Proton-utveksling membran brenselcelle

PEMFCs er bygget ut av membran elektrode samlinger (MEA) som inkluderer elektroder, elektrolytt, katalysator og gass diffusjon lag. En blekk av katalysator, karbon og elektrode sprøytes eller males på fast elektrolytt og karbonpapir er varmt presset på hver side for å beskytte innsiden av cellen og også fungere som elektroder. Den sentrale delen av cellen er trippelfasegrensen (tpb) hvor elektrolytten, katalysatoren og reaktantene blandes og dermed hvor cellereaksjonene faktisk forekommer. Viktig er at membranen ikke må være elektrisk ledende, slik at halvreaksjonene ikke blandes. Driftstemperaturer over 100 °C er ønsket, slik at vannbiproduktet blir damp og vannstyring blir mindre kritisk i celledesign.

Reaksjonerrediger

en protonutvekslingsmembran brenselcelle forvandler den kjemiske energien som frigjøres under den elektrokjemiske reaksjonen av hydrogen og oksygen til elektrisk energi, i motsetning til direkte forbrenning av hydrogen og oksygen gasser for å produsere termisk energi.

en strøm av hydrogen leveres til anodesiden AV MEA. På anodesiden er det katalytisk delt inn i protoner og elektroner. Denne oksidasjonshalvcellereaksjonen eller hydrogenoksidasjonsreaksjonen (hor) er representert ved:

ved anoden:

de nydannede protonene gjennomsyrer gjennom polymerelektrolyttmembranen til katodesiden. Elektronene beveger seg langs en ekstern lastkrets til katodesiden AV MEA, og skaper dermed den nåværende utgangen av brenselcellen.I mellomtiden leveres en strøm av oksygen til katodesiden AV MEA. På katodesiden reagerer oksygenmolekyler med protonene som gjennomsyrer gjennom polymerelektrolyttmembranen og elektronene som kommer gjennom den eksterne kretsen for å danne vannmolekyler. Denne reduksjonshalvcellereaksjonen eller oksygenreduksjonsreaksjonen (orr) er representert ved:

ved katoden:

Samlet reaksjon:

den reversible reaksjonen uttrykkes i ligningen og viser reinkorporasjonen av hydrogenprotonene og elektronene sammen med oksygenmolekylet og dannelsen av ett vannmolekyl. Potensialene i hvert tilfelle er gitt med hensyn til standard hydrogenelektroden.

polymer elektrolyttmembranrediger

for å fungere må membranen lede hydrogenioner (protoner), men ikke elektroner, da dette i virkeligheten ville «kortslutte» brenselcellen. Membranen må heller ikke tillate at gass passerer til den andre siden av cellen, et problem kjent som gassovergang. Til slutt må membranen være motstandsdyktig mot det reduserende miljøet ved katoden, så vel som det harde oksidative miljøet ved anoden.

Splitting av hydrogenmolekylet er relativt enkelt ved å bruke en platinakatalysator. Dessverre er det imidlertid vanskeligere å splitte oksygenmolekylet, og dette medfører betydelige elektriske tap. Et passende katalysatormateriale for denne prosessen er ikke oppdaget, og platina er det beste alternativet.

Et billigere alternativ til platina er Cerium (IV) oksydkatalysator som brukes av forskningsgruppen til professor Vladimirsí Matolí i utviklingen AV PEMFC.

StrengthsEdit

PEMFC er en førsteklasses kandidat for kjøretøy og andre mobile applikasjoner av alle størrelser ned til mobiltelefoner, på grunn av sin kompakthet.

Svakheterrediger

Brenselceller basert PÅ PEM har fortsatt mange problemer:

1. Vannforvaltning

vannforvaltning er avgjørende for ytelse: hvis vannet fordampes for sakte, vil det oversvømme membranen, og opphopningen av vann inne i feltstrømplaten vil hindre strømmen av oksygen inn i brenselcellen, men hvis vannet fordamper for fort, vil membranen tørke og motstanden over den øker. Begge tilfellene vil forårsake skade på stabilitet og effekt. Vannforvaltning er et svært vanskelig emne i PEM-systemer, hovedsakelig fordi vann i membranen tiltrekkes mot katoden til cellen gjennom polarisasjon.

det finnes et bredt utvalg av løsninger for styring av vannet, inkludert integrering av en elektroosmotisk pumpe.

En annen innovativ metode for å løse problemet med resirkulering av vann er 3d finmasket flytfelt som ble brukt I Toyota Mirai, 2014. Konvensjonell UTFORMING AV FC stack resirkulerer vann fra luftutløpet til luftinntaket gjennom en luftfukter med en rett kanal og porøse metallstrømningsfelt.Strømningsfeltet er en struktur som består av en ribbe og kanaler. Ribben dekker imidlertid DELVIS gassdiffusjonslaget (GDL), og den resulterende gasstransportavstanden er lengre enn interkanalavstanden. Videre komprimerer kontakttrykket MELLOM GDL og ribben OGSÅ GDL, noe som gjør tykkelsen ujevn over ribben og kanalen. Den store bredden og ujevne tykkelsen på ribben vil øke potensialet for vanndamp å samle seg og oksygen vil bli kompromittert. Som et resultat vil oksygen bli hindret i å diffundere inn i katalysatorlaget, noe som fører til ikke-ensartet kraftproduksjon i FC.

Denne nye designen aktiverte DE første FC-stablefunksjonene uten et fuktighetssystem, samtidig som det overgikk problemer med resirkulering av vann og oppnådde høy utgangsstabilitet. 3d mikrogitteret tillater flere veier for gassstrøm; derfor fremmer det luftstrøm mot membranelektrode og GASSDIFFUSJONSLAGMONTERING (MEGA) og fremmer O2-diffusjon til katalysatorlaget. I motsetning til konvensjonelle strømningsfelt, 3d-mikrogitterene i det komplekse feltet, som fungerer som baffler og induserer hyppig mikroskala grensesnittfluss mellom GDL og strømningsfelt. På grunn av denne gjentatte konvektive strømmen i mikroskala, blir oksygentransport til katalysatorlag (CL) og fjerning av flytende vann fra GDL betydelig forbedret. Det genererte vannet trekkes raskt ut gjennom strømningsfeltet, og forhindrer akkumulering i porene. Som et resultat er kraftproduksjonen fra dette strømningsfeltet ensartet over tverrsnittet, og selvfukting er aktivert.

2. Sårbarhet Av Katalysatoren

platinakatalysatoren på membranen blir lett forgiftet av karbonmonoksid (ikke mer enn en del per million er vanligvis akseptabelt) og membranen er følsom for ting som metallioner, som kan innføres ved korrosjon av metalliske bipolare plater, metalliske komponenter i brenselcellesystemet eller fra forurensninger i drivstoffet/oksidanten.

PEM-systemer som bruker reformert metanol ble foreslått, som I Daimler Chrysler Necar 5; reforming metanol, dvs. å gjøre det reagere for å oppnå hydrogen, er imidlertid en svært komplisert prosess, som krever også rensing fra karbonmonoksid reaksjonen produserer. En platina-ruthenium katalysator er nødvendig da noe karbonmonoksid uunngåelig kommer til membranen. Nivået bør ikke overstige 10 deler per million. Videre er oppstartstidene for en slik reformerreaktor på omtrent en halv time. Alternativt kan metanol og noen andre biodrivstoff mates direkte til EN PEM brenselcelle uten å bli reformert, og dermed lage en direkte metanolbrenselcelle (DMFC). Disse enhetene opererer med begrenset suksess.

3. Begrensning Av Driftstemperatur

Den mest brukte membranen Er Nafion Av Kjemours, som er avhengig av flytende vannfukting av membranen for å transportere protoner. Dette innebærer at det ikke er mulig å bruke temperaturer over 80 til 90 °C, siden membranen vil tørke. Andre nyere membrantyper, basert på polybenzimidazol (PBI) eller fosforsyre, kan nå opp til 220 °C uten å bruke vannbehandling: høyere temperatur gir bedre effektivitet, strømtettheter, enkel kjøling (på grunn av større tillatte temperaturforskjeller), redusert følsomhet for karbonmonoksydforgiftning og bedre kontrollerbarhet (på grunn av fravær av vannstyringsproblemer i membranen); disse nyere typene er imidlertid ikke like vanlige. PBI kan dopet med fosforsyre eller svovelsyre og konduktivitetsskalaene med mengde doping og temperatur. Ved høye temperaturer er Det vanskelig å holde Nafion hydrert, men dette syredoperte materialet bruker ikke vann som medium for protonledning. Det viser også bedre mekaniske egenskaper, høyere styrke, Enn Nafion og er billigere. Syreutvasking er imidlertid et betydelig problem, og behandling, blanding med katalysator for å danne blekk, har vist seg vanskelig. Aromatiske polymerer, SOM PEEK, er langt billigere Enn Teflon (PTFE og ryggrad Av Nafion) og deres polare karakter fører til hydrering som er mindre temperaturavhengig enn Nafion. PEEK er imidlertid langt mindre ionisk ledende enn Nafion og er dermed et mindre gunstig elektrolyttvalg. Nylig har protiske ioniske væsker og protiske organiske ioniske plastkrystaller blitt vist som lovende alternative elektrolyttmaterialer for høy temperatur (100-200 °C) PEMFCs.

ElectrodesEdit

en elektrode består vanligvis av karbonstøtte, Pt-partikler, Nafioniononomer og / eller Teflonbindemiddel. Karbonstøtten fungerer som en elektrisk leder; Pt-partiklene er reaksjonssteder; ionomeren gir baner for protonledning, og Teflonbinderen øker elektrodens hydrofobicitet for å minimere potensiell oversvømmelse. For å muliggjøre de elektrokjemiske reaksjonene ved elektrodene, må protoner, elektroner og reaktantgassene (hydrogen eller oksygen) få tilgang til overflaten av katalysatoren i elektrodene, mens produktvannet, som kan være i enten flytende eller gassformig fase, eller begge faser, må kunne gjennomsyre fra katalysatoren til gassutløpet. Disse egenskapene realiseres vanligvis av porøse kompositter av polymerelektrolyttbindemiddel (ionomer) og katalysator nanopartikler støttet på karbonpartikler. Vanligvis brukes platina som katalysator for de elektrokjemiske reaksjonene ved anoden og katoden, mens nanopartikler realiserer høye overflate til vektforhold (som nærmere beskrevet nedenfor) og reduserer mengden av den kostbare platina. Polymerelektrolyttbinderen gir ionisk ledningsevne, mens karbonstøtten til katalysatoren forbedrer elektrisk ledningsevne og muliggjør lav platinametallbelastning. Den elektriske ledningsevnen i komposittelektrodene er typisk mer enn 40 ganger høyere enn protonledningsevnen.

gassdiffusjonslagrediger

GDL kobler katalysatoren og strømsamleren elektrisk. Det må være porøst, elektrisk ledende og tynt. Reaktantene må kunne nå katalysatoren, men ledningsevne og porøsitet kan fungere som motstridende krefter. Optimalt BØR GDL bestå av omtrent en tredjedel Nafion eller 15% PTFE. Karbonpartiklene som brukes i GDL kan være større enn de som brukes i katalysatoren fordi overflatearealet ikke er den viktigste variabelen i dette laget. GDL bør være rundt 15-35 µ tykk for å balansere nødvendig porøsitet med mekanisk styrke. OFTE legges et mellomliggende porøst lag mellom GDL og katalysatorlaget for å lette overgangene mellom de store porene i GDL og liten porøsitet i katalysatorlaget. SIDEN EN primær funksjon AV GDL er å bidra til å fjerne vann, kan et produkt, flom oppstå når vann effektivt blokkerer GDL. Dette begrenser reaktantenes evne til å få tilgang til katalysatoren og reduserer ytelsen betydelig. TEFLON kan belegges PÅ GDL for å begrense muligheten for flom. FLERE mikroskopiske variabler analyseres I GDLS som: porøsitet, tortuositet og permeabilitet. Disse variablene har forekomst over oppførselen til brenselceller.

EfficiencyEdit

Den maksimale teoretiske virkningsgraden å anvende Gibbs fri energi likningen ΔG = -237.13 kJ/mol og ved hjelp av oppvarming verdien av Hydrogen (ΔH = -285.84 kJ/mol) er 83% på 298 K.

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

Den praktiske effektiviteten av en PEMs er i størrelsesorden 50-60% .Viktigste faktorene som skaper tap er:

• Aktiveringstap
• Ohmske tap
• massetransporttap

metall-organiske rammerediger

Metall-organiske rammer (Mofs) er en relativt ny klasse av porøse, svært krystallinske materialer som består av metallnoder forbundet med organiske linkere. På grunn av enkelheten ved å manipulere eller erstatte metallsentrene og ligandene, er det et nesten ubegrenset antall mulige kombinasjoner, noe som er attraktivt fra et designsynspunkt. MOFs har mange unike egenskaper på grunn av deres innstillbare porestørrelser, termisk stabilitet, høy volumkapasitet, store overflater og ønskelige elektrokjemiske egenskaper. Blant deres mange forskjellige bruksområder er MOFs lovende kandidater for rene energiapplikasjoner som hydrogenlagring, gasseparasjoner, superkondensatorer, Li-ion-batterier, solceller og brenselceller. Innenfor feltet brenselcelleforskning blir MOFs studert som potensielle elektrolyttmaterialer og elektrodekatalysatorer som en dag kan erstatte henholdsvis tradisjonelle polymermembraner og Pt-katalysatorer.

som elektrolyttmaterialer virker inkluderingen Av MOFs først motintuitivt. Brenselcellemembraner har generelt lav porøsitet for å forhindre drivstoffovergang og tap av spenning mellom anoden og katoden. I tillegg har membraner en tendens til å ha lav krystallinitet fordi transport av ioner er gunstigere i uordnede materialer. På den annen side kan porene fylles med ekstra ionbærere som til slutt forbedrer systemets ioniske ledningsevne, og høy krystallinitet gjør designprosessen mindre kompleks.

de generelle kravene til en god elektrolytt for PEMFCs er: høy protonledningsevne (> 10-2 S/cm for praktiske anvendelser) for å muliggjøre protontransport mellom elektroder, god kjemisk og termisk stabilitet under brenselcelle driftsforhold (miljøfuktighet, variable temperaturer, motstand mot giftige arter, etc.), lav pris, evne til å bli behandlet i tynnfilmer, og generell kompatibilitet med andre cellekomponenter. Mens polymere materialer for tiden er det foretrukne valget av protonledende membran, krever de fuktighet for tilstrekkelig ytelse og kan noen ganger fysisk nedbrytes på grunn av hydreringseffekter, og dermed forårsake tap av effektivitet. Som nevnt er Nafion også begrenset av en dehydreringstemperatur på < 100 °C, noe som kan føre til langsommere reaksjonskinetikk, dårlig kostnadseffektivitet og co-forgiftning Av Pt elektrodekatalysatorer. Omvendt har MOFs vist oppmuntrende protonledningsevne i både lave og høye temperaturregimer, samt over et bredt spekter av fuktighetsforhold. Under 100 °C og under hydrering bidrar tilstedeværelsen av hydrogenbinding og løsemiddelvannmolekyler til protontransport, mens vannfrie forhold er egnet for temperaturer over 100 °C. MOFs har også den klare fordelen av å utvise protonledningsevne ved selve rammen i tillegg til inkludering av ladningsbærer (dvs.vann, syrer, etc.) inn i porene deres.

et eksempel på lav temperatur er arbeid Av Kitagawa, et al. hvem brukte et todimensjonalt oksalatbro anionisk lagramme som vert og introduserte ammoniumkationer og adipinsyremolekyler i porene for å øke protonkonsentrasjonen. Resultatet var en av de første forekomstene av EN MOF som viste» superprotonisk » konduktivitet (8 × 10-3 S/cm) ved 25 °C og 98% relativ fuktighet (RF). De fant senere at økning av den hydrofile naturen til kationene introdusert i porene kunne forbedre protonledningsevnen enda mer. I dette lavtemperaturregimet som er avhengig av hydratiseringsgrad, har det også vist seg at protonledningsevne er sterkt avhengig av fuktighetsnivåer.

ET høytemperatur vannfritt eksempel ER PCMOF2, som består av natriumioner koordinert til et trisulfonert benzenderivat. For å forbedre ytelsen og tillate høyere driftstemperaturer, kan vann erstattes som protonbæreren med mindre flyktige imidazol-eller triazolmolekyler i porene. Maksimumstemperaturen som ble oppnådd var 150 °C med en optimal konduktivitet på 5 × 10-4 S / cm, som er lavere enn andre nåværende elektrolyttmembraner. Imidlertid holder denne modellen løfte om temperaturregimet, vannfrie forhold og evne til å kontrollere mengden av gjestemolekyler i porene, som alle tillot tunability av protonledningsevne. I tillegg ble den triazolbelastede PCMOF2 innlemmet i En H2 / luftmembranelektrodeenhet og oppnådd en åpen kretsspenning på 1.18 V ved 100 °C som var stabil i 72 timer og klarte å forbli gasstett gjennom testingen. Dette var det første tilfellet som viste At MOFs faktisk kunne implementeres i fungerende brenselceller, og den moderate potensielle forskjellen viste at drivstoffovergang på grunn av porøsitet ikke var et problem.

hittil er den høyeste protonledningsevnen oppnådd for EN mof-elektrolytt 4,2 × 10-2 s / cm ved 25 °C under fuktige forhold (98% RF), som er konkurransedyktig med Nafion. Noen nyere eksperimenter har til og med vellykket produsert tynnfilmmof-membraner i stedet for de tradisjonelle bulkprøver eller enkeltkrystaller, noe som er avgjørende for deres industrielle anvendelighet. Når MOFs er i stand til konsekvent å oppnå tilstrekkelig konduktivitet, mekanisk styrke, vannstabilitet og enkel behandling, har de potensial til å spille en viktig rolle I PEMFCs i nær fremtid.

MOFs har også blitt målrettet som potensielle erstatninger av platinagruppemetall (pgm) materialer for elektrodekatalysatorer, selv om denne forskningen fortsatt er i de tidlige utviklingsstadiene. I PEMFCs er oksygenreduksjonsreaksjonen (orr) ved Pt-katoden betydelig langsommere enn brenseloksydasjonsreaksjonen ved anoden, og dermed undersøkes ikke-PGM og metallfrie katalysatorer som alternativer. Den høye volumetriske tettheten, store poreoverflater og åpenhet av metall-ion-områder i MOFs gjør dem ideelle kandidater for katalysatorforløpere. Til tross for lovende katalytiske evner er holdbarheten til disse foreslåtte MOF-baserte katalysatorene for tiden mindre enn ønskelig, OG ORR-mekanismen i denne sammenheng er fortsatt ikke helt forstått.

Katalysatorforskningrediger

Mye av dagens forskning på katalysatorer for pem brenselceller kan klassifiseres som å ha ett av følgende hovedmål:

1. for å oppnå høyere katalytisk aktivitet enn standard karbonstøttede platinapartikkelkatalysatorer som brukes i nåværende pem-brenselceller
2. for å redusere forgiftningen AV PEM-brenselcellekatalysatorer ved urenhetsgasser
3. for å redusere kostnadene for brenselcellen på grunn av bruk av platinabaserte katalysatorer
4. for å forbedre orr-aktiviteten til platinagruppe metallfri electrocatalysts

eksempler på disse tilnærmingene er gitt i de følgende avsnittene.

Økende katalytisk aktivitetrediger

som nevnt ovenfor er platina langt det mest effektive elementet som brukes TIL PEM brenselcellekatalysatorer, og nesten alle nåværende PEM brenselceller bruker platinapartikler på porøse karbonstøtter for å katalysere både hydrogenoksidasjon og oksygenreduksjon. På grunn av deres høye kostnader er nåværende Pt / C-katalysatorer imidlertid ikke mulige for kommersialisering. USA. Department Of Energy anslår at platina-baserte katalysatorer må bruke omtrent fire ganger mindre platina enn det som brukes i dagens pem brenselcelle design for å representere et realistisk alternativ til forbrenningsmotorer. Følgelig er et hovedmål for katalysatordesign for pem brenselceller å øke den katalytiske aktiviteten til platina med en faktor på fire, slik at bare en fjerdedel så mye av edelt metall er nødvendig for å oppnå lignende ytelse.

En metode for å øke ytelsen til platinakatalysatorer er å optimalisere størrelsen og formen på platinapartiklene. Å redusere partikkelens størrelse alene øker det totale overflatearealet av katalysator som er tilgjengelig for å delta i reaksjoner per volum platina som brukes, men nyere studier har vist flere måter å gjøre ytterligere forbedringer på katalytisk ytelse. For eksempel rapporterer en studie at høyindeksfasetter av platina nanopartikler (Det vil si Miller indekser med store heltall, for eksempel Pt (730)) gir en større tetthet av reaktive steder for oksygenreduksjon enn typiske platina nanopartikler.

siden den vanligste og effektive katalysatoren, platina, er ekstremt dyr, er alternativ behandling nødvendig for å maksimere overflaten og minimere lasting. Deponering av nanosized Pt partikler på karbon pulver (Pt/C) gir et stort Pt areal mens karbon tillater elektrisk forbindelse mellom katalysatoren og resten av cellen. Platina er så effektivt fordi det har høy aktivitet og bindinger til hydrogenet akkurat sterkt nok til å lette elektronoverføringen, men ikke hemme hydrogenet fra å fortsette å bevege seg rundt cellen. Platina er imidlertid mindre aktiv i katodens oksygenreduksjonsreaksjon. Dette nødvendiggjør bruk av mer platina, øke cellens bekostning og dermed gjennomførbarhet. Mange potensielle katalysatorvalg utelukkes på grunn av cellens ekstreme surhet.

de mest effektive måtene å oppnå nanoskala Pt på karbonpulver, som for tiden er det beste alternativet, er gjennom vakuumavsetning, sputtering og elektrodeposisjon. Platinapartiklene blir avsatt på karbonpapir som gjennomsyres MED PTFE. Det er imidlertid en optimal tynnhet til dette katalysatorlaget, som begrenser den lavere kostnadsgrensen. Under 4 nm Vil Pt danne øyer på papiret, og begrense aktiviteten. Over denne tykkelsen vil Pt belegge karbonet og være en effektiv katalysator. For å komplisere ting ytterligere, Kan Nafion ikke infiltreres utover 10 um, så bruk av Mer Pt enn dette er en unødvendig utgift. Således er mengden og formen av katalysatoren begrenset av begrensninger av andre materialer.

en annen metode for å øke den katalytiske aktiviteten til platina er å legere den med andre metaller. For eksempel ble det nylig vist At Pt3Ni(111) overflaten har en høyere oksygenreduksjonsaktivitet enn ren Pt (111) med en faktor på ti. Forfatterne tilskriver denne dramatiske ytelsesøkningen til modifikasjoner av overflatenes elektroniske struktur, reduserer dens tendens til å binde seg til oksygenholdige ioniske arter som er tilstede i PEM brenselceller og dermed øke antall tilgjengelige steder for oksygenadsorpsjon og reduksjon.

Ytterligere effektivitet kan realiseres ved hjelp Av En Ultralyddyse for å påføre platinakatalysatoren på elektrolyttlaget eller til karbonpapir under atmosfæriske forhold som resulterer i høy effektivitetsspray. Studier har vist at på grunn av den ensartede størrelsen på dråpene som er opprettet av denne typen spray, på grunn av den høye overføringseffektiviteten til teknologien, på grunn av dysens ikke-tette natur og til slutt på grunn av at ultralydsenergien de-agglomererer suspensjonen like før forstøvning, har brenselceller MEAS produsert på denne måten en større homogenitet i den endelige MEA, og gasstrømmen gjennom cellen er mer jevn, og maksimerer effektiviteten av platina i mea.Nylige studier ved bruk av blekkskriver for å deponere katalysatoren over membranen har også vist høy katalysatorutnyttelse på grunn av den reduserte tykkelsen på de avsatte katalysatorlagene.

Svært nylig har EN ny klasse orr electrocatalysts blitt introdusert i Tilfelle Av Pt-M (M-Fe og Co) systemer med en bestilt intermetallisk kjerne innkapslet i Et Pt-rikt skall. Disse intermetallic core-shell (IMCS) nanocatalysts ble funnet å vise en forbedret aktivitet og viktigst, en utvidet holdbarhet i forhold til mange tidligere design. Mens den observerte forbedringen i aktivitetene tilskrives et anstrengt gitter, rapporterer forfatterne at deres funn om nedbrytningskinetikken fastslår at den utvidede katalytiske holdbarheten kan tilskrives en vedvarende atomorden.

Redusere forgiftningrediger

den andre populære tilnærmingen til å forbedre katalysatorytelsen er å redusere følsomheten for urenheter i drivstoffkilden, spesielt karbonmonoksid (CO). For tiden blir ren hydrogengass økonomisk å masseprodusere ved elektrolyse. For øyeblikket produseres imidlertid hydrogengass ved dampreformering av lette hydrokarboner, en prosess som produserer en blanding av gasser som også inneholder CO (1-3%), CO2 (19-25%) Og N2 (25%). Selv titalls deler per million CO kan forgifte en ren platinakatalysator, så økende platinas motstand mot CO er et aktivt forskningsområde.

for eksempel rapporterte en studie at kubeformede platina nanopartikler med (100) fasetter viste en firefold økning i oksygenreduksjonsaktivitet sammenlignet med tilfeldig fasetterte platina nanopartikler av tilsvarende størrelse. Forfatterne konkluderte med at (111) fasetter av tilfeldig formede nanopartikler bundet sterkere til sulfationer enn (100) fasetter, redusere antall katalytiske steder åpne for oksygenmolekyler. Nanokubene de syntetiserte, derimot, hadde nesten utelukkende (100) fasetter, som er kjent for å interagere med sulfat svakere. Som et resultat var en større brøkdel av overflaten av disse partiklene tilgjengelig for reduksjon av oksygen, noe som økte katalysatorens oksygenreduksjonsaktivitet.

i tillegg har forskere undersøkt måter å redusere CO-innholdet av hydrogenbrensel før det går inn i en brenselcelle som en mulig måte å unngå forgiftning av katalysatorene. En nylig studie viste at ruthenium-platinum core-shell nanopartikler er spesielt effektive for å oksidere CO for å danne CO2, en mye mindre skadelig brenselforurensning. Mekanismen som produserer denne effekten er konseptuelt lik den som er beskrevet For Pt3Ni ovenfor: ruthenium-kjernen i partikkelen endrer den elektroniske strukturen til platinoverflaten, noe som gjør DEN bedre i stand til å katalysere oksidasjonen AV CO.

Senking costEdit

utfordringen FOR levedyktigheten TIL pem brenselceller i dag er fortsatt i deres kostnader og stabilitet. Den høye prisen kan i stor grad tilskrives bruken av edelt metall av platina i katalysatorlaget AV PEM-celler. Elektrokatalysatoren står for nesten halvparten av brenselcellekostnaden. Selv Om pt-lasting AV pem-brenselceller har blitt redusert med to størrelsesordener i løpet av det siste tiåret, er ytterligere reduksjon nødvendig for å gjøre teknologien økonomisk levedyktig for kommersialisering. Mens noen forskningsinnsats tar sikte på å løse dette problemet ved å forbedre den elektrokatalytiske aktiviteten Til Pt-baserte katalysatorer, er et alternativ å eliminere bruken av Pt helt ved å utvikle en ikke-platinagruppemetall (ikke-PGM) katodekatalysator hvis ytelse rivaler Den Av Pt-baserte teknologier. USA. Institutt For Energi har satt milepæler for utvikling av brenselceller, rettet mot en holdbarhet på 5000 timer og en ikke-PGM katalysator ORR volumetrisk aktivitet på 300 a cm-3.

Lovende alternativer Til Pt – baserte katalysatorer Er Metall / Nitrogen/ Karbon-katalysatorer (M/N/C-katalysatorer). For å oppnå høy effekttetthet, eller effektutgang over overflaten av cellen, må en volumetrisk aktivitet på minst 1/10 Av Pt-baserte katalysatorer oppfylles, sammen med gode massetransportegenskaper. Mens M / N / C-katalysatorer fortsatt viser dårligere volumetriske aktiviteter enn Pt – baserte katalysatorer, gir de reduserte kostnadene for slike katalysatorer større belastning for å kompensere. Imidlertid øker belastningen Av m/N / C-katalysatorer også det katalytiske laget tykkere, noe som svekker massetransportegenskapene. Med Andre ord Har H2, O2, protoner og elektroner større vanskeligheter med å migrere gjennom det katalytiske laget, noe som reduserer spenningsutgangen til cellen. Mens høy mikroporositet Av m/N / C katalytisk nettverk resulterer i høy volumetrisk aktivitet, er forbedrede massetransportegenskaper i stedet knyttet til makroporositet i nettverket. Disse m/N / C materialer er syntetisert ved hjelp av høy temperatur pyrolyse og andre høy temperatur behandlinger av forløpere som inneholder metall, nitrogen og karbon.

nylig har forskere utviklet En Fe / N / c katalysator avledet fra jern (II) acetat( FeAc), fenantrolin (Phen) og en metall-organisk rammeverk (MOF) vert. MOF er Et zn (II) zeolitisk imidazolat rammeverk (ZIF) kalt ZIF-8, som demonstrerer et høyt mikroporøst overflateareal og høyt nitrogeninnhold som bidrar TIL ORR-aktivitet. Effekttettheten Til FeAc/Phen/ZIF-8-katalysatoren ble funnet å være 0,75 w cm−2 ved 0,6 V. denne verdien er en signifikant forbedring over den maksimale 0,37 w cm−2 effekttettheten til tidligere m/N/C-katalysatorer og er mye nærmere den typiske verdien av 1,0–1,2 w cm-2 for Pt-baserte katalysatorer med En Pt-belastning på 0,3 mg cm-2. Katalysatoren viste også en volumetrisk aktivitet på 230 a * cm-3, den høyeste verdien for ikke-PGM katalysatorer til dags dato, nærmer SEG US Department Of Energy milepæl.

mens effekttettheten oppnådd av romanen FeAc / Phen / ZIF-8-catalyst er lovende, forblir holdbarheten utilstrekkelig for kommersiell bruk. Det er rapportert at den beste holdbarheten utstilt av denne katalysatoren fortsatt hadde en 15% nedgang i dagens tetthet over 100 timer I H2 / luft. Derfor mens Fe-baserte ikke-PGM katalysatorer rival Pt-baserte katalysatorer i deres electrocatalytic aktivitet, det er fortsatt mye arbeid som må gjøres i å forstå deres degradering mekanismer og forbedre deres holdbarhet.