grund af større tilladte temperaturforskelle), reduceret følsomhed over for kulilteforgiftning og bedre styrbarhed (på grund af manglende vandforvaltningsproblemer i membranen); disse nylige typer er imidlertid ikke så almindelige. PBI kan doteres med fosfor – eller svovlsyre, og ledningsevnen skaleres med mængden af doping og temperatur. Ved høje temperaturer er det vanskeligt at holde Nafion hydreret, men dette syredoterede materiale bruger ikke vand som et medium til protonledning. Det udviser også bedre mekaniske egenskaber, højere styrke end Nafion og er billigere. Syreudvaskning er imidlertid et betydeligt problem, og forarbejdning, blanding med katalysator for at danne blæk, har vist sig vanskelig. Aromatiske polymerer, såsom PEEK, er langt billigere end Teflon (PTFE og rygraden i Nafion), og deres polære karakter fører til hydrering, der er mindre temperaturafhængig end Nafion. PEEK er imidlertid langt mindre ionledende end Nafion og er således et mindre gunstigt elektrolytvalg. For nylig er protiske Ioniske væsker og protiske organiske Ioniske plastkrystaller blevet vist som lovende alternative elektrolytmaterialer til høj temperatur (100-200 liter C) Pemfc ‘ er.

Elektroderedit

en elektrode består typisk af carbonunderstøtning, Pt-partikler, Nafion-ionomer og/eller Teflonbindemiddel. Kulstofstøtten fungerer som en elektrisk leder; Pt-partiklerne er reaktionssteder; ionomeren tilvejebringer stier til protonledning, og Teflonbindemidlet øger elektrodens hydrofobicitet for at minimere potentiel oversvømmelse. For at muliggøre de elektrokemiske reaktioner ved elektroderne skal protoner, elektroner og reaktantgasserne (brint eller ilt) få adgang til overfladen af katalysatoren i elektroderne, mens produktvandet, der kan være i enten flydende eller gasformig fase eller begge faser, skal være i stand til at trænge igennem fra katalysatoren til gasudløbet. Disse egenskaber realiseres typisk af porøse kompositter af polymerelektrolytbindemiddel (ionomer) og katalysator nanopartikler understøttet på carbonpartikler. Typisk anvendes platin som katalysator for de elektrokemiske reaktioner ved anoden og katoden, mens nanopartikler realiserer høje forhold mellem overflade og vægt (som yderligere beskrevet nedenfor), hvilket reducerer mængden af det dyre platin. Polymerelektrolytbindemidlet tilvejebringer den ioniske ledningsevne, mens katalysatorens kulstofstøtte forbedrer den elektriske ledningsevne og muliggør lav platinmetalbelastning. Den elektriske ledningsevne i kompositelektroderne er typisk mere end 40 gange højere som protonledningsevnen.

gasdiffusionslagredit

GDL forbinder katalysatoren og strømsamleren elektrisk. Det skal være porøst, elektrisk ledende og tyndt. Reaktanterne skal være i stand til at nå katalysatoren, men ledningsevne og porøsitet kan fungere som modstående kræfter. Optimalt bør GDL bestå af ca.en tredjedel Nafion eller 15% PTFE. De carbonpartikler, der anvendes i GDL, kan være større end dem, der anvendes i katalysatoren, fordi overfladearealet ikke er den vigtigste variabel i dette lag. GDL skal være omkring 15-35 liter tyk for at afbalancere den nødvendige porøsitet med mekanisk styrke. Ofte tilsættes et mellemliggende porøst lag mellem GDL og katalysatorlaget for at lette overgangene mellem de store porer i GDL og lille porøsitet i katalysatorlaget. Da en primær funktion af GDL er at hjælpe med at fjerne vand, et produkt, kan oversvømmelse opstå, når vand effektivt blokerer GDL. Dette begrænser reaktanternes evne til at få adgang til katalysatoren og reducerer ydeevnen markant. Teflon kan belægges på GDL for at begrænse muligheden for oversvømmelse. Flere mikroskopiske variabler analyseres i GDL ‘ erne, såsom: porøsitet, tortuositet og permeabilitet. Disse variabler har forekomst over brændselscellernes opførsel.

EfficiencyEdit

Den maksimale teoretiske effektivitet anvende Gibbs fri energi ligning ΔG = -237.13 kJ/mol, og ved hjælp af den varme værdien af Brint (ΔH = -285.84 kJ/mol) 83% ved 298 K.

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

Den praktiske effektivitet af en PEMs er i størrelsesordenen 50-60% .Vigtigste faktorer, der skaber tab er:

• Aktiveringstab
• ohmske tab
• massetransporttab

metalorganiske rammearbejderedit

metalorganiske rammer (MOF ‘ er) er en relativt ny klasse af porøse, stærkt krystallinske materialer, der består af metalknudepunkter forbundet med organiske linkere. På grund af enkelheden ved at manipulere eller erstatte metalcentre og ligander er der et næsten ubegrænset antal mulige kombinationer, hvilket er attraktivt ud fra et designsynspunkt. MOF ‘ er udviser mange unikke egenskaber på grund af deres indstillelige porestørrelser, termisk stabilitet, høj volumenkapacitet, store overfladearealer og ønskelige elektrokemiske egenskaber. Blandt deres mange forskellige anvendelser er MOF ‘ er lovende kandidater til applikationer med ren energi såsom brintopbevaring, gasseparationer, superkapacitorer, Li-ion-batterier, solceller og brændselsceller. Inden for brændselscelleforskning undersøges MOF ‘ er som potentielle elektrolytmaterialer og elektrodekatalysatorer, der en dag kan erstatte henholdsvis traditionelle polymermembraner og Pt-katalysatorer.

som elektrolytmaterialer synes inkluderingen af MOF ‘ er i første omgang kontraintuitivt. Brændselscellemembraner har generelt lav porøsitet for at forhindre brændstofovergang og tab af spænding mellem anoden og katoden. Derudover har membraner en tendens til at have lav krystallinitet, fordi transporten af ioner er mere gunstig i uordnede materialer. På den anden side kan porer fyldes med yderligere ionbærere, der i sidste ende forbedrer systemets Ioniske ledningsevne, og høj krystallinitet gør designprocessen mindre kompleks.

de generelle krav til en god elektrolyt til Pemfc ‘ er er: høj protonledningsevne (> 10-2 S/cm til praktiske anvendelser) for at muliggøre protontransport mellem elektroder, god kemisk og termisk stabilitet under driftsbetingelser for brændselsceller (miljøfugtighed, variable temperaturer, modstandsdygtighed over for giftige arter osv.), lave omkostninger, evne til at blive forarbejdet til tynde film og samlet kompatibilitet med andre cellekomponenter. Mens polymere materialer i øjeblikket er det foretrukne valg af protonledende membran, kræver de befugtning for tilstrækkelig ydeevne og kan undertiden fysisk nedbrydes på grund af hydrationseffekter og derved forårsage tab af effektivitet. Som nævnt er Nafion også begrænset af en dehydreringstemperatur på < 100 liter C, hvilket kan føre til langsommere reaktionskinetik, dårlig omkostningseffektivitet og CO-forgiftning af Pt-elektrodekatalysatorer. Omvendt har MOF ‘ er vist opmuntrende protonledningsevne i både lave og høje temperaturregimer såvel som over en lang række fugtighedsforhold. Under 100 liter C og under hydrering hjælper tilstedeværelsen af hydrogenbinding og opløsningsmiddelvandsmolekyler i protontransport, mens vandfrie betingelser er egnede til temperaturer over 100 liter C. MOF ‘ er har også den klare fordel at udvise protonledningsevne ved selve rammen ud over inkluderingen af ladningsbærer (dvs.vand, syrer osv.) ind i deres porer.

et eksempel på lav temperatur er arbejde af Kitagua, et al. som vært og introducerede ammoniumkationer og adipinsyremolekyler i porerne for at øge protonkoncentrationen. Resultatet var et af de første tilfælde af en MOF, der viste “superprotonisk” ledningsevne (8 liter 10-3 S/cm) ved 25 liter C og 98% relativ fugtighed (RH). De fandt senere, at forøgelse af den hydrofile natur af kationerne indført i porerne kunne forbedre protonledningsevnen endnu mere. I dette lave temperaturregime, der er afhængig af hydratiseringsgrad, har det også vist sig, at protonledningsevne er stærkt afhængig af fugtighedsniveauer.

et vandfrit eksempel ved høj temperatur er PCMOF2, som består af natriumioner koordineret til et trisulfoneret bensenderivat. For at forbedre ydeevnen og give mulighed for højere driftstemperaturer kan vand udskiftes som protonbærer med mindre flygtige molekyler i porerne. Den maksimale opnåede temperatur var 150 liter C med en optimal ledningsevne på 5 liter 10-4 S/cm, hvilket er lavere end andre strømelektrolytmembraner. Imidlertid, denne model holder løfte om dens temperaturregime, vandfri betingelser, og evne til at kontrollere mængden af gæstemolekyler i porerne, som alle muliggjorde tilpasningen af protonledningsevne. Derudover blev den triasolbelastede PCMOF2 inkorporeret i en H2/luftmembranelektrodesamling og opnået en åben kredsløbsspænding på 1.18 V ved 100 liter C, der var stabil i 72 timer og formåede at forblive gastæt under hele testen. Dette var den første instans, der beviste, at MOF ‘ er faktisk kunne implementeres i fungerende brændselsceller, og den moderate potentielle forskel viste, at brændstofovergang på grund af porøsitet ikke var et problem.

til dato er den højeste protonledningsevne opnået for en MOF-elektrolyt 4,2 liter 10-2 S/cm ved 25 liter C under fugtige forhold (98% RH), hvilket er konkurrencedygtigt med Nafion. Nogle nylige eksperimenter har endda med succes produceret tyndfilm MOF-membraner i stedet for de traditionelle bulkprøver eller enkeltkrystaller, hvilket er afgørende for deres industrielle anvendelighed. Når MOF ‘er er i stand til konsekvent at opnå tilstrækkelige ledningsevneniveauer, mekanisk styrke, vandstabilitet og enkel behandling, har de potentialet til at spille en vigtig rolle i Pemfc’ er i den nærmeste fremtid.

MOF ‘ er er også blevet målrettet som potentielle udskiftninger af platinagruppemetal (PGM) materialer til elektrodekatalysatorer, selvom denne forskning stadig er i de tidlige udviklingsstadier. I Pemfc ‘ er er iltreduktionsreaktionen (ORR) ved Pt-katoden signifikant langsommere end brændstofoksideringsreaktionen ved anoden, og derfor undersøges ikke-PGM og metalfrie katalysatorer som alternativer. Den høje volumetriske tæthed, store poreoverfladearealer og åbenhed af metalionsteder i MOF ‘ er gør dem til ideelle kandidater til katalysatorforløbere. På trods af lovende katalytiske evner er holdbarheden af disse foreslåede MOF-baserede katalysatorer i øjeblikket mindre end ønskelig, og ORR-mekanismen i denne sammenhæng er stadig ikke helt forstået.

Katalysatorforskningredit

meget af den nuværende forskning på katalysatorer til PEM-brændselsceller kan klassificeres som havende et af følgende hovedmål:

1. for at opnå højere katalytisk aktivitet end de standardkulstofstøttede platinpartikelkatalysatorer, der anvendes i nuværende PEM-brændselsceller
2. for at reducere forgiftningen af PEM-brændselscellekatalysatorer med urenhedsgasser
3. for at reducere omkostningerne til brændselscellen på grund af anvendelse af platinbaserede katalysatorer
4. for at forbedre Orr-aktiviteten af metalfrie elektrokatalysatorer i platingruppen

eksempler på disse tilgange er givet i de følgende afsnit.

stigende katalytisk aktivitetredit

som nævnt ovenfor er platin langt det mest effektive element, der anvendes til PEM-brændselscellekatalysatorer, og næsten alle nuværende PEM-brændselsceller bruger platinpartikler på porøse carbonstøtter til at katalysere både brintoksidering og iltreduktion. På grund af deres høje omkostninger er nuværende Pt/C-katalysatorer imidlertid ikke mulige til kommercialisering. amerikansk. Department of Energy estimerer, at platinbaserede katalysatorer bliver nødt til at bruge omtrent fire gange mindre platin, end der bruges i nuværende PEM-brændselscelledesign for at repræsentere et realistisk alternativ til forbrændingsmotorer. Derfor er et hovedmål med katalysatordesign for PEM-brændselsceller at øge den katalytiske aktivitet af platin med en faktor på fire, så kun en fjerdedel så meget af ædle metaller er nødvendigt for at opnå lignende ydeevne.

en metode til at øge ydeevnen for platinkatalysatorer er at optimere størrelsen og formen af platinpartiklerne. Reduktion af partiklernes størrelse alene øger det samlede overfladeareal af katalysator, der er tilgængeligt for at deltage i reaktioner pr.anvendt platin, men nylige undersøgelser har vist yderligere måder at foretage yderligere forbedringer af katalytisk ydeevne. For eksempel rapporterer en undersøgelse, at facetter med højt indeks af platin-nanopartikler (det vil sige Miller-indekser med store heltal, såsom Pt (730)) giver en større tæthed af reaktive steder til iltreduktion end typiske platin-nanopartikler.

da den mest almindelige og effektive katalysator, platin, er ekstremt dyr, er alternativ behandling nødvendig for at maksimere overfladearealet og minimere belastningen. Aflejring af nanosiserede Pt-partikler på kulstofpulver (Pt/C) giver et stort Pt-overfladeareal, mens kulstoffet muliggør elektrisk forbindelse mellem katalysatoren og resten af cellen. Platin er så effektiv, fordi den har høj aktivitet og bindinger til brintet lige stærkt nok til at lette elektronoverførsel, men ikke hæmme brintet i at fortsætte med at bevæge sig rundt i cellen. Imidlertid er platin mindre aktiv i katodens iltreduktionsreaktion. Dette nødvendiggør brugen af mere platin, hvilket øger cellens udgift og dermed gennemførlighed. Mange potentielle katalysatorvalg er udelukket på grund af cellens ekstreme surhed.

de mest effektive måder at opnå nanoskala Pt på carbonpulver, som i øjeblikket er den bedste løsning, er gennem vakuumaflejring, forstøvning og elektrodeposition. Platinpartiklerne deponeres på carbonpapir, der er gennemsyret med PTFE. Der er imidlertid en optimal tyndhed til dette katalysatorlag, hvilket begrænser den lavere omkostningsgrænse. Under 4 nm vil Pt danne øer på papiret, hvilket begrænser dets aktivitet. Over denne tykkelse vil Pt belægge carbonet og være en effektiv katalysator. For yderligere at komplicere tingene kan Nafion ikke infiltreres ud over 10 um, så at bruge mere Pt end dette er en unødvendig udgift. Således er mængden og formen af katalysatoren begrænset af begrænsningerne af andre materialer.

en anden metode til at øge den katalytiske aktivitet af platin er at legere den med andre metaller. For eksempel blev det for nylig vist, at Pt3Ni(111) overfladen har en højere iltreduktionsaktivitet end ren Pt(111) med en faktor på ti. Forfatterne tilskriver denne dramatiske præstationsforøgelse ændringer af overfladens elektroniske struktur, hvilket reducerer dens tendens til at binde til iltholdige Ioniske arter, der er til stede i PEM-brændselsceller og dermed øge antallet af tilgængelige steder til iltadsorption og reduktion.

yderligere effektivitetsgevinster kan realiseres ved hjælp af en Ultralydsdyse til påføring af platinkatalysatoren på elektrolytlaget eller på carbonpapir under atmosfæriske forhold, hvilket resulterer i højeffektiv spray. Undersøgelser har vist, at på grund af den ensartede størrelse af dråberne, der er skabt af denne type spray, på grund af teknologiens høje overførselseffektivitet på grund af dysens ikke-tilstoppende natur og til sidst på grund af det faktum, at ultralydsenergien de-agglomerater suspensionen lige før forstøvning, brændselsceller MEA ‘ er fremstillet på denne måde har en større homogenitet i den endelige MEA, og gasstrømmen gennem cellen er mere ensartet, hvilket maksimerer effektiviteten af platin i MEA.Nylige undersøgelser, der bruger inkjetprint til at deponere katalysatoren over membranen, har også vist høj katalysatorudnyttelse på grund af den reducerede tykkelse af de deponerede katalysatorlag.

for nylig er en ny klasse af Orr-elektrokatalysatorer blevet introduceret i tilfælde af Pt-M (M-Fe og Co) systemer med en ordnet intermetallisk kerne indkapslet i en Pt-rig skal. Disse intermetalliske core-shell (IMCS) nanokatalysatorer viste sig at udvise en forbedret aktivitet og vigtigst af alt en udvidet holdbarhed sammenlignet med mange tidligere designs. Mens den observerede forbedring i aktiviteterne tilskrives et anstrengt gitter, forfatterne rapporterer, at deres fund om nedbrydningskinetikken fastslår, at den udvidede katalytiske holdbarhed kan tilskrives en vedvarende atomorden.

reduktion af forgiftningredit

den anden populære tilgang til forbedring af katalysatorens ydeevne er at reducere dens følsomhed over for urenheder i brændstofkilden, især kulilte (CO). I øjeblikket bliver ren hydrogengas økonomisk til masseproduktion ved elektrolyse. I øjeblikket produceres imidlertid hydrogengas ved dampreformering af lette carbonhydrider, en proces, der producerer en blanding af gasser, der også indeholder CO (1-3%), CO2 (19-25%) og N2 (25%). Millioner CO kan forgifte en ren platinkatalysator, så øget Platins modstand mod CO er et aktivt forskningsområde.

for eksempel rapporterede en undersøgelse, at kubeformede platin nanopartikler med (100) facetter viste en firdobling i iltreduktionsaktivitet sammenlignet med tilfældigt facetterede platin nanopartikler af samme størrelse. Forfatterne konkluderede, at (111) facetterne af de tilfældigt formede nanopartikler bundet stærkere til sulfationer end (100) facetterne, hvilket reducerer antallet af katalytiske steder, der er åbne for iltmolekyler. Nanokuberne, de syntetiserede, havde derimod næsten udelukkende (100) facetter, som vides at interagere med sulfat mere svagt. Som et resultat var en større brøkdel af overfladearealet af disse partikler tilgængelig til reduktion af ilt, hvilket øgede katalysatorens iltreduktionsaktivitet.

derudover har forskere undersøgt måder at reducere CO-indholdet af brintbrændstof, før det kommer ind i en brændselscelle som en mulig måde at undgå forgiftning af katalysatorerne. En nylig undersøgelse afslørede, at ruthenium-platinum core–shell nanopartikler er særligt effektive til at ilte CO til dannelse af CO2, et meget mindre skadeligt brændstofforurenende stof. Mekanismen, der producerer denne effekt, svarer konceptuelt til den, der er beskrevet for Pt3Ni ovenfor: ruthenium – kernen i partiklen ændrer den elektroniske struktur af platinoverfladen, hvilket gør den bedre i stand til at katalysere iltning af CO.

sænkning af omkostningernedit

udfordringen for levedygtigheden af PEM-brændselsceller i dag er stadig i deres omkostninger og stabilitet. De høje omkostninger kan i vid udstrækning tilskrives brugen af ædle metaller af platin i katalysatorlaget af PEM-celler. Elektrokatalysatoren tegner sig i øjeblikket for næsten halvdelen af brændselscellestakomkostningerne. Selvom Pt-belastningen af PEM-brændselsceller er blevet reduceret med to størrelsesordener i løbet af det sidste årti, er yderligere reduktion nødvendig for at gøre teknologien økonomisk levedygtig til kommercialisering. Mens nogle forskningsindsatser sigter mod at løse dette problem ved at forbedre Pt-baserede katalysatorers elektrokatalytiske aktivitet, er et alternativ at eliminere brugen af Pt helt ved at udvikle en ikke-platin-gruppe-metal (ikke-PGM) katodekatalysator, hvis ydeevne konkurrerer med Pt-baserede teknologier. amerikansk. Department of Energy har sat milepæle for udviklingen af brændselsceller, rettet mod en holdbarhed på 5000 timer og en ikke-PGM katalysator ORR volumetrisk aktivitet på 300 A cm−3.

lovende alternativer til PT-baserede katalysatorer er Metal/Nitrogen/ Carbon-katalysatorer (M/N/C-katalysatorer). For at opnå høj effekttæthed eller effektudgang over cellens overfladeareal skal en volumetrisk aktivitet på mindst 1/10 af Pt-baserede katalysatorer være opfyldt sammen med gode massetransportegenskaber. Mens M/N / C-katalysatorer stadig viser dårligere volumetriske aktiviteter end Pt-baserede katalysatorer, giver de reducerede omkostninger ved sådanne katalysatorer mulighed for større belastning for at kompensere. Forøgelse af belastningen af M/N / C-katalysatorer gør imidlertid også det katalytiske lag tykkere og forringer dets massetransportegenskaber. Med andre ord har H2, O2, protoner og elektroner større vanskeligheder med at migrere gennem det katalytiske lag, hvilket reducerer cellens spændingsudgang. Mens høj mikroporøsitet af M/N/C katalytisk netværk resulterer i høj volumetrisk aktivitet, forbedrede massetransportegenskaber er i stedet forbundet med netværkets makroporøsitet. Disse M/N / C-materialer syntetiseres ved hjælp af pyrolyse ved høj temperatur og andre behandlinger med høj temperatur af forstadier indeholdende metal, nitrogen og kulstof.

for nylig har forskere udviklet en Fe/N/c-katalysator afledt af jern (II) acetat (FeAc), phenanthrolin (Phen) og en metal-organisk ramme (MOF) vært. MOF ‘ en er et såkaldt imidasolat-8, som viser et højt mikroporøst overfladeareal og et højt nitrogenindhold, der fremmer ORR-aktivitet. Effekttætheden af FeAc / Phen / lynlås-8-katalysatoren viste sig at være 0,75 B cm-2 ved 0,6 V. Denne værdi er en signifikant forbedring i forhold til den maksimale 0,37 B cm−2 effekttæthed af tidligere M/N/C-katalysatorer og er meget tættere på at matche den typiske værdi på 1,0–1,2 B cm−2 for Pt-baserede katalysatorer med en Pt−belastning på 0,3 mg cm-2. Katalysatoren viste også en volumetrisk aktivitet på 230 A·cm−3, den højeste værdi for ikke-PGM katalysatorer til dato, nærmer sig US Department of Energy milepæl.

mens effekttætheden opnået ved den nye FeAc/Phen/lynlås-8-katalysator er lovende, forbliver dens holdbarhed utilstrækkelig til kommerciel anvendelse. Det forlyder, at den bedste holdbarhed udstillet af denne katalysator stadig havde en 15% fald i strømtæthed over 100 timer i H2/luft. Mens de Fe-baserede ikke-PGM-katalysatorer konkurrerer med Pt-baserede katalysatorer i deres elektrokatalytiske aktivitet, er der stadig meget arbejde, der skal gøres med at forstå deres nedbrydningsmekanismer og forbedre deres holdbarhed.