Membranowe ogniwo paliwowe z wymianą protonową

Pemfc są zbudowane z zespołów elektrod membranowych (MEA), które obejmują elektrody, elektrolit, katalizator i warstwy dyfuzyjne gazu. Atrament katalizatora, węgla i elektrody jest rozpylany lub malowany na stały elektrolit, a papier węglowy jest prasowany na gorąco po obu stronach, aby chronić wnętrze komórki, a także działać jako elektrody. Kluczową częścią komórki jest granica trójfazowa (TPB), w której mieszają się elektrolit, katalizator i reagenty, a zatem gdzie reakcje komórkowe faktycznie zachodzą. Co ważne, membrana nie może być przewodząca elektrycznie, więc reakcje połowiczne nie mieszają się. Temperatury robocze powyżej 100 °C są pożądane, więc produkt uboczny wody staje się parą, a gospodarka wodna staje się mniej krytyczna w projektowaniu komórek.

Reakcjedytuj

membranowe ogniwo paliwowe z wymianą protonów przekształca energię chemiczną wyzwoloną podczas reakcji elektrochemicznej wodoru i tlenu w energię elektryczną, w przeciwieństwie do bezpośredniego spalania wodoru i gazów tlenowych w celu wytworzenia energii cieplnej.

strumień wodoru jest dostarczany do strony anodowej MEA. Po stronie anodowej jest ona katalitycznie dzielona na protony i elektrony. Ta reakcja półkomórkowa utleniania lub reakcja utleniania wodoru (HOR) jest reprezentowana przez:

na anodzie:

nowo utworzone protony przenikają przez membranę elektrolitu polimerowego do strony katody. Elektrony poruszają się wzdłuż zewnętrznego obwodu obciążenia do strony katodowej MEA, tworząc w ten sposób prąd wyjściowy ogniwa paliwowego.W międzyczasie strumień tlenu jest dostarczany do strony katodowej MEA. Po stronie katody cząsteczki tlenu reagują z protonami przenikającymi przez membranę elektrolitu polimerowego i elektronami docierającymi przez obwód zewnętrzny, tworząc cząsteczki wody. Ta reakcja półkomórkowa redukcji lub reakcja redukcji tlenu (ORR) jest reprezentowana przez:

na katodzie:

ogólna reakcja:

odwracalna reakcja jest wyrażona w równaniu i pokazuje reinkorporację protonów wodorowych i elektronów wraz z cząsteczką tlenu i utworzenie jednej cząsteczki wody. Potencjały w każdym przypadku są podane w odniesieniu do Standardowej elektrody wodorowej.

membrana elektrolitu Polimerowegoedit

aby funkcjonować, membrana musi przewodzić jony wodorowe (protony), ale nie elektrony, ponieważ w efekcie „zwarłoby” ogniwo paliwowe. Membrana nie może również pozwolić, aby Gaz przechodził na drugą stronę ogniwa, co jest problemem znanym jako zwrotnica gazu. Wreszcie membrana musi być odporna na środowisko redukujące na katodzie, jak również na trudne środowisko utleniające na anodzie.

rozszczepienie cząsteczki wodoru jest stosunkowo łatwe dzięki zastosowaniu katalizatora platynowego. Niestety jednak rozszczepienie cząsteczki tlenu jest trudniejsze, a to powoduje znaczne straty elektryczne. Odpowiedni materiał katalizatora do tego procesu nie został odkryty, a platyna jest najlepszym rozwiązaniem.

tańszą alternatywą dla platyny jest katalizator Tlenku Ceru (IV) stosowany przez grupę badawczą profesora Vladimíra Matolína w rozwoju PEMFC.

StrengthsEdit

PEMFC jest doskonałym kandydatem do pojazdów i innych aplikacji mobilnych wszystkich rozmiarów, aż do telefonów komórkowych, ze względu na swoją kompaktowość.

ogniwa paliwowe oparte na PEM wciąż mają wiele problemów:

1. Gospodarka wodna

gospodarka wodna ma kluczowe znaczenie dla wydajności: jeśli woda zostanie odparowana zbyt wolno, zaleje membranę, a nagromadzenie wody wewnątrz płyty przepływowej utrudni przepływ tlenu do ogniwa paliwowego, ale jeśli woda wyparuje zbyt szybko, membrana wyschnie, a opór w niej wzrośnie. Oba przypadki spowodują uszkodzenie stabilności i mocy wyjściowej. Gospodarka wodna jest bardzo trudnym tematem w systemach PEM, przede wszystkim dlatego, że woda w błonie jest przyciągana do katody komórki poprzez polaryzację.

istnieje szeroka gama rozwiązań do zarządzania wodą, w tym integracja pompy elektroosmotycznej.

kolejną innowacyjną metodą rozwiązania problemu recyrkulacji wody jest projekt pola o drobnej siatce 3D zastosowany w Toyota Mirai, 2014. Konwencjonalna konstrukcja stosu FC recyrkuluje wodę z wylotu powietrza do wlotu powietrza przez nawilżacz z prostym kanałem i porowatymi polami przepływu metalu.Pole przepływu jest strukturą złożoną z żebra i kanałów. Jednak żebro częściowo pokrywa warstwę dyfuzji gazu (GDL), a uzyskana odległość transportu gazu jest dłuższa niż odległość między kanałami. Ponadto nacisk stykowy między GDL a żebrem również ściska GDL, czyniąc jego grubość niejednorodną w całym żebrze i kanale. Duża szerokość i niejednolita grubość żebra zwiększy potencjał gromadzenia się pary wodnej, a tlen zostanie zagrożony. W rezultacie tlen będzie utrudniony do dyfuzji w warstwie katalizatora, co prowadzi do niezuniform wytwarzania energii w FC.

ta nowa konstrukcja umożliwiła pierwsze funkcje stosu FC bez systemu nawilżającego, a jednocześnie przezwyciężając problemy z recyrkulacją wody i osiągając wysoką stabilność wyjściową. 3D micro krata umożliwia więcej ścieżek dla przepływu gazu; dlatego promuje przepływ powietrza w kierunku elektrody membranowej i zespołu warstwy dyfuzji gazu (MEGA) i promuje dyfuzję O2 do warstwy katalizatora. W przeciwieństwie do konwencjonalnych pól przepływowych, mikro-siatki 3D w złożonym polu, które działają jak przegrody i indukują częsty mikro-skalowy strumień międzyfazowy między GDL a polami przepływowymi. Dzięki temu powtarzającemu się przepływowi konwekcyjnemu w skali mikro znacznie zwiększa się transport tlenu do warstwy katalizatora (CL) i usuwanie ciekłej wody z GDL. Wytworzona woda jest szybko odprowadzana przez pole przepływu, zapobiegając gromadzeniu się w porach. W rezultacie wytwarzanie energii z tego pola przepływu jest równomierne w przekroju poprzecznym i możliwe jest samo nawilżanie.

2. Wrażliwość katalizatora

platynowy katalizator na membranie łatwo zatruwa się tlenkiem węgla (Zwykle dopuszczalne jest nie więcej niż jedna część na milion), a membrana jest wrażliwa na jony metali, które mogą być wprowadzone przez korozję metalowych płytek dwubiegunowych, elementów metalowych w układzie ogniw paliwowych lub od zanieczyszczeń w paliwie/utleniaczu.

zaproponowano systemy pem wykorzystujące zreformowany metanol, jak w Daimler Chrysler Necar 5; reforming metanolu, tj. reagowanie na wodór jest jednak bardzo skomplikowanym procesem, który wymaga również oczyszczenia z tlenku węgla, który wytwarza reakcja. Katalizator platynowo-rutenowy jest konieczny, ponieważ część tlenku węgla nieuchronnie dotrze do membrany. Poziom nie powinien przekraczać 10 części na milion. Ponadto czas rozruchu takiego reaktora reformującego wynosi około pół godziny. Alternatywnie, metanol i niektóre inne biopaliwa mogą być podawane do ogniwa paliwowego PEM bezpośrednio bez reformingu, tworząc w ten sposób bezpośrednie ogniwo paliwowe metanolu (DMFC). Urządzenia te działają z ograniczonym powodzeniem.

3. Ograniczenie temperatury pracy

najczęściej stosowaną membraną jest Nafion firmy Chemours, polegający na nawilżaniu ciekłej wody membrany w celu transportu protonów. Oznacza to, że nie jest możliwe stosowanie temperatur powyżej 80 do 90 °C, ponieważ membrana wyschnie. Inne, nowsze typy membran, oparte na polibenzimidazolu (PBI) lub kwasie fosforowym, mogą osiągnąć temperaturę do 220 °C bez użycia jakiejkolwiek gospodarki wodnej: wyższa temperatura pozwala na lepszą wydajność, gęstość mocy, łatwość chłodzenia (z powodu większych dopuszczalnych różnic temperatur), zmniejszoną wrażliwość na zatrucie tlenkiem węgla i lepszą kontrolę (z powodu braku problemów z gospodarką wodną w membranie); jednak te ostatnie typy nie są tak powszechne. PBI może być domieszkowany kwasem fosforowym lub siarkowym oraz skalą przewodności z ilością domieszkowania i temperaturą. W wysokich temperaturach trudno jest utrzymać nafion uwodniony, ale ten kwasowy materiał domieszkowany nie wykorzystuje wody jako medium do przewodzenia protonów. Wykazuje również lepsze właściwości mechaniczne, wyższą wytrzymałość niż Nafion i jest tańszy. Jednak wymywanie kwasem jest poważnym problemem i przetwarzanie, mieszanie z katalizatorem w celu utworzenia atramentu, okazało się trudne. Polimery aromatyczne, takie jak PEEK, są znacznie tańsze niż teflon (PTFE i szkielet Nafionu), a ich polarny charakter prowadzi do uwodnienia, które jest mniej zależne od temperatury niż Nafion. Jednak PEEK jest znacznie mniej przewodzący jony niż Nafion, a zatem jest mniej korzystnym wyborem elektrolitu. Ostatnio protowe ciecze jonowe i protowe organiczne jonowe kryształy plastikowe okazały się obiecującymi alternatywnymi materiałami elektrolitowymi dla Pemfc o wysokiej temperaturze (100-200 °c).

Elektrodeedit

elektroda zazwyczaj składa się z nośnika węgla, cząstek Pt, jonomeru Nafionu i/lub spoiwa teflonowego. Nośnik węgla działa jako przewodnik elektryczny; cząstki Pt są miejscami reakcji; jonomer zapewnia ścieżki przewodzenia protonów,a spoiwo teflonowe zwiększa hydrofobowość elektrody, aby zminimalizować potencjalne zalanie. Aby umożliwić reakcje elektrochemiczne na elektrodach, protony, elektrony i reagujące gazy (wodór lub tlen) muszą uzyskać dostęp do powierzchni katalizatora w elektrodach, podczas gdy woda produktu, która może być w fazie ciekłej lub gazowej lub w obu fazach, musi być w stanie przenikać z katalizatora do wylotu gazu. Właściwości te są zazwyczaj realizowane przez porowatych kompozytów spoiwa elektrolitu polimerowego (jonomer) i katalizatora nanocząstek obsługiwanych na cząstkach węgla. Zazwyczaj platyna jest używana jako katalizator reakcji elektrochemicznych na anodzie i katodzie, podczas gdy nanocząstki osiągają wysoki stosunek powierzchni do masy (jak opisano poniżej) zmniejszając ilość kosztownej platyny. Polimerowe spoiwo elektrolitowe zapewnia przewodność jonową, podczas gdy węglowe podparcie katalizatora poprawia przewodność elektryczną i umożliwia niskie obciążenie metalem platynowym. Przewodność elektryczna w elektrodach kompozytowych jest zwykle ponad 40 razy wyższa niż przewodność protonowa.

warstwa dyfuzyjna gazu

GDL łączy elektrycznie katalizator i kolektor prądu. Musi być porowaty, elektrycznie przewodzący i cienki. Reagenty muszą być w stanie dotrzeć do katalizatora, ale przewodność i porowatość mogą działać jako przeciwstawne siły. Optymalnie, GDL powinien składać się z około jednej trzeciej Nafionu lub 15% PTFE. Cząstki węgla użyte w GDL mogą być większe niż te stosowane w katalizatorze, ponieważ pole powierzchni nie jest najważniejszą zmienną w tej warstwie. GDL powinien mieć grubość Około 15-35 µm, aby zrównoważyć potrzebną porowatość z wytrzymałością mechaniczną. Często między warstwą GDL i katalizatora dodaje się pośrednią warstwę porowatą, aby ułatwić przejścia między dużymi porami w GDL i małą porowatością w warstwie katalizatora. Ponieważ podstawową funkcją GDL jest pomoc w usuwaniu wody, produktu, zalanie może wystąpić, gdy woda skutecznie blokuje GDL. Ogranicza to zdolność reagentów do dostępu do katalizatora i znacznie zmniejsza wydajność. Teflon może być powlekany na GDL, aby ograniczyć możliwość zalania. W GDL analizuje się kilka zmiennych mikroskopowych, takich jak: porowatość, skręcalność i przepuszczalność. Zmienne te mają wpływ na zachowanie ogniw paliwowych.

EfficiencyEdit

maksymalna teoretyczna sprawność przy zastosowaniu równania energii swobodnej Gibbsa ΔG = -237,13 kJ/mol i przy zastosowaniu wartości grzewczej wodoru (ΔH = -285,84 kJ/mol) wynosi 83% przy 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}}}

sprawność praktyczna PEMS mieści się w zakresie 50-60% .Głównymi czynnikami powodującymi straty są:

• straty aktywacyjne
• straty omowe
• straty transportu masy

ramy Metal-organiczneedit

ramy Metal-organiczne (MOF) to stosunkowo nowa klasa porowatych, wysoce krystalicznych materiałów, które składają się z metalowych węzłów połączonych organicznymi łącznikami. Ze względu na prostotę manipulowania lub zastępowania metalowych centrów i ligandów istnieje praktycznie nieograniczona liczba możliwych kombinacji, co jest atrakcyjne z punktu widzenia projektu. MOF wykazują wiele unikalnych właściwości ze względu na ich przestrajalne rozmiary porów, stabilność termiczną, dużą pojemność objętościową, duże powierzchnie i pożądane właściwości elektrochemiczne. Wśród ich wielu różnorodnych zastosowań, MOF są obiecującymi kandydatami do zastosowań związanych z czystą energią, takich jak magazynowanie wodoru, separacje gazu, superkondensatory, baterie litowo-jonowe, ogniwa słoneczne i ogniwa paliwowe. W dziedzinie badań ogniw paliwowych, MOF są badane jako potencjalne materiały elektrolitowe i katalizatory elektrodowe, które mogą kiedyś zastąpić tradycyjne membrany polimerowe i katalizatory Pt, odpowiednio.

jako materiały elektrolitowe włączenie MOF wydaje się początkowo sprzeczne z intuicją. Membrany ogniw paliwowych mają zwykle niską porowatość, aby zapobiec zwrotowi paliwa i utracie napięcia między anodą a katodą. Dodatkowo membrany mają tendencję do niskiej krystaliczności, ponieważ transport jonów jest korzystniejszy w nieuporządkowanych materiałach. Z drugiej strony pory mogą być wypełnione dodatkowymi nośnikami jonów, które ostatecznie zwiększają przewodność jonową układu, a wysoka krystaliczność sprawia, że proces projektowania jest mniej skomplikowany.

ogólne wymagania dobrego elektrolitu dla Pemfc to: wysoka przewodność protonowa (> 10-2 S/cm dla praktycznych zastosowań) umożliwiająca transport protonów między elektrodami, dobra stabilność chemiczna i termiczna w warunkach pracy ogniw paliwowych (Wilgotność otoczenia, zmienne temperatury, odporność na trujące gatunki itp.), niski koszt, możliwość przetwarzania na cienkie folie i ogólna kompatybilność z innymi komponentami ogniw. Podczas gdy materiały polimerowe są obecnie preferowanym wyborem membran przewodzących protony, wymagają one nawilżania dla odpowiedniej wydajności i czasami mogą fizycznie ulec degradacji z powodu efektów uwodnienia, powodując tym samym utratę wydajności. Jak wspomniano, Nafion jest również ograniczony przez temperaturę odwodnienia < 100 °C, co może prowadzić do wolniejszej kinetyki reakcji, niskiej efektywności kosztowej i zatrucia CO katalizatorami elektrody pt. Z drugiej strony, MOF wykazały zachęcające przewodnictwo protonów zarówno w reżimach niskich i wysokich temperatur, jak i w szerokim zakresie warunków wilgotności. Poniżej 100 °C i pod hydratacją obecność wiązania wodorowego i cząsteczek wody rozpuszczalnika pomaga w transporcie protonów, podczas gdy warunki bezwodne są odpowiednie dla temperatur powyżej 100 °C. MOF mają również wyraźną zaletę wykazywania przewodności protonowej przez samą ramę, oprócz włączenia przenoszenia ładunku (tj. wody, kwasów itp.) w ich pory.

przykładem niskiej temperatury jest praca Kitagawy, et al. kto użył dwuwymiarowej struktury warstwy anionowej mostkowanej szczawianem jako gospodarza i wprowadził kationy amonowe i cząsteczki kwasu adypinowego do porów w celu zwiększenia stężenia protonów. Wynik był jednym z pierwszych przypadków MOF wykazującego przewodność „superprotoniczną” (8 × 10-3 S/cm) w temperaturze 25 °C i 98% wilgotności względnej (RH). Później odkryli, że zwiększenie hydrofilowego charakteru kationów wprowadzanych do porów może jeszcze bardziej zwiększyć przewodność protonów. W tym reżimie niskotemperaturowym, który jest zależny od stopnia uwodnienia, wykazano również, że przewodność protonów jest w dużym stopniu zależna od poziomu wilgotności.

przykładem bezwodnym w wysokiej temperaturze jest PCMOF2, który składa się z jonów sodu skoordynowanych z trisulfonowaną pochodną benzenu. Aby poprawić wydajność i umożliwić wyższe temperatury pracy, wodę można zastąpić jako nośnik protonu mniej lotnymi cząsteczkami imidazolu lub triazolu w porach. Maksymalna osiągnięta temperatura wynosiła 150 °c przy optymalnej przewodności 5 × 10-4 S/cm, która jest niższa niż w przypadku innych obecnych membran elektrolitowych. Jednak model ten jest obiecujący ze względu na jego reżim temperaturowy, warunki bezwodne i zdolność do kontrolowania ilości cząsteczek gościnnych w porach, co pozwoliło na dostrojenie przewodności protonowej. Dodatkowo, pcmof2 obciążony triazolem został włączony do zespołu elektrody membranowej H2 / powietrze i osiągnął napięcie w obwodzie otwartym 1.18 V w temperaturze 100 °C, która była stabilna przez 72 godziny i utrzymywała gazoszczelność podczas testów. Był to pierwszy przypadek, w którym udowodniono, że MOF mogą być faktycznie wdrożone do funkcjonujących ogniw paliwowych, a umiarkowana różnica potencjałów pokazała, że zwrotnica paliwa ze względu na porowatość nie stanowi problemu.

do tej pory najwyższa przewodność protonowa osiągnięta dla elektrolitu MOF wynosi 4,2 × 10-2 S/cm w temperaturze 25 °c w wilgotnych warunkach (98% RH), co jest konkurencyjne z Nafionem. Niektóre ostatnie eksperymenty z powodzeniem wyprodukowały nawet cienkowarstwowe membrany MOF zamiast tradycyjnych próbek luzem lub pojedynczych kryształów, co ma kluczowe znaczenie dla ich zastosowania przemysłowego. Gdy MOF są w stanie konsekwentnie osiągnąć wystarczający poziom przewodności, wytrzymałość mechaniczną, stabilność wody i prostą obróbkę, mają potencjał, aby odegrać ważną rolę w Pemfc w najbliższej przyszłości.

MOF były również ukierunkowane na potencjalne zamienniki materiałów Platinum group metal (PGM) dla katalizatorów elektrod, chociaż badania te są nadal we wczesnych stadiach rozwoju. W Pemfc reakcja redukcji tlenu (ORR) na katodzie Pt jest znacznie wolniejsza niż reakcja utleniania paliwa na anodzie, a zatem jako alternatywę bada się katalizatory bez PGM i bez metali. Wysoka gęstość objętościowa, duże powierzchnie porów i otwartość miejsc metalowo-jonowych w MOF-ach sprawiają, że są idealnymi kandydatami na prekursory katalizatora. Pomimo obiecujących zdolności katalitycznych, trwałość tych proponowanych katalizatorów opartych na MOF jest obecnie mniejsza niż pożądana, a mechanizm ORR w tym kontekście nadal nie jest do końca poznany.

badania Katalizatorówedit

wiele z obecnych badań nad katalizatorami dla ogniw paliwowych PEM można sklasyfikować jako mające jeden z następujących głównych celów:

1. w celu uzyskania wyższej aktywności katalitycznej niż standardowe katalizatory cząstek platynowych na bazie węgla stosowane w obecnych ogniwach paliwowych PEM
2. w celu zmniejszenia zatrucia katalizatorów ogniw paliwowych pem przez gazy zanieczyszczające
3. w celu zmniejszenia kosztów ogniwa paliwowego dzięki zastosowaniu katalizatorów na bazie platyny
4. w celu zwiększenia aktywności ORR elektrokatalizatorów wolnych od metali z grupy platyny

przykłady tych podejść podano w następujących sekcjach.

zwiększenie aktywności katalityedytuj

jak wspomniano powyżej, platyna jest zdecydowanie najskuteczniejszym pierwiastkiem stosowanym w katalizatorach ogniw paliwowych PEM, a prawie wszystkie obecne ogniwa paliwowe pem wykorzystują cząsteczki platyny na porowatych podpórkach węglowych do katalizowania zarówno utleniania wodoru, jak i redukcji tlenu. Jednak ze względu na ich wysoki koszt, obecne katalizatory Pt / C nie są możliwe do komercjalizacji. Stany Zjednoczone Departament Energii szacuje, że katalizatory oparte na platynie będą musiały zużywać około cztery razy mniej platyny niż w obecnych konstrukcjach ogniw paliwowych PEM, aby stanowić realistyczną alternatywę dla silników spalinowych. W związku z tym jednym z głównych celów projektowania katalizatorów dla ogniw paliwowych PEM jest zwiększenie aktywności katalitycznej platyny o cztery współczynniki, tak aby tylko jedna czwarta metalu szlachetnego była niezbędna do osiągnięcia podobnej wydajności.

jedną z metod zwiększania wydajności katalizatorów platynowych jest optymalizacja wielkości i kształtu cząstek platyny. Samo zmniejszenie wielkości cząstek zwiększa całkowitą powierzchnię katalizatora dostępnego do udziału w reakcjach na objętość użytej platyny, ale ostatnie badania wykazały dodatkowe sposoby dalszej poprawy wydajności katalitycznej. Na przykład, jedno z badań donosi, że wysoko indeksowe aspekty nanocząstek platyny (czyli indeksy Millera o dużych liczbach całkowitych, takie jak Pt (730)) zapewniają większą gęstość reaktywnych miejsc redukcji tlenu niż typowe nanocząstki platyny.

ponieważ najpopularniejszy i najbardziej skuteczny katalizator, platyna, jest niezwykle drogi, konieczne jest alternatywne przetwarzanie, aby zmaksymalizować powierzchnię i zminimalizować obciążenie. Osadzanie nanozwiązanych cząstek Pt na proszku węglowym (Pt/C) zapewnia dużą powierzchnię Pt, podczas gdy węgiel pozwala na połączenie elektryczne między katalizatorem a resztą ogniwa. Platyna jest tak skuteczna, ponieważ ma wysoką aktywność i wiąże się z wodorem na tyle silnie, aby ułatwić przenoszenie elektronów, ale nie hamować dalszego poruszania się wodoru wokół komórki. Jednak platyna jest mniej aktywna w reakcji katodowej redukcji tlenu. Wymaga to użycia większej ilości platyny, zwiększając koszt komórki, a tym samym wykonalność. Wiele potencjalnych wyborów katalizatora jest wykluczonych ze względu na ekstremalną kwasowość komórki.

najbardziej skuteczne sposoby osiągnięcia nanoskali Pt na proszku węglowym,który jest obecnie najlepszym rozwiązaniem, są poprzez osadzanie próżniowe, rozpylanie i elektrod. Cząstki platyny są osadzane na kalce, która jest przesiąknięta PTFE. Jednak ta warstwa katalizatora ma optymalną cienkość, co ogranicza niższy limit kosztów. Poniżej 4 nm Pt utworzy Wyspy na papierze, ograniczając jego aktywność. Powyżej tej grubości Pt pokryje węgiel i będzie skutecznym katalizatorem. Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, Nafion nie może być infiltrowany poza 10 um, więc użycie więcej Pt niż to jest niepotrzebnym wydatkiem. W ten sposób ilość i kształt katalizatora jest ograniczony przez ograniczenia innych materiałów.

drugą metodą zwiększania aktywności katalitycznej platyny jest stopienie jej z innymi metalami. Na przykład niedawno wykazano, że powierzchnia Pt3Ni(111) ma wyższą aktywność redukcji tlenu niż czysty Pt(111) o współczynnik dziesięć. Autorzy przypisują ten dramatyczny wzrost wydajności modyfikacjom struktury elektronicznej powierzchni, zmniejszając jej skłonność do wiązania się z gatunkami jonowymi zawierającymi tlen obecnymi w ogniwach paliwowych PEM, a tym samym zwiększając liczbę dostępnych miejsc adsorpcji i redukcji tlenu.

dalsze wydajności można uzyskać za pomocą dyszy ultradźwiękowej, aby zastosować platynowy katalizator do warstwy elektrolitu lub kalki w warunkach atmosferycznych, co powoduje wysoką wydajność natrysku. Badania wykazały, że ze względu na jednolitą wielkość kropel utworzonych przez ten rodzaj sprayu, ze względu na wysoką wydajność transferu technologii, ze względu na niezatykający charakter dyszy, a wreszcie ze względu na fakt, że energia ultradźwiękowa de-aglomeratuje zawiesinę tuż przed atomizacją, ogniwa paliwowe mea produkowane w ten sposób mają większą jednorodność w końcowym MEA, a przepływ gazu przez ogniwo jest bardziej jednolity, maksymalizując wydajność platyny w MEA.Ostatnie badania z wykorzystaniem druku atramentowego do osadzania katalizatora na membranie wykazały również wysokie wykorzystanie katalizatora ze względu na zmniejszoną grubość osadzonych warstw katalizatora.

niedawno wprowadzono nową klasę elektrokatalizatorów ORR w przypadku systemów Pt-M (M-Fe i Co) z uporządkowanym rdzeniem międzymetalicznym zamkniętym w powłoce bogatej w Pt. Stwierdzono, że te międzymetaliczne nanokatalizatory rdzeniowo-skorupowe (IMCS) wykazują zwiększoną aktywność i, co najważniejsze, zwiększoną trwałość w porównaniu do wielu poprzednich projektów. Podczas gdy obserwowane wzmocnienie w działaniach przypisuje się napiętej sieci, autorzy donoszą, że ich wyniki na temat kinetyki degradacji ustalają, że rozszerzona trwałość katalityczna jest przypisywana trwałemu porządkowi atomowemu.

redukcja zatrućedytuj

innym popularnym podejściem do poprawy wydajności katalizatora jest zmniejszenie jego wrażliwości na zanieczyszczenia w źródle paliwa, zwłaszcza tlenek węgla (co). Obecnie czysty Gaz wodorowy staje się Ekonomiczny do masowej produkcji przez elektrolizę. Jednak w chwili obecnej wodór jest wytwarzany w procesie reformingu parowego lekkich węglowodorów, w którym powstaje mieszanina gazów, która zawiera również CO (1-3%), CO2 (19-25%) i N2 (25%). Nawet dziesiątki części na milion CO może zatruć czysty katalizator platyny, więc zwiększenie odporności platyny na CO jest aktywnym obszarem badań.

na przykład jedno z badań wykazało, że sześcianowe nanocząstki platyny z (100) fasetami wykazywały czterokrotny wzrost aktywności redukcji tlenu w porównaniu do losowo fasetowanych nanocząstek platyny o podobnej wielkości. Autorzy doszli do wniosku ,że (111) Fasety losowo ukształtowanych nanocząstek wiązały się silniej z jonami siarczanowymi niż (100) Fasety, zmniejszając liczbę miejsc katalitycznych otwartych na cząsteczki tlenu. Nanokubki, które zsyntetyzowali, miały natomiast prawie wyłącznie (100) aspektów, o których wiadomo, że słabiej oddziałują z siarczanem. W rezultacie większa część powierzchni tych cząstek była dostępna do redukcji tlenu, zwiększając aktywność redukcji tlenu katalizatora.

ponadto naukowcy badali sposoby zmniejszenia zawartości co w paliwie wodorowym, zanim wejdzie on do ogniwa paliwowego, jako możliwy sposób uniknięcia zatrucia katalizatorów. Jedno z ostatnich badań wykazało, że nanocząstki rdzeniowo-Platynowe rutenu są szczególnie skuteczne w utlenianiu CO do postaci CO2, znacznie mniej szkodliwego zanieczyszczenia paliwa. Mechanizm powodujący ten efekt jest koncepcyjnie podobny do opisanego dla pt3ni powyżej: rdzeń rutenu cząsteczki zmienia strukturę elektronową powierzchni platyny, dzięki czemu jest ona lepiej katalizowana utlenianiem CO.

obniżenie kosztuedytuj

wyzwaniem dla żywotności ogniw paliwowych PEM nadal pozostaje ich koszt i stabilność. Wysoki koszt można w dużej mierze przypisać zastosowaniu szlachetnego metalu platyny w warstwie katalizatora ogniw PEM. Electrocatalyst obecnie stanowi prawie połowę kosztów stosu ogniw paliwowych. Chociaż obciążenie Pt ogniw paliwowych PEM zostało zmniejszone o dwa rzędy wielkości w ciągu ostatniej dekady, dalsze zmniejszenie jest konieczne, aby technologia była ekonomicznie opłacalna dla komercjalizacji. Podczas gdy niektóre wysiłki badawcze mają na celu rozwiązanie tego problemu poprzez poprawę aktywności elektrokatalitycznej katalizatorów opartych na Pt, alternatywą jest całkowite wyeliminowanie stosowania Pt poprzez opracowanie katalizatora katodowego bez platyny z grupy metali (bez PGM), którego wydajność jest porównywalna z wydajnością technologii opartych na Pt. Stany Zjednoczone Departament Energii ustanowił kamienie milowe dla rozwoju ogniw paliwowych, których celem jest trwałość 5000 godzin i aktywność objętościowa katalizatora bez PGM wynosząca 300 a cm−3.

obiecującymi alternatywami dla katalizatorów opartych na Pt są katalizatory Metal / azot/ węgiel (katalizatory M / N / C). Aby uzyskać wysoką gęstość mocy lub moc wyjściową nad powierzchnią ogniwa, musi być spełniona aktywność objętościowa katalizatorów na bazie Pt na poziomie co najmniej 1/10, wraz z dobrymi właściwościami transportu masy. Podczas gdy katalizatory M/N/C nadal wykazują mniejszą aktywność objętościową niż katalizatory oparte na Pt, obniżone koszty takich katalizatorów pozwalają na większe obciążenie w celu kompensacji. Jednak zwiększenie obciążenia katalizatorów M / N / C powoduje również, że warstwa katalityczna jest grubsza, co pogarsza jej właściwości transportu masy. Innymi słowy, H2, O2, protony i elektrony mają większe trudności w migracji przez warstwę katalityczną, zmniejszając napięcie wyjściowe ogniwa. Podczas gdy wysoka mikroporowatość sieci katalitycznej M / N / C powoduje wysoką aktywność objętościową, lepsze właściwości transportu masy są zamiast tego związane z makroporowatością sieci. Te materiały M / N / C są syntetyzowane przy użyciu wysokotemperaturowej pirolizy i innych wysokotemperaturowych obróbki prekursorów zawierających metal, azot i węgiel.

ostatnio naukowcy opracowali katalizator Fe/N/C pochodzący z octanu żelaza (II) (FeAc), fenantroliny (Phen) i hosta Metal-organic-framework (MOF). MOF to zeolitowy imidazolan Zn (II) o nazwie ZIF-8, który wykazuje wysoką mikroporowatą powierzchnię i wysoką zawartość azotu sprzyjającą aktywności ORR. Stwierdzono, że gęstość mocy katalizatora FeAc/Phen/ZIF-8 wynosi 0,75 w cm-2 przy napięciu 0,6 V. wartość ta stanowi znaczną poprawę w stosunku do maksymalnej gęstości mocy cm−2 o mocy 0,37 w poprzednich katalizatorach M/N/C i jest znacznie bliższa dopasowaniu typowej wartości 1,0−1,2 W cm-2 dla katalizatorów opartych na Pt z obciążeniem Pt wynoszącym 0,3 mg cm–2. Katalizator wykazał również aktywność objętościową 230 a * cm-3, najwyższą wartość dla katalizatorów innych niż PGM do tej pory, zbliżając się do kamienia milowego Departamentu Energii USA.

podczas gdy gęstość mocy osiągnięta przez nowy katalizator FeAc / Phen / ZIF-8 jest obiecująca, jego trwałość pozostaje niewystarczająca do zastosowań komercyjnych. Podaje się, że najlepsza trwałość wykazywana przez ten katalizator nadal miała 15% spadek gęstości prądu w ciągu 100 godzin w H2/powietrze. W związku z tym, podczas gdy katalizatory na bazie Fe Nie-PGM konkurują z katalizatorami na bazie Pt w swojej aktywności elektrokatalitycznej, nadal pozostaje wiele do zrobienia w zrozumieniu ich mechanizmów degradacji i poprawie ich trwałości.