Proton-exchange membraanbrandstofcel

Pemfk ‘ s zijn opgebouwd uit membraanelektrodeassemblages (MEA), waaronder de lagen elektroden, elektrolyt, katalysator en gasdiffusie. Een inkt van katalysator, koolstof, en elektrode worden gespoten of geschilderd op de vaste elektrolyt en carbon papier is heet geperst aan beide zijden om de binnenkant van de cel te beschermen en ook fungeren als elektroden. Het centrale deel van de cel is de drievoudige fasegrens (TPB) waar de elektrolyt, katalysator, en reactanten mengen en zo waar de celreacties eigenlijk voorkomen. Belangrijk is dat het membraan niet elektrisch geleidend is, zodat de halve reacties niet mengen. Bedrijfstemperaturen boven 100 °C zijn gewenst, zodat het bijproduct van het water stoom wordt en het waterbeheer minder kritisch wordt in het celontwerp.

ReactionsEdit

een Proton exchange Membraan brandstofcel transformeert de chemische energie die vrijkomt tijdens de elektrochemische reactie van waterstof en zuurstof in elektrische energie, in tegenstelling tot de directe verbranding van waterstof en zuurstof gassen om thermische energie te produceren.

aan de anodezijde van de MEA wordt een waterstofstroom geleverd. Aan de anode zijde wordt het katalytisch gesplitst in protonen en elektronen. Deze halfcellige oxidatiereactie of waterstofoxidatiereactie (hor) wordt weergegeven door:

bij de anode:

de nieuw gevormde protonen doordringen door het polymeerelektrolytenmembraan naar de kathodezijde. De elektronen reizen langs een externe belastingcircuit naar de kathodezijde van de MEA, waardoor de stroomuitgang van de brandstofcel ontstaat.Ondertussen wordt een stroom van zuurstof geleverd aan de kathode kant van de MEA. Aan de kathodezijde reageren zuurstofmoleculen met de protonen die door het polymeerelektrolytenmembraan doordringen en de elektronen die door het externe circuit komen om watermoleculen te vormen. Deze reductiehalfcellige reactie of zuurstofreductiereactie (Orr) wordt weergegeven door:

aan de kathode:

totale reactie:

de omkeerbare reactie wordt uitgedrukt in de vergelijking en toont de reïncorporatie van de waterstofprotonen en elektronen samen met het zuurstofmolecuul en de vorming van één watermolecuul. De potentialen in elk geval worden gegeven met betrekking tot de standaard waterstofelektrode.

membraan voor polymeerelektrolytendit

om te functioneren moet het membraan waterstofionen (protonen) geleiden, maar geen elektronen, omdat dit in feite de brandstofcel “kortsluit”. Het membraan moet ook geen gas toestaan om over te gaan naar de andere kant van de cel, een probleem dat bekend staat als gas crossover. Ten slotte moet het membraan bestand zijn tegen het reducerende milieu bij de kathode en tegen het agressieve oxidatieve milieu bij de anode.

het splitsen van het waterstofmolecuul is relatief eenvoudig met behulp van een platinakatalysator. Helaas is het splitsen van het zuurstofmolecuul echter moeilijker, en dit veroorzaakt aanzienlijke elektrische verliezen. Een geschikt katalysatormateriaal voor dit proces is niet ontdekt, en platina is de beste optie.Een goedkoper alternatief voor platina is de Cerium (IV) oxidekatalysator die door de onderzoeksgroep van Professor Vladimír Matolín wordt gebruikt bij de ontwikkeling van PEMFC.

StrengthsEdit

de PEMFC is een uitstekende kandidaat voor voertuig-en andere mobiele toepassingen van alle groottes tot mobiele telefoons, vanwege zijn compactheid.

zwakke punten

brandstofcellen op basis van PEM hebben nog steeds veel problemen:

1. Waterbeheer

waterbeheer is cruciaal voor prestaties: als water te langzaam wordt verdampt, zal het membraan overstromen en de ophoping van water in de field flow plate zal de stroom van zuurstof in de brandstofcel belemmeren, maar als water te snel verdampt, zal het membraan drogen en de weerstand over het toeneemt. Beide gevallen zullen schade aan de stabiliteit en het vermogen veroorzaken. Waterbeheer is een zeer moeilijk onderwerp in PEM-systemen, vooral omdat water in het membraan door polarisatie naar de kathode van de cel wordt aangetrokken.

er bestaan verschillende oplossingen voor het beheer van het water, waaronder de integratie van een elektro-osmotische pomp.

een andere innovatieve methode om het probleem van de waterrecirculatie op te lossen is het 3D-flow field-ontwerp van fijnmazige mazen dat werd gebruikt in de Toyota Mirai, 2014. Het conventionele ontwerp van de FC-stapel recirculeert water van de luchtuitlaat naar de luchtinlaat door een luchtbevochtiger met een recht kanaal en poreuze metalen stroomvelden.Het stroomveld is een structuur die bestaat uit een rib en kanalen. De rib bedekt echter gedeeltelijk de gasdiffusielaag (GDL) en de resulterende gasafstand is langer dan de interkanaalafstand. Bovendien comprimeert de contactdruk tussen de GDL en de rib de GDL, waardoor de dikte niet uniform is over de rib en het kanaal. De grote breedte en niet-uniforme dikte van de rib zal de mogelijkheid voor waterdamp te accumuleren verhogen en de zuurstof zal worden aangetast. Als gevolg hiervan zal zuurstof worden belemmerd om te diffunderen in katalysatorlaag, wat leidt tot nonuniform energieopwekking in de FC.

dit nieuwe ontwerp maakte de eerste FC-stapelfuncties mogelijk zonder een bevochtigingssysteem, waardoor problemen met de watercirculatie konden worden overwonnen en een hoge stabiliteit van het uitgangsvermogen kon worden bereikt. Het 3D micro-rooster staat meer wegen voor gasstroom toe; daarom bevordert het de luchtstroom naar de assemblage van de membraanelektrode en de gasdiffusielaag (MEGA) en bevordert O2-verspreiding aan de katalysatorlaag. In tegenstelling tot conventionele stroomvelden, de 3D micro-roosters in het complexe gebied, die als Schotten dienst doen en frequente micro-schaal interfaciale flux tussen de GDL en flow-velden veroorzaken. Door deze zich herhalende convectieve stroom op microschaal wordt het zuurstoftransport naar de katalysatielaag (CL) en de verwijdering van vloeibaar water uit GDL aanzienlijk verbeterd. Het gegenereerde water wordt snel door het stroomveld getrokken, waardoor accumulatie in de poriën wordt voorkomen. Hierdoor is de stroomopwekking uit dit stroomveld uniform over de dwarsdoorsnede en is zelfbevochtiging mogelijk.

2. Kwetsbaarheid van de katalysator

de platinakatalysator op het membraan wordt gemakkelijk vergiftigd door koolmonoxide (meestal is niet meer dan één deel per miljoen aanvaardbaar) en het membraan is gevoelig voor zaken als metaalionen, die kunnen worden ingebracht door corrosie van metallische bipolaire platen, metalen componenten in het brandstofcelsysteem of door contaminanten in de brandstof/oxidant.

PEM-systemen die Gereformeerde methanol gebruiken werden voorgesteld, zoals in Daimler Chrysler Necar 5; reforming methanol, d.w.z. het reactieproces om waterstof te verkrijgen is echter een zeer ingewikkeld proces, dat ook zuivering vereist van de koolmonoxide die de reactie produceert. Een platina-rutheniumkatalysator is noodzakelijk omdat er onvermijdelijk koolmonoxide in het membraan zal terechtkomen. Het niveau mag niet hoger zijn dan 10 delen per miljoen. Bovendien bedraagt de opstarttijd van een dergelijke reformatorreactor ongeveer een half uur. Als alternatief kunnen methanol en sommige andere biobrandstoffen rechtstreeks aan een PEM-brandstofcel worden toegevoegd zonder te worden hervormd, waardoor een directe methanol-brandstofcel (DMFC) wordt gevormd. Deze apparaten werken met beperkt succes.

3. Beperking van de bedrijfstemperatuur

het meest gebruikte membraan is Nafion door Chemours, dat afhankelijk is van vochtbevochtiging van het membraan om protonen te transporteren. Dit betekent dat het niet haalbaar is om temperaturen boven 80 tot 90 °C te gebruiken, omdat het membraan zou drogen. Andere, recentere membraantypes, op basis van polybenzimidazol (PBI) of fosforzuur, kunnen tot 220 °C bereiken zonder gebruik te maken van waterbeheer: hogere temperatuur zorgt voor een betere efficiëntie, vermogensdichtheid, gemak van koeling (vanwege grotere toegestane temperatuurverschillen), verminderde gevoeligheid voor koolmonoxide vergiftiging en een betere controleerbaarheid (vanwege het ontbreken van waterbeheer problemen in het membraan); echter, deze recente types zijn niet zo vaak voor. PBI kan gedoteerd worden met fosforzuur of zwavelzuur en de geleidbaarheidschalen met de hoeveelheid doping en temperatuur. Bij hoge temperaturen is het moeilijk om nafion gehydrateerd te houden, maar dit zuur gedoteerde Materiaal Gebruikt geen water als medium voor protongeleiding. Het vertoont ook betere mechanische eigenschappen, hogere sterkte, dan Nafion en is goedkoper. Zure uitloging is echter een belangrijk probleem en de verwerking, mengen met katalysator om inkt te vormen, is lastig gebleken. Aromatische polymeren, zoals PEEK, zijn veel goedkoper dan teflon (PTFE en backbone van Nafion) en hun polaire karakter leidt tot hydratatie die minder temperatuurafhankelijk is dan Nafion. Echter, PEEK is veel minder ionisch geleidend dan Nafion en dus is een minder gunstige elektrolyt keuze. Onlangs zijn protic ionic liquids en protic organic ionic plastic crystals aangetoond als veelbelovende alternatieve elektrolytenmaterialen voor hoge temperatuur (100-200 °C) PEMFCs.

Elektrodedit

een elektrode bestaat doorgaans uit koolstofdrager, Pt-deeltjes, Nafion-ionomeer en/of teflon-bindmiddel. De koolstofsteun functioneert als een elektrische geleider; de Pt-deeltjes zijn reactieplaatsen; de ionomeer verstrekt wegen voor protongeleiding, en het Teflon-bindmiddel verhoogt de hydrophobiciteit van de elektrode om potentiële overstroming te minimaliseren. Om de elektrochemische reacties aan de elektroden mogelijk te maken, moeten protonen, elektronen en de reactieve gassen (waterstof of zuurstof) toegang krijgen tot het oppervlak van de katalysator in de elektroden, terwijl het productwater, dat zich in vloeibare of gasvormige fase of in beide fasen kan bevinden, van de katalysator naar de gasuitlaat moet kunnen doordringen. Deze eigenschappen worden typisch gerealiseerd door poreuze composieten van polymeer elektrolyt binder (ionomer) en katalysator nanodeeltjes ondersteund op koolstofdeeltjes. Typisch platina wordt gebruikt als katalysator voor de elektrochemische reacties bij de anode en kathode, terwijl nanoparticles hoge oppervlakte aan gewichtsverhoudingen realiseren (zoals hieronder verder beschreven) die de hoeveelheid kostbaar platina verminderen. Het polymeer elektrolyt bindmiddel zorgt voor de Ionische geleidbaarheid, terwijl de koolstofsteun van de katalysator de elektrische geleidbaarheid verbetert en een lage platina-metaalbelasting mogelijk maakt. De elektrische geleidbaarheid in de composietelektroden is meestal meer dan 40 keer hoger als de proton geleidbaarheid.

gasdiffusielaag

de GDL verbindt de katalysator en de stroomafnemer elektrisch. Het moet poreus, elektrisch geleidend en dun zijn. De reagentia moeten in staat zijn om de katalysator te bereiken, maar geleidbaarheid en porositeit kunnen fungeren als tegengestelde krachten. Optimaal zou de GDL uit ongeveer een derde Nafion of 15% PTFE moeten bestaan. De koolstofdeeltjes die in de GDL worden gebruikt, kunnen groter zijn dan die welke in de katalysator worden gebruikt, omdat het oppervlak niet de belangrijkste variabele in deze laag is. GDL moet ongeveer 15-35 µm dik zijn om de benodigde porositeit met mechanische sterkte te balanceren. Vaak wordt een tussenliggende poreuze laag toegevoegd tussen de GDL en de katalysatorlaag om de overgangen tussen de grote poriën in de GDL en de kleine porositeit in de katalysatorlaag te vergemakkelijken. Aangezien een primaire functie van de GDL is om te helpen bij het verwijderen van water, een product, kan overstroming optreden wanneer water effectief blokkeert de GDL. Dit beperkt het vermogen van de reactanten om toegang te krijgen tot de katalysator en vermindert de prestaties aanzienlijk. Teflon kan op de GDL worden gecoat om de mogelijkheid van overstroming te beperken. Verschillende microscopische variabelen worden geanalyseerd in de GDL ‘ s zoals: porositeit, tortuositeit en permeabiliteit. Deze variabelen hebben invloed op het gedrag van de brandstofcellen.

EfficiencyEdit

het maximale theoretische rendement met de Gibbs vrije energievergelijking ΔG = -237,13 kJ/mol en de verwarmingswaarde van waterstof (ΔH = -285,84 kJ/mol) is 83% bij 298 K.

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

de praktische efficiëntie van een PEMS ligt in het bereik van 50-60% .De belangrijkste factoren die maken verliezen:

• Activering verliezen
• Ohmse verliezen
• openbaar vervoer verliezen

Metaal-organische frameworksEdit

Metal-organic frameworks (MOFs) zijn een relatief nieuwe klasse van poreus, zeer kristallijne materialen die bestaan uit een metalen knopen met elkaar verbonden door organische linkers. Vanwege de eenvoud van het manipuleren of vervangen van de metalen centra en liganden, zijn er een vrijwel onbeperkt aantal mogelijke combinaties, die aantrekkelijk is vanuit een ontwerp standpunt. Mof ‘ s vertonen vele unieke eigenschappen door hun afstembare poriegroottes, thermische stabiliteit, hoge volumecapaciteiten, grote oppervlakken en gewenste elektrochemische eigenschappen. Onder hun vele uiteenlopende toepassingen zijn mof ‘ s veelbelovende kandidaten voor Schone energietoepassingen zoals waterstofopslag, gasscheidingen, supercondensatoren, Li-ion-batterijen, zonnecellen en brandstofcellen. Binnen het gebied van brandstofcelonderzoek, worden mof ‘ s bestudeerd als potentiële elektrolytenmaterialen en elektrodekatalysatoren die op een dag traditionele polymeermembranen en Pt-katalysatoren zouden kunnen vervangen, respectievelijk.

als elektrolytenmateriaal lijkt het opnemen van mof ‘ s in eerste instantie contra-intuïtief. Brandstofcelmembranen hebben over het algemeen een lage porositeit om brandstofovergang en spanningsverlies tussen de anode en de kathode te voorkomen. Bovendien hebben membranen de neiging om een lage kristalliniteit te hebben omdat het transport van ionen gunstiger is in ongeordende materialen. Aan de andere kant kunnen poriën worden gevuld met extra ionendragers die uiteindelijk de Ionische geleidbaarheid van het systeem verbeteren en de hoge kristalliniteit maakt het ontwerpproces minder complex.

de algemene vereisten voor een goede elektrolyt voor Pemfk ‘ s zijn: hoge protongeleidbaarheid (>10-2 S/cm voor praktische toepassingen) om proton transport tussen elektroden mogelijk te maken, goede chemische en thermische stabiliteit onder bedrijfsomstandigheden in brandstofcellen (vochtigheid, variabele temperaturen, bestandheid tegen giftige stoffen, enz.), lage kosten, het vermogen om te worden verwerkt in dunne films, en de algehele compatibiliteit met andere celcomponenten. Hoewel polymere materialen momenteel de voorkeur geven aan Proton-geleidend membraan, vereisen ze bevochtiging voor adequate prestaties en kunnen ze soms fysiek degraderen als gevolg van Hydra-effecten, waardoor verliezen van efficiëntie worden veroorzaakt. Zoals vermeld, wordt Nafion ook beperkt door een dehydratatietemperatuur van < 100 °C, wat kan leiden tot tragere reactiekinetiek, slechte kostenefficiëntie en CO-vergiftiging van Pt-elektrodekatalysatoren. Omgekeerd, hebben MOFs bemoedigende proton geleidbaarheid in zowel lage als hoge temperatuur regimes evenals over een brede waaier van vochtigheidsvoorwaarden getoond. Onder 100 °C en onder hydratatie, helpen de aanwezigheid van waterstofbindingen en oplosmiddelwatermoleculen bij proton transport, terwijl watervrije omstandigheden geschikt zijn voor temperaturen boven 100 °C. mof ‘ s hebben ook het duidelijke voordeel van Proton geleidbaarheid door het raamwerk zelf naast de opname van ladingsdragers (d.w.z., water, zuren, enz.) in hun poriën.

een voorbeeld van lage temperatuur is werk van Kitagawa, et al. die een tweedimensionaal oxalaat-overbrugd anionisch laagkader als gastheer gebruikte en ammoniumkationen en adipic zure molecules in de poriën introduceerde om protonconcentratie te verhogen. Het resultaat was een van de eerste gevallen van een MOF met “superprotonic” geleidbaarheid (8 × 10-3 S/cm) bij 25 °C en 98% relatieve vochtigheid (RH). Zij vonden later dat het verhogen van de hydrofiele aard van de kationen die in de poriën worden geïntroduceerd proton geleidbaarheid nog meer zou kunnen verbeteren. In dit lage temperatuurregime dat afhankelijk is van de mate van hydratatie, is ook aangetoond dat proton geleidbaarheid sterk afhankelijk is van vochtigheidsniveaus.

een watervrij hogetemperatuurvoorbeeld is PCMOF2, dat bestaat uit natriumionen gecoördineerd met een trisulfonaatbenzeenderivaat. Om prestaties te verbeteren en voor hogere werkende temperaturen toe te staan, kan het water als protondrager door minder vluchtige imidazole of triazole molecules binnen de poriën worden vervangen. De maximale bereikte temperatuur was 150 °C met een optimale geleidbaarheid van 5 × 10-4 S / cm, die lager is dan andere huidige elektrolyt membranen. Nochtans, houdt dit model belofte voor zijn temperatuurregime, watervrije Voorwaarden, en capaciteit om de hoeveelheid gastmoleculen binnen de poriën te controleren, die allen voor de afstembaarheid van proton geleidbaarheid toestonden. Daarnaast werd de triazoolbelaste PCMOF2 opgenomen in een H2/lucht membraan-elektrode assemblage en bereikte een open circuit spanning van 1.18 V bij 100 °C die gedurende 72 uur stabiel was en gedurende de hele test gasdicht bleef. Dit was het eerste geval dat bleek mof ‘ s daadwerkelijk kon worden geïmplementeerd in functionerende brandstofcellen, en het matige potentiële verschil bleek dat brandstof crossover als gevolg van porositeit was geen probleem.

tot op heden is het hoogste protongeleidingsvermogen bereikt voor een MOF-elektrolyt 4,2 × 10-2 S / cm bij 25 °C onder vochtige omstandigheden (98% RV), wat concurrerend is met Nafion. Sommige recente experimenten hebben zelfs met succes dunne-film MOF membranen geproduceerd in plaats van de traditionele bulk monsters of enkele kristallen, wat cruciaal is voor hun industriële toepasbaarheid. Zodra mof ’s in staat zijn om consistent voldoende geleidbaarheidsniveaus, mechanische sterkte, waterstabiliteit en eenvoudige verwerking te bereiken, kunnen ze in de nabije toekomst een belangrijke rol spelen in Pemfk’ s.

mof ‘ s zijn ook bedoeld als mogelijke vervanging van platinagroepmetaal (PGM) materialen voor elektrodekatalysatoren, hoewel dit onderzoek zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevindt. In Pemfk ‘ s is de zuurstofreductiereactie (Orr) aan de Pt-kathode significant langzamer dan de brandstofoxidatiereactie aan de anode, en dus worden niet-PGM-en metaalvrije katalysatoren als alternatieven onderzocht. De hoge volumetrische dichtheid, grote porieoppervlakken en openheid van metaal-ion sites in mof ‘ s maken hen ideale kandidaten voor katalysatorvoorlopers. Ondanks veelbelovende katalytische capaciteiten is de duurzaamheid van deze voorgestelde mof-gebaseerde katalysatoren momenteel minder dan wenselijk en is het ORR-mechanisme in deze context nog niet volledig begrepen.

Katalysatoronderzoekedit

veel van het huidige onderzoek naar katalysatoren voor PEM-brandstofcellen kan worden geclassificeerd als met een van de volgende hoofddoelstellingen::

1. te verkrijgen hoger katalytische activiteit dan de standaard carbon-ondersteund platinum deeltje katalysatoren gebruikt in de huidige PEM-brandstofcellen
2. verminderen van de vergiftiging van PEM-brandstofcel katalysatoren door menging van gassen
3. om de kosten van de brandstofcel als gevolg van het gebruik van platina katalysatoren
4. verbeteren van de ORR activiteit van de platina groep metalen-vrij elektrokatalysatoren

Voorbeelden van deze methoden worden in de volgende secties gegeven.

toenemende katalytische activiteitdit

zoals hierboven vermeld, is platina verreweg het meest effectieve element dat wordt gebruikt voor PEM-brandstofcelkatalysatoren, en bijna alle huidige PEM-brandstofcellen gebruiken platinadeeltjes op poreuze koolstofdragers om zowel waterstofoxidatie als zuurstofreductie te katalyseren. Vanwege de hoge kosten zijn de huidige Pt/C-katalysatoren echter niet haalbaar voor commercialisering. VS. Het ministerie van energie schat dat op platina gebaseerde katalysatoren ruwweg vier keer minder platina zullen moeten gebruiken dan in de huidige PEM-brandstofcelontwerpen wordt gebruikt om een realistisch alternatief voor verbrandingsmotoren te vormen. Daarom is een belangrijk doel van het katalysatorontwerp voor PEM-brandstofcellen om de katalytische activiteit van platina met een factor vier te verhogen, zodat slechts een vierde van het edelmetaal nodig is om vergelijkbare prestaties te bereiken.

een methode om de prestaties van platinakatalysatoren te verhogen is het optimaliseren van de grootte en vorm van de platinadeeltjes. Het verminderen van de grootte van de deeltjes alleen verhoogt de totale oppervlakte van de katalysator beschikbaar om deel te nemen aan reacties per volume platina gebruikt, maar recente studies hebben extra manieren aangetoond om verdere verbeteringen aan de katalytische prestaties. Bijvoorbeeld, rapporteert één studie dat hoog-index facetten van platina nanoparticles (dat is Miller indexen met grote gehele getallen, zoals Pt (730)) een grotere dichtheid van reactieve plaatsen voor zuurstofvermindering dan typische platina nanoparticles verstrekken.

omdat de meest voorkomende en effectieve katalysator, platina, extreem duur is, is een alternatieve bewerking nodig om het oppervlak te maximaliseren en de belasting te minimaliseren. Depositie van Nanosized PT-deeltjes op koolstofpoeder (Pt/C) verstrekt een groot Pt-oppervlakte terwijl de Koolstof voor elektrische verbinding tussen de katalysator en de rest van de cel toestaat. Platina is zo effectief omdat het een hoge activiteit heeft en gebonden is aan de waterstof net sterk genoeg om elektronenoverdracht te vergemakkelijken, maar niet de waterstof te remmen van het blijven bewegen rond de cel. Platina is echter minder actief in de kathode zuurstofreductie reactie. Dit vereist het gebruik van meer platina, het verhogen van de kosten van de cel en dus haalbaarheid. Veel potentiële katalysatorkeuzes zijn uitgesloten vanwege de extreme zuurgraad van de cel.

de meest effectieve manieren om de Pt op nanoschaal op koolstofpoeder te bereiken, wat momenteel de beste optie is, zijn door middel van vacuümdepositie, sputteren en elektrodepositie. De platina deeltjes worden afgezet op carbonpapier dat doordrenkt is met PTFE. Er is echter een optimale dunheid aan deze katalysatorlaag, die de lagere kostenlimiet beperkt. Onder 4 nm vormt Pt eilanden op het papier, waardoor de activiteit wordt beperkt. Boven deze dikte zal de Pt de koolstof bedekken en een effectieve katalysator zijn. Om de zaken verder te compliceren, Nafion kan niet worden geïnfiltreerd voorbij 10 um, dus het gebruik van meer Pt dan dit is een onnodige kosten. De hoeveelheid en vorm van de katalysator wordt dus beperkt door de beperkingen van andere materialen.Een tweede methode om de katalytische activiteit van platina te verhogen is het legeren van platina met andere metalen. Zo werd onlangs bijvoorbeeld aangetoond dat het oppervlak van Pt3ni(111) een factor tien een hogere zuurstofreductieactiviteit heeft dan zuiver Pt(111). De auteurs schrijven deze dramatische prestatieverhoging toe aan wijzigingen in de elektronische structuur van het oppervlak, waardoor de neiging om zich te binden aan zuurstofhoudende Ionische soorten die aanwezig zijn in PEM-brandstofcellen, wordt verminderd en daardoor het aantal beschikbare locaties voor zuurstofadsorptie en-reductie wordt verhoogd.

verdere efficiëntieverbeteringen kunnen worden gerealiseerd met behulp van een ultrasoon mondstuk om de platinakatalysator onder atmosferische omstandigheden op de elektrolytlaag of op carbonpapier aan te brengen, wat resulteert in een zeer efficiënte spray. Studies hebben aangetoond dat als gevolg van de uniforme grootte van de druppels gemaakt door dit soort van spray, vanwege de hoge transfer-efficiëntie van de technologie, te wijten aan de niet-verstopping aard van het mondstuk en uiteindelijk te wijten aan het feit dat de ultrasone energie-de-concentraties de opschorting slechts voor verneveling, brandstofcellen MEA is vervaardigd op deze manier een grotere homogeniteit in de laatste MEA, en de gas stroom door de cel is meer uniform, het maximaliseren van de efficiëntie van de platina in de MEA.Recente studies die inkjetdruk gebruiken om de katalysator over het membraan te deponeren, hebben ook een hoog katalysatorgebruik aangetoond door de verminderde dikte van de gedeponeerde katalysatorlagen.

zeer recent is een nieuwe klasse van Orr elektrokatalysatoren geïntroduceerd in het geval van Pt – M (M-Fe en Co) systemen met een geordende intermetallische kern ingekapseld in een Pt-rijke schaal. Deze intermetallic core-shell (IMCS) nanokatalysatoren werden gevonden om een verbeterde activiteit en het belangrijkst, een verlengde duurzaamheid in vergelijking met vele vorige ontwerpen tentoon te stellen. Terwijl de waargenomen verbetering in de activiteiten wordt toegeschreven aan een gespannen rooster, melden de auteurs dat hun bevindingen over de degradatiekinetiek aantonen dat de verlengde katalytische duurzaamheid is toe te schrijven aan een aanhoudende atomaire orde.

reducing Poison edit

de andere populaire aanpak om de katalysatorprestaties te verbeteren is het verminderen van de gevoeligheid voor verontreinigingen in de brandstofbron, met name koolmonoxide (CO). Op dit moment wordt zuiver waterstofgas economisch om massa te produceren door elektrolyse. Op dit moment wordt waterstofgas echter geproduceerd door stoomreformerende lichte koolwaterstoffen, een proces dat een mengsel van gassen produceert dat ook CO (1-3%), CO2 (19-25%) en N2 (25%) bevat. Zelfs tientallen deeltjes per miljoen CO kunnen een pure Platina katalysator vergiftigen, dus het verhogen van platina ‘ s weerstand tegen CO is een actief onderzoeksgebied.

in een studie werd bijvoorbeeld gemeld dat kubusvormige platina nanodeeltjes met (100) facetten een verviervoudiging van de zuurstofreductieactiviteit vertoonden in vergelijking met willekeurig gefacetteerde platina nanodeeltjes van vergelijkbare grootte. De auteurs concludeerden dat de (111) facetten van de willekeurig gevormde nanodeeltjes sterker gebonden aan sulfaationen dan de (100) facetten, waardoor het aantal katalytische sites open voor zuurstofmoleculen. De nanocubes die zij synthetiseerden, daarentegen, hadden bijna uitsluitend (100) facetten, die gekend zijn om met sulfaat zwakker in wisselwerking te staan. Als gevolg hiervan was een groter deel van het oppervlak van die deeltjes beschikbaar voor de vermindering van zuurstof, waardoor de zuurstofreductieactiviteit van de katalysator werd versterkt.

bovendien hebben onderzoekers onderzocht hoe het CO-gehalte van waterstofbrandstof vóór het in een brandstofcel terechtkomt, kan worden verminderd om vergiftiging van de katalysatoren te voorkomen. Een recente studie toonde aan dat ruthenium–platina kern-shell nanoparticles bijzonder effectief zijn bij het oxideren van CO om CO2 te vormen, een veel minder schadelijke brandstofcontaminant. Het mechanisme dat dit effect veroorzaakt is conceptueel vergelijkbaar met het hierboven beschreven voor pt3ni: de rutheniumkern van het deeltje verandert de elektronische structuur van het platina-oppervlak, waardoor het beter in staat is om de oxidatie van CO te katalyseren.

verlaging van de kosten

de uitdaging voor de levensvatbaarheid van PEM-brandstofcellen blijft nog steeds bestaan in hun kosten en stabiliteit. De hoge kosten kunnen grotendeels worden toegeschreven aan het gebruik van het edelmetaal van platina in de katalysatorlaag van PEM-cellen. De elektrokatalyst is momenteel goed voor bijna de helft van de brandstofcel stack kosten. Hoewel de Pt-belasting van PEM-brandstofcellen de afgelopen tien jaar met twee ordes van grootte is verminderd, is verdere vermindering noodzakelijk om de technologie economisch levensvatbaar te maken voor commercialisering. Terwijl sommige onderzoeksinspanningen erop gericht zijn dit probleem aan te pakken door de elektrokatalytische activiteit van op Pt gebaseerde katalysatoren te verbeteren, is een alternatief het gebruik van Pt volledig te elimineren door een kathodekatalysator te ontwikkelen die niet platina-groepsmetalen (niet-PGM) bevat en waarvan de prestaties vergelijkbaar zijn met die van op Pt gebaseerde technologieën. VS. Het ministerie van energie heeft mijlpalen vastgesteld voor de ontwikkeling van brandstofcellen, gericht op een duurzaamheid van 5000 uur en een niet-PGM katalysator ORR volumetrische activiteit van 300 a cm−3.

veelbelovende alternatieven voor op Pt gebaseerde katalysatoren zijn metaal/stikstof/ Koolstofkatalysatoren (M/N/C-katalysatoren). Om een hoge vermogensdichtheid of een vermogensoppervlakte van de cel te bereiken, moet worden voldaan aan een volumetrische activiteit van ten minste 1/10 die van op Pt gebaseerde katalysatoren, samen met goede eigenschappen voor massatransport. Hoewel M / N / C-katalysatoren nog steeds minder volumetrische activiteiten vertonen dan op Pt-gebaseerde katalysatoren, maken de lagere kosten van dergelijke katalysatoren een grotere belasting mogelijk ter compensatie. Het verhogen van de belasting van M/N/C-katalysatoren maakt echter ook de katalytische laag dikker, waardoor de eigenschappen van het massatransport worden aangetast. Met andere woorden, hebben H2, O2, protonen, en elektronen grotere moeilijkheid in het migreren door de katalytische laag, die de voltageoutput van de cel verminderen. Terwijl de hoge microporositeit van het M/N / C katalytische netwerk resulteert in een hoge volumetrische activiteit, worden de verbeterde eigenschappen van het massatransport in plaats daarvan geassocieerd met macroporositeit van het netwerk. Deze M/N / C-materialen worden samengesteld gebruikend pyrolyse op hoge temperatuur en andere behandelingen op hoge temperatuur van precursoren die het metaal, stikstof, en koolstof bevatten.

onlangs hebben onderzoekers een Fe/N / C-katalysator ontwikkeld die is afgeleid van ijzer (II) acetaat (FeAc), fenantroline (Phen) en een metal-organic-framework (MOF) – gastheer. De MOF is een Zn(II) zeolitisch imidazolaat framework (ZIF) genaamd ZIF-8, die een hoog microporeus oppervlak en een hoog stikstofgehalte dat bevorderlijk is voor ORR-activiteit demonstreert. De vermogensdichtheid van de FeAc/Phen / ZIF-8-katalysator bleek 0,75 W cm−2 te zijn bij 0,6 V. deze waarde is een significante verbetering ten opzichte van de maximale vermogensdichtheid van 0,37 W cm−2 van eerdere M/N/C-katalysatoren en komt veel dichter bij de typische waarde van 1,0–1,2 W cm−2 voor op Pt gebaseerde katalysatoren met een Pt-belasting van 0,3 mg cm−2. De katalysator vertoonde ook een volumetrische activiteit van 230 a * cm-3, de hoogste waarde voor niet-PGM-katalysatoren tot nu toe, in de buurt van de Amerikaanse Ministerie van energie mijlpaal.

hoewel de vermogensdichtheid van de nieuwe FeAc/Phen/ZIF-8-katalysator veelbelovend is, blijft de duurzaamheid ervan ontoereikend voor commerciële toepassing. Er wordt gemeld dat de beste duurzaamheid van deze katalysator nog steeds een 15% daling van de stroomdichtheid over 100 uur in H2/lucht. Hoewel de op Fe-gebaseerde niet-PGM-katalysatoren in hun elektrokatalytische activiteit concurreren met de op Pt gebaseerde katalysatoren, is er nog veel werk te doen om hun degradatiemechanismen te begrijpen en hun duurzaamheid te verbeteren.