펨피스는 전극,전해질,촉매,및 가스 확산층을 포함하는 막 전극 조립체들로 구성된다. 촉매,탄소 및 전극의 잉크는 단단한 전해질에 살포되거나 그려지고 탄소 종이는 세포의 안을 보호하고 또한 전극으로 행동하기 위하여 양쪽에 눌러진 뜨겁습니다. 세포의 중추적 인 부분은 전해질,촉매 및 반응물이 혼합되어 세포 반응이 실제로 발생하는 삼중 상 경계입니다. 중요한 것은,막은 전기로 전도성 이어야 하지 않습니다 그래서 절반 반응은 섞지 않습니다. 물 부산물은 증기가 되고 물 관리는 세포 디자인에서 보다 적게 긴요하게 됩니다.
반응편집
추가 정보:연료 전지
양성자 교환 막 연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학 반응 중에 방출 된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하며,수소와 산소 가스의 직접 연소와 달리 열 에너지를 생성합니다.
수소의 흐름은 메아의 양극 측으로 전달된다. 양극 측에서 그것은 촉매 양성자와 전자로 분할. 이 산화 반 세포 반응 또는 수소 산화 반응(호르)은 양극:
에서:
새로 형성된 양성자는 고분자 전해질 막을 통해 캐소드 측으로 침투한다. 전자는 외부 부하 회로를 따라 측정기의 음극 측으로 이동하여 연료 전지의 전류 출력을 생성합니다.그 사이에,산소의 시내는 측정의 음극선 측에 전달됩니다. 음극 측에서 산소 분자는 고분자 전해질 막을 통해 침투하는 양성자와 물 분자를 형성하기 위해 외부 회로를 통해 도착하는 전자와 반응합니다. 이 환원 반세포 반응 또는 산소 환원 반응(오르)은 다음과 같이 표현된다:
음극에서:
전체 반응:
가역적 반응은 방정식으로 표현되며 산소 분자와 함께 수소 양성자와 전자의 재 결합 및 하나의 물 분자의 형성을 나타낸다. 각각의 경우에 전위는 표준 수소 전극에 대하여 주어진다.
고분자 전해질 막편집
주요 기사:고분자 전해질 막
비 귀금속 촉매 캐소드 및 티/씨 애노드를 사용한 단면의 현미경 사진. 명확성을 위해 거짓 색상이 적용됩니다.
제조 방법은 다음과 같습니다.
작용하기 위하여는,막은 수소 이온(양성자)그러나 이것이 사실상 연료 전지를”단락”하고자 했기 때문에 아닙니다 전자를 지휘해야 합니다. 막은 또한 어느 것이든 가스가 세포,가스 크로스오버로 알려져 있는 문제의 상대방에 통과하는 것을 허용하면 안됩니다. 마지막으로,막은 음극에서 감소시키는 환경 뿐 아니라 양극에 가혹한 산화 환경에 저항해야 합니다.
수소 분자의 분할은 백금 촉매를 사용함으로써 비교적 용이하다. 그러나 불행히도 산소 분자를 분리하는 것은 더 어렵고 이로 인해 상당한 전기 손실이 발생합니다. 이 과정을 위한 적합한 촉매 물자는 발견되지 않으며,백금은 제일 선택권입니다.
백금의 저렴한 대안은 세륨(4)산화 촉매이다.
힘편집
소형화 때문에 휴대 전화에 이르기까지 모든 크기의 차량 및 기타 모바일 응용 프로그램의 주요 후보입니다.
약점
연료 전지는 여전히 많은 문제를 가지고있다:
1. 물 관리
물 관리는 성능에 매우 중요합니다.: 물이 너무 느리게 증발하는 경우에,그것은 막을 범람하고 분야 교류 판의 안쪽에 물 축적은 연료 전지로 산소의 교류를 방해할 것입니다,그러나 물 너무 빨리 증발하는 경우에,막은 말리고 그것을 가로 건너서 저항은 증가합니다.물 두 경우 모두 안정성 및 전원 출력이 손상됩니다. 물 관리는 주로 멤브레인의 물이 분극을 통해 셀의 음극으로 끌리기 때문에 물 관리 시스템에서 매우 어려운 주제입니다.
전기 삼투압 펌프의 통합을 포함하여 물 관리를 위한 다양한 솔루션이 존재합니다.
물 재순환 문제를 해결하는 또 다른 혁신적인 방법은 도요타 미라이,2014 에서 사용 된 3 차원 미세 메쉬 흐름 필드 디자인입니다. 가습기를 통해 공기 배출구에서 공기 흡입구로 물을 재순환합니다.물 흐름 필드는 직선형 채널과 다공성 금속 유동 필드입니다.흐름 필드는 리브 및 채널로 구성된 구조입니다. 그러나,리브는 가스 확산층을 부분적으로 덮고,그 결과 가스-수송 거리는 채널 간 거리보다 길다. 또한 동독과 늑골 사이의 접촉 압력은 동독을 압축하여 늑골과 채널을 가로 질러 두께가 균일하지 않게합니다. 늑골의 큰 폭 그리고 비균일 한 간격은 축적되기 위하여 물 수증기를 위한 잠재력을 증가하고 산소는 타협될 것입니다. 그 결과,산소는 촉매층으로 확산되는 것을 방해하여,비균일형 발전으로 이어질 것이다.
이 새로운 설계는 물 재순환 문제를 극복하고 높은 출력 안정성을 달성하면서 가습 시스템 없이 최초의 에프씨 스택 기능을 가능하게 했다. 3 차원 마이크로 격자 가스 흐름;에 대 한 더 많은 경로 수 있습니다. 기존의 유동 필드와 달리 복잡한 필드의 3 차원 마이크로 격자는 배플 역할을하며 동독과 유동 필드 사이에 빈번한 마이크로 스케일 계면 플럭스를 유도합니다. 이러한 반복적인 마이크로 스케일 대류 흐름으로 인해 촉매 층으로의 산소 수송 및 동독에서 액체 상태의 물 제거가 크게 향상됩니다. 생성 된 물 신속 하 게 모 공 내 축적을 방지 하는 흐름 필드를 통해 밖으로 그려집니다. 그 결과,이 흐름장으로부터의 발전이 단면에 걸쳐 균일하고 자기 가습이 가능하게 됩니다.
2. 촉매의 취약성
막의 백금 촉매는 일산화탄소에 의해 쉽게 중독되며(일반적으로 백만 개당 1 개 이상의 부분이 허용됨)막은 금속 이온과 같은 것에 민감하며,이는 금속 바이폴라 플레이트의 부식,연료 전지 시스템의 금속 성분 또는 연료/산화제의 오염 물질에 의해 도입 될 수 있습니다.
다임러 크라이슬러 네카 5 에서와 같이 개질된 메탄올을 사용하는 페엠 시스템이 제안되었다;개질된 메탄올,즉 그것은 수소를 얻기 위해 반응 만들기,그러나 매우 복잡한 과정이다,그 반응이 생산하는 일산화탄소로부터 정제도 필요. 백금 루테늄 촉매는 약간 일산화탄소가 불가피하게 막을 도달하기 때문에 필요합니다. 수준은 백만 당 10 부분을 초과해서는 안됩니다. 또한,이러한 개혁자 반응기의 시동 시간은 약 30 분입니다. 대안으로,메탄올 및 일부 다른 바이오 연료는 개혁되지 않고 펨 연료 전지에 직접 공급 될 수 있으며,따라서 직접 메탄올 연료 전지를 만든다. 이러한 장치는 제한된 성공으로 작동합니다.
3. 작동 온도의 제한
가장 일반적으로 사용되는 막은 화학 물질에 의한 나피온이며,이는 양성자를 운반하기 위해 막의 액체 물 가습에 의존합니다. 이것은 상기 온도를 사용하는 것이 가능하지 않음을 의미 80 에 90 제곱기음,막이 건조하기 때문에. 폴리벤즈이미다졸 또는 인산을 기반으로 한 최근의 다른 막 유형은 물 관리를 사용하지 않고 최대 220 까지 도달 할 수 있습니다.: 더 높은 온도는 더 나은 효율성,힘 조밀도,냉각의 용이함(더 큰 허용가능한 온도 다름 때문에),일산화탄소 중독에 감소된 감도 및 더 나은 제어력을 허용합니다(막에 있는 물 관리 문제점 결여 때문에);그러나,이 최근 유형은 일반적이지 않습니다. 인산 또는 황산으로 도핑 할 수 있으며 전도도는 도핑 및 온도의 양으로 스케일됩니다. 고온에서는 나피온을 수화 상태로 유지하기가 어렵지만,이 산 도핑 된 물질은 양성자 전도 용 매체로 물 을 사용하지 않습니다. 그것은 또한 나피온보다 더 나은 기계적 특성,높은 강도를 나타내며 저렴합니다. 그러나,산 침출 잉크를 형성하는 촉매와 혼합,상당한 문제 및 처리,까다로운 입증했다. 픽과 같은 방향족 중합체는 테프론(테프론 및 나 피온의 백본)보다 훨씬 저렴하며 그 극성 특성은 나 피온보다 온도에 덜 의존하는 수화로 이어집니다. 그러나,픽은 나피온보다 훨씬 덜 이온 전도성이므로 덜 유리한 전해질 선택입니다. 최근,원생 이온 성 액체 및 원생 유기 이온 성 플라스틱 결정은 고온(100-200 기음)에 대한 유망한 대체 전해질 물질로서 밝혀졌다.전극은 일반적으로 탄소 지지체,태평양 표준시 입자,나피온 이오노머,및/또는 테프론 바인더로 구성된다. 이오노머는 양성자 전도를 위한 경로를 제공하고 테프론 바인더는 전극의 소수성을 증가시켜 잠재적인 범람을 최소화합니다. 전극에서 전기 화학 반응을 가능하게하기 위해 양성자,전자 및 반응물 가스(수소 또는 산소)는 전극의 촉매 표면에 접근해야하는 반면,액체 또는 기체 상 또는 두 상 중 하나 일 수있는 물 생성물은 촉매에서 가스 배출구로 침투 할 수 있어야합니다. 이러한 특성은 일반적으로 고분자 전해질 바인더(이오노머)및 탄소 입자에지지되는 촉매 나노 입자의 다공성 복합체에 의해 실현됩니다. 일반적으로 백금은 양극 및 음극에서의 전기 화학 반응의 촉매로 사용되는 반면,나노 입자는 값 비싼 백금의 양을 줄이는 높은 표면 대 중량 비율(아래에 설명 된대로)을 실현합니다. 고분자 전해질 바인더는 이온 전도성을 제공하는 반면 촉매의 탄소 지지체는 전기 전도성을 향상시키고 낮은 백금 금속 로딩을 가능하게합니다. 복합 전극의 전기 전도도는 일반적으로 양성자 전도도보다 40 배 이상 높습니다.
가스 확산층편집
동독은 촉매와 집전체를 전기적으로 연결한다. 다공성,전기 전도성 및 얇아야합니다. 반응물은 촉매에 도달 할 수 있어야하지만 전도성과 다공성은 반대 세력으로 작용할 수 있습니다. 이 두 가지 주요 요소는 다음과 같습니다. 이 층에서 표면적이 가장 중요한 변수가 아니기 때문에 동독에 사용되는 탄소 입자는 촉매에 사용되는 것보다 클 수 있습니다. 필요한 다공성과 기계적 강도의 균형을 맞추기 위해 두께가 약 15-35 그램이어야합니다. 종종,동독 및 촉매 층 사이에 중간 다공성 층이 첨가되어 촉매 층 내의 큰 기공 및 작은 다공성 사이의 전이를 용이하게한다. 동독의 주요 기능은 물,제품,물 효과적으로 동독을 차단할 때 홍수가 발생할 수 있습니다 제거 할 수 있도록하기 때문에. 이것은 촉매에 접근하는 반응물 능력을 제한하고 성능을 현저하게 감소시킨다. 테플론은 홍수의 가능성을 제한하기 위해 동독에 코팅 될 수 있습니다. 다공성,비틀림 및 투과성과 같은 몇 가지 미세한 변수가 분석됩니다. 이 가변에는 연료 전지의 행동에 부각이 있습니다.
EfficiencyEdit
의 이론적 최대한 효율 적용하 깁스 무료 에너지를 방정식 ΔG=-237.13kJ/mol 사용하여 발열의 수소(ΔH=-285.84kJ/mol)83%에 298K.
η=Δ G Δ H=1−T Δ S Δ H{\displaystyle\eta={\frac{\Delta G}{\델타 H}}=1-{\frac{T\델타 S}{\델타 H}}}
실제적인 효율성의 PEMs 은 범위의 50~60%.손실을 만드는 주요 요인은 다음과 같습니다:
- 활성화 손실
- 오믹 손실
- 대량 수송 손실
금속-유기 프레임 워크편집
금속-유기 프레임 워크는 유기 링커에 의해 연결된 금속 노드로 구성된 비교적 새로운 종류의 다공성,고결정 성 물질이다. 금속 중심 및 리간드를 조작하거나 대체하는 단순성으로 인해 사실상 무한한 수의 가능한 조합이 있으며 이는 디자인 관점에서 매력적입니다. 모프스는 조정 가능한 기공 크기,열 안정성,높은 부피 용량,넓은 표면적 및 바람직한 전기 화학적 특성으로 인해 많은 고유 한 특성을 나타냅니다. 그들의 많은 다양한 용도 중,가스 분리,슈퍼 커패시터,리튬 이온 배터리,태양 전지,연료 전지와 같은 청정 에너지 응용 프로그램에 대한 유망한 후보입니다. 연료전지 연구분야 내에서,전위 전해질 재료 및 전극촉매로서 연구되고 있으며,이는 언젠가 전통적인 고분자 막과 태평양 표준시 촉매를 각각 대체할 수 있다.
전해질 물질로서,모프스의 포함은 처음에는 반 직관적 인 것처럼 보인다. 연료 전지 막은 일반적으로 연료 교차 및 양극과 음극 사이의 전압 손실을 방지하기 위해 낮은 다공성을 갖는다. 게다가,막은 이온의 수송이 무질서한 물자에서 호의를 베풀기 때문에 낮은 결정성이 있어 경향이 있습니다. 다른 한편으로,기공은 궁극적으로 시스템의 이온 전도성을 향상시키는 추가적인 이온 캐리어로 채워질 수 있으며,높은 결정 성은 설계 과정을 덜 복잡하게 만든다.
전극간 양성자 수송을 가능하게 하기 위한 높은 양성자 전도도(>10-2 초/센티미터),연료 전지 작동 조건(환경 습도,가변 온도,독성 종에 대한 내성 등)하에서 우수한 화학적 및 열적 안정성박막으로 가공되는),저가,능력,및 다른 세포 성분을 가진 전반적인 겸용성. 고분자 재료는 현재 양성자-전도성 막의 바람직한 선택이지만,적절한 성능을 위해 가습이 필요하며 때로는 수분 효과로 인해 물리적으로 저하 될 수 있으므로 효율 손실이 발생할 수 있습니다. 언급 한 바와 같이,나피온은 또한<100 의 탈수 온도에 의해 제한된다. 반대로,모프 스는 낮은 온도 및 높은 온도 정권 뿐만 아니라 습도 조건의 넓은 범위에서 양성자 전도도 격려를 보여 주었다. 100 이하 수소결합과 용매분자가 수소수송에 도움이 되는 반면,무수물질은 100 이하 수소수송에 적합함 물분자는 전하 운반(즉,물,산 등)을 포함하는 것 외에도 프레임워크 자체에 의해 양성자전도성을 나타낼 수 있다는 장점이 있다.)그들의 숨구멍으로.
저온 예는 기타가와 등의 작업이다. 누가 호스트로 2 차원 옥살 레이트 브리지 음이온 층 프레임 워크를 사용하고 양성자 농도를 증가시키기 위해 모공에 암모늄 양이온 및 아 디프 산 분자를 도입. 그 결과는”초전자성”전도도(8 초전자성 10-3 초/센티미터)를 25 초전자성 25 초/센티미터 및 98%상대 습도(상대습도)에서 보여주는 첫 번째 사례 중 하나였다. 그들은 나중에 모공에 도입 된 양이온의 친수성을 증가시키는 것이 양성자 전도도를 더욱 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. 수화의 정도에 의존하는 이 저온 정권에서는,또한 양성자 전도도가 습도 수준에 몹시 의존한다는 것을 보였습니다.
고온 무수 예는 트리 설폰화 벤젠 유도체에 배합 된 나트륨 이온으로 구성된다. 성능을 향상시키고 더 높은 작동 온도를 허용하기 위해 물 은 공극 내에서 휘발성이 적은 이미 다졸 또는 트리아 졸 분자에 의해 양성자 담체로 대체 될 수 있습니다. 달성 된 최대 온도는 다른 전류 전해질 막보다 낮은 5~4 초/센티미터의 최적 전도도를 갖는 150~10~10~4 초/센티미터였다. 그러나,이 모델은 온도 정권,무수 조건 및 공극 내에서 게스트 분자의 양을 제어하는 능력에 대한 약속을 보유하고 있으며,이는 모두 양성자 전도도의 조정 가능성을 허용합니다. 또한,트리아졸로드된 피씨모프 2 는 수소막/공기막-전극 어셈블리에 통합되어 1 의 개방 회로 전압을 달성하였다.72 시간 동안 안정적이었고 테스트 기간 동안 가스가 단단히 유지되었습니다. 이것은 연료전지가 작동하는 연료전지에 실제로 구현될 수 있음을 입증한 첫 번째 사례였으며,적당한 전위차는 다공성으로 인한 연료 크로스오버가 문제가 아니라는 것을 보여주었다.
지금까지 전해질에 대해 달성된 가장 높은 양성자 전도도는 다습한 조건(상대습도 98%)에서 4.2~10~2 초/센티미터이며,이는 나피온과 경쟁적이다. 몇몇 최근 실험은 그들의 산업 응용성을 위해 결정적 인 전통적인 대량 표본 또는 단결정 대신에 성공적으로 박막 모프 막을 생성했습니다 조차. 일단 모프스가 충분한 전도도 수준,기계적 강도,물 안정성 및 간단한 가공을 지속적으로 달성 할 수있게되면,그들은 가까운 장래에 펨 피스에서 중요한 역할을 할 수있는 잠재력을 가지고 있습니다.이 연구는 아직 개발 초기 단계에 있다. 또한,연료 산화반응은 양극에서의 연료 산화반응에 비해 현저히 느리며,이에 따라 무중단 촉매 및 무금속 촉매가 대안으로 조사되고 있다. 높은 체적 밀도,큰 기공 표면적 및 금속 이온 부위의 개방성은 촉매 전구체에 이상적인 후보입니다. 유망 촉매 능력에도 불구 하 고 이러한 제안 된 촉매 기반 촉매의 내구성은 현재 바람직한 보다 덜 하 고이 문맥에서 오 르 메커니즘 아직 완전히 이해 되지 않습니다.
촉매 연구편집
현재 펨 연료전지용 촉매에 관한 연구의 대부분은 다음과 같은 주요 목적 중 하나를 갖는 것으로 분류될 수 있다:
- 현재 펨 연료 전지에 사용되는 표준 탄소지지 백금 입자 촉매보다 높은 촉매 활성을 얻기 위해
- 불순물 가스에 의한 펨 연료 전지 촉매의 중독을 줄이기 위해
- 백금 기반 촉매의 사용으로 인한 연료 전지의 비용을 줄이기 위해
- 백금 그룹 금속이없는 전기 촉매의 오르 활성을 향상시키기 위해
이러한 접근법의 예는 다음 섹션에 나와 있습니다.
촉매 활성 증가편집
전술한 바와 같이,백금은 펨 연료 전지 촉매에 사용되는 가장 효과적인 원소이며,거의 모든 현재의 펨 연료 전지는 수소 산화 및 산소 환원 모두를 촉매하기 위해 다공성 탄소 지지체 상에 백금 입자를 사용한다. 그러나,그들의 높은 비용 때문에,현재의 촉매는 상용화를 위해 실현 가능하지 않다. 미국 에너지 부서는 백금 기반 촉매는 내연 기관에 대한 현실적인 대안을 나타 내기 위해 현재의 펨 연료 전지 설계에 사용되는 것보다 약 4 배 적은 백금을 사용해야 할 것으로 추정하고있다. 따라서,펨 연료전지를 위한 촉매 설계의 주요 목표 중 하나는 백금의 촉매 활성을 4 배 증가시켜 귀금속의 1/4 정도만이 유사한 성능을 달성하는 데 필요한 것입니다.
백금 촉매의 성능을 증가시키는 한 가지 방법은 백금 입자의 크기 및 형상을 최적화하는 것이다. 입자의 크기를 줄이는 것만으로도 사용 된 백금 부피당 반응에 참여할 수있는 촉매의 총 표면적이 증가하지만 최근 연구는 촉매 성능을 더욱 향상시키는 추가 방법을 보여주었습니다. 예를 들어,한 연구에 따르면 백금 나노 입자의 고 지수 패싯(즉,태평양 표준시(730)와 같은 큰 정수를 가진 밀러 인덱스)은 일반적인 백금 나노 입자보다 산소 환원을 위해 더 큰 밀도의 반응성 부위를 제공한다고합니다.
가장 일반적이고 효과적인 촉매 인 백금은 매우 비싸기 때문에 표면적을 극대화하고 적재를 최소화하기 위해 대체 처리가 필요합니다. 탄소는 촉매와 셀의 나머지 부분 사이의 전기적 연결을 허용하는 동안 큰 표면적을 제공한다. 백금은 수소에 높은 활동 그리고 유대가 충분히 강하게 전자 이동을 촉진하기 그러나 세포의 주위에 이동하는 것을 계속에서 수소를 금하지 않기 다만 있기 때문에 이렇게 효과적입니다. 그러나,백금은 음극 산소 환원 반응에서 덜 활성이다. 이것은 백금의 사용을 더 필요로 해,세포의 경비 및 이렇게 실행가능을 증가하. 많은 잠재적인 촉매 선택은 세포의 극단적인 산성도 때문에 제외됩니다.
현재 최선의 선택 인 탄소 분말에서 나노 스케일의 태평양 표준시를 달성하는 가장 효과적인 방법은 진공 증착,스퍼터링 및 전착입니다. 백금 입자는 테플론으로 침투되는 탄소 종이에 예금됩니다. 그러나,이 촉매 층에 최적의 얇음이 있으며,이는 더 낮은 비용 제한을 제한한다. 4 나노 미터 이하,태평양 표준시는 종이에 섬을 형성하여 활동을 제한 할 것입니다. 이 두께 이상으로,태평양 표준시는 탄소를 코팅하고 효과적인 촉매가 될 것입니다. 일을 더욱 복잡하게 만들기 위해 나피온은 10 음 이상으로 침투 할 수 없으므로 이보다 더 많은 태평양 표준시를 사용하는 것은 불필요한 비용입니다. 따라서 촉매의 양 및 형상은 다른 물질의 제약에 의해 제한된다.
백금의 촉매 활성을 증가시키는 두 번째 방법은 다른 금속과 합금하는 것이다. 예를 들어,최근에 표면(111)은 순수한 표면(111)보다 10 배 더 높은 산소 환원 활성을 갖는 것으로 나타났다. 저자는이 극적인 성능 증가 펨 연료 전지에 있는 산소 함유 이온 종 결합 하 고 따라서 산소 흡착 및 감소에 대 한 사용할 수 있는 사이트의 수를 증가 하는 경향이 감소 하는 표면의 전자 구조에 수정 속성.
초음파 노즐을 사용하여 대기 조건 하에서 전해질 층 또는 카본 페이퍼에 백금 촉매를 도포하여 고효율의 스프레이를 실현할 수 있습니다. 연구 결과에 따르면 이러한 유형의 스프레이에 의해 생성 된 방울의 균일 한 크기로 인해,기술의 높은 전달 효율,노즐의 비 막힘 특성 및 최종적으로 초음파 에너지가 분무 직전에 현탁액을 탈 응집한다는 사실 때문에,이 방법으로 제조 된 연료 전지는 최종 측정기에서 더 큰 균질성을 가지며,셀을 통한 가스 흐름은보다 균일하여 측정기에서 백금의 효율을 극대화합니다.막 위에 촉매를 증착시키기 위해 잉크젯 인쇄를 사용하는 최근의 연구는 또한 증착 된 촉매 층의 두께 감소로 인해 높은 촉매 이용률을 보여 주었다.
최근,새로운 종류의 전기 촉매가 도입되었습니다. 이러한 금속 간 코어-쉘 나노 촉매는 향상된 활성을 나타내는 것으로 밝혀졌으며 가장 중요한 것은 이전의 많은 디자인에 비해 확장 된 내구성입니다. 활동에서 관찰 된 향상 긴장된 격자에 기인 하는 동안 저자 저하 속도론에 그들의 연구 결과 확장된 촉매 내구성 지속적인 원자 순서에 기인 설정 보고 합니다.
중독 감소편집
촉매 성능을 향상시키기 위한 또 다른 대중적인 접근법은 연료 공급원,특히 일산화탄소의 불순물에 대한 민감도를 감소시키는 것이다. 현재 순수 수소 가스는 전기 분해에 의해 대량 생산하기가 경제적입니다. 그러나 현재 수소 가스는 가벼운 탄화수소를 개질하는 증기에 의해 생성됩니다.이 과정은 공동(1-3%),이산화탄소(19-25%)및 엔 2(25%)를 포함하는 가스의 혼합물을 생성합니다. 공동의 백만 당 부품도 수십 순수 백금 촉매를 독살 할 수있다,그래서 공동에 백금의 저항을 증가하는 것은 연구의 활성 영역입니다.
예를 들어,한 연구에 따르면(100 개)패싯을 가진 입방체 모양의 백금 나노 입자는 비슷한 크기의 무작위로 패싯 된 백금 나노 입자에 비해 산소 감소 활성이 4 배 증가한 것으로보고되었습니다. 저자들은 무작위 모양의 나노 입자의(111)패싯이(100)패싯보다 황산 이온에 더 강하게 결합되어 산소 분자에 개방 된 촉매 부위의 수를 감소 시킨다는 결론을 내렸다. 대조적으로 그들이 합성 한 나노 큐브는 거의 독점적으로(100)면을 가졌으며,이는 황산염과 더 약하게 상호 작용하는 것으로 알려져 있습니다. 그 결과로,그 입자의 표면의 더 중대한 부분은 촉매의 산소 감소 활동을 밀어주는 산소의 감소를 위해 유효했습니다.
또한,연구자들은 촉매 중독을 피하기 위해 가능한 방법으로 연료 전지에 들어가기 전에 수소 연료의 공동 함량을 줄이는 방법을 조사 해왔다. 최근의 한 연구에 따르면 루테늄-백금 코어-쉘 나노 입자는 훨씬 덜 유해한 연료 오염 물질 인 이산화탄소를 형성하기 위해 공동 산화에 특히 효과적입니다. 이 효과를 생성하는 메커니즘은 개념적으로 위에서 설명한 것과 유사합니다: 입자의 루테늄 코어는 백금 표면의 전자 구조를 변경하여 공동의 산화를 더 잘 촉매 할 수 있습니다.
비용 절감
오늘날 펨 연료 전지의 생존 가능성에 대한 도전은 여전히 비용과 안정성에 남아 있습니다. 높은 비용은 대부분 펨 셀의 촉매 층에서 백금의 귀금속의 사용에 기인 할 수있다. 전기 촉매는 현재 연료 전지 스택 비용의 거의 절반을 차지합니다. 지난 10 년 동안 태평양 표준시 연료 전지의 적재량이 2 배 감소했지만,이 기술을 경제적으로 상용화 할 수 있도록 추가 감소가 필요합니다. 일부 연구 노력은 태평양 표준시 기반 촉매의 전기 촉매 활성을 개선하여이 문제를 해결하는 것을 목표로하는 반면,대안은 태평양 표준시 기반 기술의 성능을 경쟁하는 비 백금 그룹 금속(비 태평양 표준시)음극 촉매를 개발함으로써 태평양 표준시의 사용을 완전히 제거하는 것입니다. 미국 에너지 부서는 연료 전지의 개발을위한 이정표를 설정하고있다,의 내구성을 목표로 5000 시간 300 센티미터-3 의 비 펩타이드 촉매 오르 체적 활동.이러한 촉매는 금속/질소/탄소-촉매(미디엄/엔/씨-촉매)에 의해 결정된다. 높은 전력 밀도,또는 셀의 표면적을 통해 전력의 출력을 달성 하기 위해 태평양 표준시 기반 촉매의 적어도 1/10 의 체적 활동 좋은 대량 전송 속성과 함께 충족 해야 합니다. 촉매는 여전히 태평양 표준시 기반 촉매보다 열악한 체적 활동을 보여 주지만,이러한 촉매의 비용 절감은 보상하기 위해 더 큰 하중을 허용합니다. 그러나,적재를 증가 미디엄/엔/씨-촉매는 또한 촉매 층을 더 두껍게 만들어 대중 수송 특성을 손상시킨다. 즉,수소,산소 2,양성자 및 전자는 촉매 층을 통해 이동하는 데 더 큰 어려움을 겪어 셀의 전압 출력을 감소시킵니다. 촉매 네트워크의 높은 미세 다공성은 높은 체적 활성을 초래하지만,개선 된 대량 수송 특성은 대신 네트워크의 거대 다공성과 관련이 있습니다. 금속,질소 및 탄소를 포함하는 전구체의 고온 열분해 및 기타 고온 처리를 사용하여 합성됩니다.이러한 촉매에 대한 연구결과에 따르면,금속-유기-프레임워크 숙주는 철-아세트산,페난트롤린(페난트롤린)및 금속-유기-프레임워크 숙주로부터 유도된 철-엔/엔 촉매를 개발하였다. 이것은 높은 미세 다공성 표면적과 오르 활성에 도움이되는 높은 질소 함량을 보여줍니다. 이 값은 기존에 사용하던 촉매의 최대 전력 밀도에 비해 크게 개선된 것으로,1.0–1.2 와트의 전형적인 값과 일치하기에 훨씬 더 가깝다. 촉매는 또한 230·센티미터−3 의 체적 활동을 보여 주었으며,현재까지 비-펩티돔 촉매에 대한 가장 높은 가치를 보여 주었으며,미국 에너지 부 이정표에 접근했다.
신규한 피아/펜/지프-8-촉매에 의해 달성된 전력 밀도는 유망하지만,그 내구성은 상업적 응용에 있어서는 여전히 불충분하다. 이 촉매에 의해 전시 된 최고의 내구성은 여전히 수소에서의 100 시간 동안 전류 밀도가 15%감소한 것으로보고되었습니다. 따라서 철-기반 비-펩티돔 촉매가 그들의 전기 촉매 활성에서 태평양 표준시 기반 촉매와 경쟁하는 동안,그들의 열화 메커니즘을 이해하고 그들의 내구성을 향상시키는 데 여전히 많은 작업이 수행되어야한다.
