Protoncserélő membrán üzemanyagcella

a Pemfc-k membránelektród-szerelvényekből (MEA) épülnek fel, amelyek magukban foglalják az elektródákat, az elektrolitot, a katalizátort és a gázdiffúziós rétegeket. A katalizátor, a szén és az elektróda tintáját permetezik vagy festik a szilárd elektrolitra, és a szénpapírt mindkét oldalon melegen préselik, hogy megvédjék a cella belsejét, és elektródákként is működjenek. A sejt sarkalatos része a hármas fázishatár (TPB), ahol az elektrolit, a katalizátor és a reagensek keverednek, és így a sejtreakciók ténylegesen előfordulnak. Fontos, hogy a membrán ne legyen elektromosan vezető, így a félreakciók nem keverednek. 100 db C feletti üzemi hőmérsékletre van szükség, így a víz mellékterméke gőzzé válik, a vízgazdálkodás pedig kevésbé kritikus a cellák tervezésében.

ReactionsEdit

a protoncserélő membrán az üzemanyagcella a hidrogén és az oxigén elektrokémiai reakciója során felszabaduló kémiai energiát elektromos energiává alakítja, szemben a hidrogén és az oxigén gázok közvetlen égetésével hőenergia előállítására.

hidrogénáramot juttatunk a MEA anódoldalára. Az anód oldalán katalitikusan protonokra és elektronokra oszlik. Ezt az oxidációs félsejtes reakciót vagy hidrogén-oxidációs reakciót (Hor) a következők képviselik:

az anódnál:

az újonnan képződött protonok a polimer elektrolit membránon keresztül a katódoldalra hatolnak át. Az elektronok egy külső terhelési áramkör mentén haladnak a MEA katódoldaláig, ezáltal létrehozva az üzemanyagcella áramkimenetét.Eközben oxigénáramot juttatnak a MEA katódoldalára. A katódoldalon az oxigénmolekulák reagálnak a polimer elektrolit membránon Áthatoló protonokkal, a külső áramkörön keresztül érkező elektronokkal pedig vízmolekulákat képeznek. Ezt a redukciós félsejtes reakciót vagy oxigén-redukciós reakciót (ORR) a következők képviselik:

a katódnál:

teljes reakció:

a reverzibilis reakciót az egyenletben fejezzük ki, és bemutatjuk a hidrogén protonok és elektronok újraegyesülését az oxigénmolekulával együtt, és egy vízmolekula képződését. A potenciálokat minden esetben a standard hidrogénelektródhoz viszonyítva adjuk meg.

polimer elektrolit membránszerkesztés

a működéshez a membránnak hidrogénionokat (protonokat) kell vezetnie, de nem elektronokat, mivel ez valójában “rövidre zárná” az üzemanyagcellát. A membránnak szintén nem szabad megengednie, hogy egyik gáz sem kerüljön a cella másik oldalára, ezt a problémát gázkeresztezésnek nevezik. Végül a membránnak ellenállónak kell lennie a katód redukáló környezetével, valamint az anód kemény oxidatív környezetével szemben.

a hidrogénmolekula felosztása platina katalizátor alkalmazásával viszonylag egyszerű. Sajnos azonban az oxigénmolekula felosztása nehezebb, és ez jelentős elektromos veszteségeket okoz. Ehhez a folyamathoz megfelelő katalizátoranyagot nem fedeztek fel, és a platina a legjobb megoldás.

a platina olcsóbb alternatívája a cérium (IV) – oxid katalizátor, amelyet Vladimiri professzor kutatócsoportja használ a Pemfc fejlesztésében.

StrengthsEdit

a pemfc kompaktsága miatt elsődleges jelölt a járművek és más mobil alkalmazások számára minden méretben, a mobiltelefonokig.

Gyengeségekszerkesztés

a PEM-en alapuló Üzemanyagcelláknak még mindig sok problémája van:

1. Vízgazdálkodás

a vízgazdálkodás elengedhetetlen a teljesítményhez: ha a víz elpárolog túl lassan, akkor elárasztja a membránt, és a víz felhalmozódása a mező áramlási lemez belsejében akadályozza az oxigén áramlását az üzemanyagcellába, de ha a víz túl gyorsan elpárolog, a membrán megszárad, és az ellenállás növekszik. Mindkét eset károsítja a stabilitást és a teljesítményt. A vízgazdálkodás nagyon nehéz téma a PEM rendszerekben, elsősorban azért, mert a membránban lévő víz polarizáció révén vonzódik a sejt katódjához.

a víz kezelésére sokféle megoldás létezik, beleértve az elektroozmotikus szivattyú integrálását.

egy másik innovatív módszer a víz recirkulációs problémájának megoldására a Toyota Mirai, 2014-ben használt 3D finom hálós áramlási mező kialakítása. Hagyományos kialakítása FC stack recirkulálja a vizet a levegő kilépő a levegő bemeneti keresztül párásító egy egyenes csatorna és porózus fém áramlási mezők.Az áramlási mező egy bordából és csatornákból álló szerkezet. A borda azonban részben lefedi a gázdiffúziós réteget (GDL), és az ebből eredő gázszállítási távolság hosszabb, mint a csatornák közötti távolság. Ezenkívül a GDL és a borda közötti érintkezési nyomás szintén összenyomja a GDL-t, így vastagsága nem egyenletes a bordán és a csatornán. A borda nagy szélessége és nem egyenletes vastagsága növeli a vízgőz felhalmozódásának lehetőségét, és az oxigén veszélybe kerül. Ennek eredményeként az oxigén akadályozza a katalizátorrétegbe történő diffundációt, ami nem egységes energiatermeléshez vezet az FC-ben.

ez az új kialakítás lehetővé tette az első FC stack funkciókat párásító rendszer nélkül, miközben leküzdötte a víz recirkulációs problémáit és nagy teljesítmény-stabilitást ért el. A 3D mikrorács több utat tesz lehetővé a gázáramláshoz; ezért elősegíti a légáramlást a membránelektróda és a gázdiffúziós réteg (MEGA) felé, és elősegíti az O2 diffúziót a katalizátorréteghez. A hagyományos áramlási mezőktől eltérően a 3D mikrorácsok a komplex mezőben, amelyek terelőként működnek, és gyakori mikroméretű interfaciális fluxust indukálnak a GDL és az áramlási mezők között. Ennek az ismétlődő mikroméretű konvektív áramlásnak köszönhetően jelentősen javul az oxigén szállítása a katalizátorrétegbe (CL) és a folyékony víz eltávolítása a GDL-ből. A keletkező víz gyorsan kiszívódik az áramlási mezőn keresztül, megakadályozva a pórusokon belüli felhalmozódást. Ennek eredményeként az ebből az áramlási mezőből származó energiatermelés egyenletes a keresztmetszetben, és az önnedvesítés engedélyezve van.

2. A katalizátor sebezhetősége

a membránon lévő platina katalizátort könnyen megmérgezi szén-monoxid (általában legfeljebb egy milliomod rész elfogadható), és a membrán érzékeny olyan dolgokra, mint a fémionok, amelyek fémes bipoláris lemezek korróziójával, az üzemanyagcellás rendszerben lévő fémkomponensekkel vagy az üzemanyagban/oxidálószerben lévő szennyeződésekkel vezethetők be.

reformált metanolt használó PEM rendszereket javasoltak, mint a Daimler Chrysler Necar 5-ben; reformáló metanol, azaz. a hidrogén előállítása azonban nagyon bonyolult folyamat, amely megköveteli a reakció által termelt szén-monoxid tisztítását is. Platina-ruténium katalizátorra van szükség, mivel némi szén-monoxid elkerülhetetlenül eléri a membránt. A szint nem haladhatja meg a 10 ppm-et. Ezenkívül egy ilyen reformer reaktor indítási ideje körülbelül fél óra. Alternatív megoldásként a metanolt és néhány más bioüzemanyagot közvetlenül a PEM üzemanyagcellába lehet táplálni anélkül, hogy megreformálnák, így közvetlen metanol üzemanyagcellát (DMFC) hoznának létre. Ezek az eszközök korlátozott sikerrel működnek.

3. Az üzemi hőmérséklet korlátozása

a leggyakrabban használt membrán a Nafion by Chemours, amely a membrán folyékony víz párásítására támaszkodik a protonok szállításához. Ez azt jelenti, hogy nem kivitelezhető 80-90 oc feletti hőmérsékletek használata, mivel a membrán kiszáradna. Más, újabb membrán típusok, amelyek polibenzimidazolon (PBI) vagy foszforsavon alapulnak, vízgazdálkodás nélkül akár 220cc-t is elérhetnek: a magasabb hőmérséklet jobb hatékonyságot, teljesítménysűrűséget, könnyű hűtést tesz lehetővé (a nagyobb megengedett hőmérséklet-különbségek miatt), csökkenti a szén-monoxid-mérgezéssel szembeni érzékenységet és jobb irányíthatóságot (a membrán vízgazdálkodási problémáinak hiánya miatt); ezek a legújabb típusok azonban nem olyan gyakoriak. A PBI adalékolható foszforsavval vagy kénsavval, és a vezetőképesség skálája a dopping mennyiségével és a hőmérséklettel függ össze. Magas hőmérsékleten nehéz a Nafiont hidratálni, de ez a savval adalékolt anyag nem használ vizet közegként a protonvezetéshez. Jobb mechanikai tulajdonságokkal, nagyobb szilárdsággal rendelkezik, mint a Nafion, és olcsóbb. A savas kimosódás azonban jelentős kérdés, és a feldolgozás, a katalizátorral való keverés a tinta kialakításához bonyolultnak bizonyult. Az aromás polimerek, mint például a PEEK, sokkal olcsóbbak, mint a Teflon (PTFE és a Nafion gerince), és poláris jellegük olyan hidratációhoz vezet, amely kevésbé függ a hőmérséklettől, mint a Nafion. A PEEK azonban sokkal kevésbé ionikusan vezetőképes, mint a Nafion, így kevésbé kedvező elektrolit választás. A közelmúltban a protikus Ionos folyadékokat és a protikus szerves Ionos műanyag kristályokat ígéretes alternatív elektrolit anyagokként mutatták ki magas hőmérsékletű (100-200 Ft) Pemfc-k számára.

ElectrodesEdit

egy elektróda jellemzően szén hordozóból, Pt részecskékből, Nafionionomer-ből és/vagy Teflon kötőanyagból áll. A széntartó elektromos vezetőként működik; a Pt részecskék reakcióhelyek; az ionomer utat biztosít a protonvezetéshez, a Teflon kötőanyag pedig növeli az elektróda hidrofób jellegét a potenciális áradás minimalizálása érdekében. Az elektrokémiai reakciók lehetővé tétele érdekében az elektródákon a protonoknak, elektronoknak és a reagensgázoknak (hidrogénnek vagy oxigénnek) hozzá kell férniük az elektródákban lévő katalizátor felületéhez, míg a termékvíznek, amely lehet folyékony vagy gázfázisú, vagy mindkét fázisban, képesnek kell lennie a katalizátorból a gázkimenetbe való áthatolásra. Ezeket a tulajdonságokat jellemzően a polimer elektrolit kötőanyag (ionomer) és a katalizátor nanorészecskék porózus kompozitjai valósítják meg, amelyek szénrészecskékre támaszkodnak. Jellemzően platinát használnak katalizátorként az anód és a katód elektrokémiai reakcióihoz, míg a nanorészecskék nagy felület-tömeg arányt valósítanak meg (az alábbiakban leírtak szerint), csökkentve a költséges platina mennyiségét. A polimer elektrolit kötőanyag biztosítja az ionos vezetőképességet, míg a katalizátor széntartalma javítja az elektromos vezetőképességet és lehetővé teszi az alacsony platina fémterhelést. A kompozit elektródák elektromos vezetőképessége jellemzően több mint 40-szer nagyobb, mint a proton vezetőképessége.

gázdiffúziós réteg

a GDL elektromosan összeköti a katalizátort és az áramgyűjtőt. Porózusnak, elektromosan vezetőnek és vékonynak kell lennie. A reaktánsoknak képesnek kell lenniük elérni a katalizátort, de a vezetőképesség és a porozitás ellentétes erőként működhet. Optimális esetben a GDL – nek körülbelül egyharmadát kell tartalmaznia Nafion vagy 15% PTFE. A GDL-ben használt szénrészecskék nagyobbak lehetnek, mint a katalizátorban alkalmazott részecskék, mert a felület nem a legfontosabb változó ebben a rétegben. A GDL-nek körülbelül 15-35 MHz vastagnak kell lennie, hogy egyensúlyba hozza a szükséges porozitást a mechanikai szilárdsággal. Gyakran köztes porózus réteget adnak a GDL és a katalizátorréteg közé, hogy megkönnyítsék a GDL nagy pórusai és a katalizátorréteg kis porozitása közötti átmenetet. Mivel a GDL elsődleges funkciója a víz eltávolításának elősegítése, egy termék, árvíz akkor fordulhat elő, amikor a víz hatékonyan blokkolja a GDL-t. Ez korlátozza a reagensek képességét a katalizátorhoz való hozzáférésre, és jelentősen csökkenti a teljesítményt. A Teflon bevonható a GDL-re az árvíz lehetőségének korlátozása érdekében. A GDL-ekben számos mikroszkopikus változót elemeznek, például: porozitás, tortuositás és permeabilitás. Ezek a változók előfordulási gyakorisága az üzemanyagcellák viselkedése felett van.

EfficiencyEdit

A maximális elméleti hatékonyság alkalmazása a Gibbs ingyen energia egyenlet ΔG = -237.13 kJ/mol segítségével a fűtési érték a Hidrogén (ΔH = -285.84 kJ/mol) 83% 298 K

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

A gyakorlati hatékonysága megfelelő eredményt a tartományban, 50-60% – os .A veszteségeket okozó fő tényezők a következők:

• aktiválási veszteségek
• ohmos veszteségek
• tömeges szállítási veszteségek

fém-szerves vázszerkezetekszerkesztés

a fém-szerves vázszerkezetek (MOF-ek) a porózus, erősen kristályos anyagok viszonylag új osztálya, amelyek szerves összekötőkkel összekötött fém csomópontokból állnak. A fémközpontok és ligandumok manipulálásának vagy helyettesítésének egyszerűsége miatt gyakorlatilag korlátlan számú lehetséges kombináció létezik, ami tervezési szempontból vonzó. A MOF-ek számos egyedi tulajdonságot mutatnak hangolható pórusméretük, hőstabilitásuk, nagy térfogatkapacitásuk, nagy felületük és kívánatos elektrokémiai jellemzőik miatt. Sokféle felhasználási módjuk közül a MOF-ok ígéretes jelöltek a tiszta energia alkalmazásokhoz, például a hidrogén tárolásához, a gázelválasztáshoz, a szuperkondenzátorokhoz, a Li-ion akkumulátorokhoz, a napelemekhez és az üzemanyagcellákhoz. Az üzemanyagcellák kutatásának területén a MOF-eket potenciális elektrolit anyagokként és elektróda katalizátorokként tanulmányozzák, amelyek valamikor helyettesíthetik a hagyományos polimer membránokat és a Pt katalizátorokat.

elektrolit anyagként a MOF-ek felvétele először ellentmondásosnak tűnik. Az üzemanyagcellák membránjai általában alacsony porozitással rendelkeznek, hogy megakadályozzák az üzemanyag keresztezését és az anód és a katód közötti feszültségvesztést. Ezenkívül a membránok általában alacsony kristályossággal rendelkeznek, mivel az ionok szállítása rendezetlen anyagokban kedvezőbb. Másrészt a pórusokat további ionhordozókkal lehet kitölteni, amelyek végső soron növelik a rendszer Ionos vezetőképességét, a magas kristályosság pedig a tervezési folyamatot kevésbé bonyolulttá teszi.

a pemfc-k jó elektrolitjának általános követelményei a következők: magas protonvezetőképesség (> 10-2 S/cm gyakorlati alkalmazásokhoz) az elektródák közötti proton transzport lehetővé tételéhez, jó kémiai és hőstabilitás üzemanyagcella működési körülmények között (környezeti páratartalom, változó hőmérséklet, mérgező fajokkal szembeni ellenállás stb.), alacsony költség, vékonyfilmekké történő feldolgozás képessége és általános kompatibilitás más sejtkomponensekkel. Míg a polimer anyagok jelenleg a protonvezető membrán előnyben részesített választása, a megfelelő teljesítmény érdekében nedvesítést igényelnek, és néha fizikailag lebomlanak a hidratizációs hatások miatt, ezáltal a hatékonyság csökkenését okozva. Mint már említettük, a nafiont korlátozza a < 100 C dehidratációs hőmérséklet is, ami lassabb reakciókinetikához, gyenge költséghatékonysághoz és a Pt elektróda katalizátorok CO-mérgezéséhez vezethet. Ezzel szemben a MOF-ek biztató protonvezetőképességet mutattak mind alacsony, mind magas hőmérsékleti rendszerekben,valamint a páratartalom széles tartományában. 100 6c alatt és hidratálás alatt a hidrogénkötés és az oldószeres vízmolekulák jelenléte segíti a proton transzportot, míg a vízmentes körülmények alkalmasak 100 DCC feletti hőmérsékletekre.) a pórusokba.

alacsony hőmérsékletű példa Kitagawa et al. a who kétdimenziós oxaláttal áthidalt anionos rétegkeretet használt gazdaszervezetként, és ammóniumkationokat és adipinsav molekulákat vezetett be a pórusokba a protonkoncentráció növelése érdekében. Az eredmény egyike volt az első olyan MOF esetnek, amely “szuperprotonikus” vezetőképességet mutatott (8 60-3 s/cm) 25 C és 98% relatív páratartalom mellett. Később azt találták, hogy a pórusokba bevezetett kationok hidrofil jellegének növelése még jobban javíthatja a proton vezetőképességét. Ebben az alacsony hőmérsékleti rendszerben, amely a hidratáció mértékétől függ, azt is kimutatták, hogy a proton vezetőképessége nagymértékben függ a páratartalomtól.

magas hőmérsékletű vízmentes példa a PCMOF2, amely triszulfonált benzolszármazékkal koordinált nátriumionokból áll. A teljesítmény javítása és a magasabb üzemi hőmérsékletek lehetővé tétele érdekében a vizet protonhordozóként kevésbé illékony imidazol vagy triazol molekulákkal lehet helyettesíteni a pórusokban. Az elért maximális hőmérséklet 150 db C volt, optimális vezetőképessége 5 db 10-4 S/cm volt, ami alacsonyabb, mint a többi áramerősségű elektrolitmembráné. Ez a modell azonban ígéretet tesz a hőmérséklet-szabályozására, a vízmentes körülményekre és a pórusokon belüli vendégmolekulák mennyiségének szabályozására, amelyek mindegyike lehetővé tette a proton vezetőképességének hangolását. Ezenkívül a triazollal töltött PCMOF2-t beépítettük egy H2/levegő membrán-elektróda szerelvénybe, és 1 nyitott áramköri feszültséget értünk el.18 V 100cc-on, amely 72 órán át stabil volt, és a vizsgálat során a gáz szoros maradt. Ez volt az első eset, amely bebizonyította, hogy a MOF-okat ténylegesen be lehet építeni a működő üzemanyagcellákba, és a mérsékelt potenciálkülönbség azt mutatta, hogy a porozitás miatti üzemanyag-átkapcsolás nem jelent problémát.

a mai napig a MOF elektrolit esetében elért legmagasabb protonvezetőképesség 4,2 kb 10-2 S/cm 25 Kb-on nedves körülmények között (98% RH), ami versenyképes a Nafionnal. Néhány közelmúltbeli kísérlet még a hagyományos ömlesztett minták vagy egykristályok helyett is sikeresen előállított vékonyréteg-MOF membránokat, ami döntő fontosságú ipari alkalmazhatóságuk szempontjából. Miután a MOF-ek képesek következetesen elérni a megfelelő vezetőképességi szintet, mechanikai szilárdságot, vízstabilitást és egyszerű feldolgozást, a közeljövőben fontos szerepet játszhatnak a Pemfc-kben.

a MOF-eket a platina csoport fém (PGM) anyagainak potenciális helyettesítésére is megcélozták elektróda katalizátorok, bár ez a kutatás még mindig a fejlesztés korai szakaszában van. A Pemfc-kben az oxigén redukciós reakció (ORR) a Pt katódnál lényegesen lassabb, mint az üzemanyag oxidációs reakciója az anódnál, ezért alternatívaként nem PGM és fémmentes katalizátorokat vizsgálnak. A nagy térfogatsűrűség, a nagy pórusfelületek és a fém-ion helyek nyitottsága a MOF-ekben ideális jelöltekké teszik őket katalizátor prekurzorok. Az ígéretes katalitikus képességek ellenére ezeknek a javasolt MOF-alapú katalizátoroknak a tartóssága jelenleg kevésbé kívánatos, és az ORR mechanizmus ebben az összefüggésben még mindig nem teljesen ismert.

Catalyst researchEdit

a PEM üzemanyagcellák katalizátoraira vonatkozó jelenlegi kutatások nagy része a következő fő célok egyikébe sorolható:

1. magasabb katalitikus aktivitás elérése, mint a jelenlegi pem üzemanyagcellákban használt standard szén-támogatott platina részecske-katalizátorok
2. a PEM üzemanyagcella-katalizátorok szennyező gázok általi mérgezésének csökkentése
3. az üzemanyagcella költségeinek csökkentése platina alapú katalizátorok használata miatt
4. a platina csoport fémmentes elektrokatalizátorainak ORR aktivitásának fokozása érdekében

e megközelítések példái a következő szakaszokban találhatók.

a katalitikus aktivitás növelése

mint fentebb említettük, a platina messze a leghatékonyabb elem, amelyet a PEM üzemanyagcella-katalizátorokhoz használnak, és szinte az összes jelenlegi pem üzemanyagcella platina részecskéket használ porózus széntartókon a hidrogén oxidációjának és az oxigén redukciójának katalizálására. Magas költségeik miatt azonban a jelenlegi Pt / C katalizátorok nem kivitelezhetők kereskedelmi forgalomba. Az USA. Az Energiaügyi Minisztérium becslése szerint a platina – alapú katalizátoroknak nagyjából négyszer kevesebb platinát kell használniuk, mint a jelenlegi pem üzemanyagcellás kialakításokban, hogy reális alternatívát képviseljenek a belső égésű motorokkal szemben. Következésképpen a PEM üzemanyagcellák katalizátor-tervezésének egyik fő célja a platina katalitikus aktivitásának négyszeresére növelése, így a nemesfémnek csak egynegyedére van szükség a hasonló teljesítmény eléréséhez.

a platina katalizátorok teljesítményének növelésének egyik módja a platina részecskék méretének és alakjának optimalizálása. A részecskék méretének csökkentése önmagában növeli a katalizátor teljes felületét, amely a felhasznált platina térfogatára vonatkoztatva részt vehet a reakciókban, de a legújabb tanulmányok további módszereket mutattak be a katalitikus teljesítmény további javítására. Például egy tanulmány arról számol be, hogy a platina nanorészecskék magas indexű aspektusai (Vagyis Miller-indexek nagy egész számokkal, például Pt (730)) nagyobb sűrűségű reaktív helyeket biztosítanak az oxigéncsökkentéshez, mint a tipikus platina nanorészecskék.

mivel a leggyakoribb és leghatékonyabb katalizátor, a platina rendkívül drága, alternatív feldolgozásra van szükség a felület maximalizálása és a terhelés minimalizálása érdekében. A nanosizált Pt részecskék szénporra (Pt/C) történő lerakódása nagy Pt felületet biztosít, míg a szén lehetővé teszi a katalizátor és a cella többi része közötti elektromos kapcsolatot. A platina azért olyan hatékony, mert nagy aktivitással rendelkezik, és elég erősen kötődik a hidrogénhez ahhoz, hogy megkönnyítse az elektronátvitelt, de nem gátolja a hidrogénnek a sejt körüli mozgását. A platina azonban kevésbé aktív a katód oxigén redukciós reakciójában. Ez több platina használatát teszi szükségessé, növelve a cella költségeit és ezáltal a megvalósíthatóságot. Számos potenciális katalizátor-választás kizárt a sejt rendkívüli savassága miatt.

a nanoméretű Pt szénporon történő elérésének leghatékonyabb módjai, amely jelenleg a legjobb megoldás, vákuumos lerakódás, porlasztás és elektrodepozíció. A platina részecskék a PTFE-vel átitatott szénpapírra rakódnak le. Ennek a katalizátorrétegnek azonban optimális vékonysága van, amely korlátozza az alacsonyabb költséghatárt. 4 nm alatt a Pt szigeteket képez a papíron, korlátozva tevékenységét. E vastagság felett a Pt bevonja a szenet és hatékony katalizátor lesz. A dolgok további bonyolítása érdekében a Nafion nem szivároghat be 10 um-en túl, tehát ennél több Pt használata felesleges költség. Így a katalizátor mennyiségét és alakját más anyagok korlátai korlátozzák.

a platina katalitikus aktivitásának növelésére szolgáló második módszer más fémekkel való ötvözése. Például nemrégiben kimutatták, hogy a Pt3Ni(111) felület tízszer nagyobb oxigéncsökkentő aktivitással rendelkezik, mint a tiszta Pt(111). A szerzők ezt a drámai teljesítménynövekedést a felület elektronikus szerkezetének módosításainak tulajdonítják, csökkentve annak hajlamát az oxigéntartalmú Ionos fajokhoz való kötődésre a PEM üzemanyagcellákban, és ezáltal növelve az oxigén adszorpció és redukció elérhető helyeinek számát.

további hatékonyság valósítható meg ultrahangos fúvóka alkalmazásával a platina katalizátor felvitelére az elektrolitrétegre vagy szénpapírra légköri körülmények között, ami nagy hatékonyságú permetezést eredményez. Tanulmányok kimutatták, hogy az ilyen típusú permetezés által létrehozott cseppek egységes mérete miatt a technológia nagy átviteli hatékonysága miatt, a fúvóka nem eltömődő jellege miatt, és végül annak a ténynek köszönhetően, hogy az ultrahangos energia közvetlenül a porlasztás előtt agglomerálja a szuszpenziót, az így gyártott mea üzemanyagcellák nagyobb homogenitással rendelkeznek a végső MEA-ban, és a cellán keresztüli gázáramlás egyenletesebb, maximalizálva a platina hatékonyságát a MEA-ban.A katalizátor membránon történő lerakására tintasugaras nyomtatással végzett legújabb vizsgálatok szintén nagy katalizátor-felhasználást mutattak a lerakódott katalizátorrétegek csökkentett vastagsága miatt.

a közelmúltban az ORR elektrokatalizátorok új osztályát vezették be a Pt-M (M-Fe and Co) rendszerek esetében, amelyek rendezett intermetallikus magot tartalmaznak Pt-gazdag héjban. Ezek az intermetallikus mag-héj (IMC) nanokatalizátorok fokozott aktivitást mutatnak, és ami a legfontosabb, meghosszabbított tartósságot mutatnak sok korábbi tervhez képest. Míg a tevékenységek megfigyelt javulását feszült rácsnak tulajdonítják, a szerzők arról számolnak be, hogy a lebomlási kinetikával kapcsolatos megállapításaik azt mutatják, hogy a meghosszabbított katalitikus tartósság a tartós atomi rendnek tulajdonítható.

Reducing poisoningEdit

a katalizátor teljesítményének javításának másik népszerű megközelítése az, hogy csökkenti a katalizátor érzékenységét a tüzelőanyag-forrás szennyeződéseivel szemben, különösen a szén-monoxid (CO). Jelenleg a tiszta hidrogéngáz gazdaságossá válik az elektrolízissel történő tömegtermeléshez. Jelenleg azonban a hidrogéngázt könnyű szénhidrogének gőzreformálásával állítják elő, amely eljárás során olyan gázkeveréket állítanak elő, amely CO-t (1-3%), CO-t is tartalmaz2 (19-25%) és N2 (25%). Még több tíz rész / millió CO is megmérgezheti a tiszta platina katalizátort, így a platina Co-val szembeni ellenállásának növelése aktív kutatási terület.

például egy tanulmány arról számolt be, hogy a (100) oldalú kocka alakú platina nanorészecskék négyszeres növekedést mutattak az oxigén redukciós aktivitásban a hasonló méretű véletlenszerűen csiszolt platina nanorészecskékhez képest. A szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy a véletlenszerűen kialakított nanorészecskék (111) oldala erősebben kötődik a szulfátionokhoz, mint a (100) oldal, csökkentve az oxigénmolekulák számára nyitott katalitikus helyek számát. Az általuk szintetizált nanokubáknak ezzel szemben szinte kizárólag (100) oldala volt, amelyekről ismert, hogy gyengébben kölcsönhatásba lépnek a szulfáttal. Ennek eredményeként e részecskék felületének nagyobb része állt rendelkezésre az oxigén redukciójára, növelve a katalizátor oxigén redukciós aktivitását.

ezenkívül a kutatók azt vizsgálták, hogyan lehet csökkenteni a hidrogén üzemanyag CO-tartalmát, mielőtt az az üzemanyagcellába kerülne, mint lehetséges módszer a katalizátorok mérgezésének elkerülésére. Egy nemrégiben készült tanulmány kimutatta, hogy a ruténium-platina maghéjú nanorészecskék különösen hatékonyak a CO oxidálásában CO2, sokkal kevésbé káros üzemanyag-szennyező anyag. Az ezt a hatást kiváltó mechanizmus fogalmilag hasonló a Pt3Ni fent leírtakhoz: a részecske ruténiummagja megváltoztatja a platina felületének elektronikus szerkezetét, így jobban képes katalizálni a CO oxidációját.

költségcsökkentés

a PEM üzemanyagcellák életképességének kihívása ma is a költségekben és a stabilitásban rejlik. A magas költségek nagyrészt a platina nemesfém használatának tulajdoníthatók a PEM sejtek katalizátorrétegében. Az elektrokatalizátor jelenleg az üzemanyagcella-verem költségeinek közel felét teszi ki. Bár a PEM üzemanyagcellák Pt terhelése két nagyságrenddel csökkent az elmúlt évtizedben, további csökkentésre van szükség ahhoz, hogy a technológia gazdaságilag életképes legyen a forgalomba hozatalhoz. Míg egyes kutatási erőfeszítések célja ennek a kérdésnek a kezelése A Pt-alapú katalizátorok elektrokatalitikus aktivitásának javításával, alternatív megoldás a Pt használatának teljes megszüntetése egy nem platina-csoport-fém (nem PGM) katód katalizátor kifejlesztésével, amelynek teljesítménye vetekszik a Pt-alapú technológiákkal. Az USA. Az Energiaügyi Minisztérium mérföldköveket állított fel az üzemanyagcellák fejlesztésében, 5000 órás tartósságot és 300 A cm-3 nem PGM katalizátor vagy térfogati aktivitást célozva.

a Pt-alapú katalizátorok ígéretes alternatívái a fém / nitrogén/szén-katalizátorok (M/N / C-katalizátorok). A nagy teljesítménysűrűség vagy a teljesítmény kimenete a cella felületén, a Pt-alapú katalizátorok térfogati aktivitásának legalább 1/10-ét kell teljesíteni, a jó tömegközlekedési tulajdonságokkal együtt. Míg az M / N / C katalizátorok még mindig gyengébb volumetrikus aktivitást mutatnak, mint a Pt-alapú katalizátorok, az ilyen katalizátorok csökkentett költségei lehetővé teszik a nagyobb terhelés kompenzálását. Az M/N/C-katalizátorok terhelésének növelése azonban a katalitikus réteget is vastagabbá teszi, rontva annak tömegszállítási tulajdonságait. Más szavakkal, a H2, O2, protonok és elektronok nehezebben vándorolnak át a katalitikus rétegen, csökkentve a cella kimeneti feszültségét. Míg az M/N/C katalitikus hálózat nagy mikroporozitása nagy volumetrikus aktivitást eredményez, a javított tömegszállítási tulajdonságok ehelyett a hálózat makroporozitásához kapcsolódnak. Ezeket az M / N / C anyagokat magas hőmérsékletű pirolízissel és a fémet, nitrogént és szenet tartalmazó prekurzorok más magas hőmérsékletű kezeléseivel szintetizálják.

a közelmúltban a kutatók kifejlesztettek egy Fe/N / c katalizátort, amely vas (II)-acetátból (FeAc), fenantrolinból (Phen) és egy fém-szerves keretrendszerből (MOF) származik. A MOF egy Zn (II) zeolit imidazolát keretrendszer (ZIF), az úgynevezett ZIF-8, amely magas mikroporózus felületet és magas nitrogéntartalmat mutat, amely elősegíti az ORR aktivitást. A feac/Phen/ZIF-8-katalizátor teljesítménysűrűsége 0,75 W cm−2 volt 0,6 V−nál.ez az érték jelentős javulást jelent a korábbi M/N/C katalizátorok maximális 0,37 W cm-2 teljesítménysűrűségéhez képest, és sokkal közelebb áll az 1,0–1,2 W cm−2 tipikus értékéhez A Pt-alapú katalizátorok esetében, 0,3 mg cm−2 Pt terheléssel. A katalizátor 230 A·cm-3 térfogati aktivitást is mutatott, amely a nem PGM katalizátorok eddigi legmagasabb értéke, megközelítve az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának mérföldkövét.

míg az új FeAc/Phen/ZIF-8-katalizátor által elért teljesítménysűrűség ígéretes, tartóssága továbbra sem megfelelő a kereskedelmi alkalmazásokhoz. Úgy tűnik, hogy a katalizátor által mutatott legjobb tartósság még mindig 15% – kal csökkent az áramsűrűségben 100 óra alatt H2/levegőben. Ezért, míg az Fe-alapú nem PGM katalizátorok rivális Pt-alapú katalizátorok a saját elektrokatalitikus aktivitás, még mindig sok munkát kell tenni, hogy megértsék a lebomlási mechanizmusok és javítja a tartósság.