Celula de combustibil cu membrană cu schimb de protoni

Pemfc-urile sunt construite din ansambluri de electrozi cu membrană (MEA) care includ electrozii, electrolitul, catalizatorul și straturile de difuzie a gazului. O cerneală de catalizator, carbon și electrod este pulverizată sau vopsită pe electrolitul solid, iar hârtia de carbon este presată la cald pe ambele părți pentru a proteja interiorul celulei și, de asemenea, acționează ca electrozi. Partea pivotală a celulei este limita triplă a fazei (TPB) unde se amestecă electrolitul, catalizatorul și reactanții și, astfel, unde apar efectiv reacțiile celulare. Important este că membrana nu trebuie să fie conductivă electric, astfel încât jumătățile de reacție să nu se amestece. Temperaturile de funcționare de peste 100 de centimetrii C sunt dorite, astfel încât subprodusul de apă devine abur și gestionarea apei devine mai puțin critică în proiectarea celulelor.

ReactionsEdit

o celula de combustibil cu membrană de schimb de protoni transformă energia chimică eliberată în timpul reacției electrochimice a hidrogenului și oxigenului la energia electrică, spre deosebire de arderea directă a hidrogenului și a gazelor de oxigen pentru a produce energie termică.

un flux de hidrogen este livrat în partea anodică a MEA. La partea anodului este împărțită catalitic în protoni și electroni. Această reacție semicelulară de oxidare sau reacția de oxidare a hidrogenului (HOR) este reprezentată de:

la anod:

protonii nou formați pătrund prin membrana electrolitului polimeric în partea catodului. Electronii se deplasează de-a lungul unui circuit de sarcină extern către partea catodică a MEA, creând astfel ieșirea curentă a celulei de combustibil.Între timp, un flux de oxigen este livrat în partea catodică a MEA. La catod lateral moleculele de oxigen reacționează cu protonii care pătrund prin membrana electrolitului polimeric și electronii care sosesc prin circuitul extern pentru a forma molecule de apă. Această reacție semicelulară de reducere sau reacție de reducere a oxigenului (ORR) este reprezentată de:

la catod:

reacție generală:

reacția reversibilă este exprimată în ecuație și arată reincorporarea protonilor de hidrogen și a electronilor împreună cu molecula de oxigen și formarea unei molecule de apă. Potențialele în fiecare caz sunt date în raport cu electrodul standard de hidrogen.

polimer electrolit membraneEdit

pentru a funcționa, membrana trebuie să conducă ioni de hidrogen (protoni), dar nu electroni, deoarece acest lucru ar „scurtcircuita” celula de combustibil. De asemenea, membrana nu trebuie să permită trecerea niciunui gaz în cealaltă parte a celulei, o problemă cunoscută sub numele de crossover de gaz. În cele din urmă, membrana trebuie să fie rezistentă la mediul reducător la catod, precum și la mediul oxidativ dur la anod.

divizarea moleculei de hidrogen este relativ ușoară prin utilizarea unui catalizator de platină. Din păcate însă, divizarea moleculei de oxigen este mai dificilă, iar acest lucru provoacă pierderi electrice semnificative. Un material catalizator adecvat pentru acest proces nu a fost descoperit, iar platina este cea mai bună opțiune.

o alternativă mai ieftină la platină este catalizatorul de oxid de ceriu(IV) utilizat de grupul de cercetare al Profesorului Vladimirr Matol Inktifn în dezvoltarea PEMFC.

StrengthsEdit

PEMFC este un candidat principal pentru vehicule și alte aplicații mobile de toate dimensiunile până la telefoanele mobile, datorită compactității sale.

WeaknessesEdit

celulele de combustibil bazate pe PEM au încă multe probleme:

1. Gestionarea apei

gestionarea apei este crucială pentru performanță: dacă apa este evaporată prea încet, aceasta va inunda membrana și acumularea de apă în interiorul plăcii de curgere a câmpului va împiedica fluxul de oxigen în celula de combustibil, dar dacă apa se evaporă prea repede, membrana se va usca și rezistența peste ea crește. Ambele cazuri vor provoca daune stabilității și puterii. Gestionarea apei este un subiect foarte dificil în sistemele PEM, în primul rând pentru că apa din membrană este atrasă spre catodul celulei prin polarizare.

există o mare varietate de soluții pentru gestionarea apei, inclusiv integrarea unei pompe electroosmotice.

o altă metodă inovatoare pentru a rezolva problema recirculării apei este proiectarea câmpului de curgere a ochiurilor fine 3D utilizată în Toyota Mirai, 2014. Design convențional de FC stiva recirculă apa de la priza de aer la intrarea aerului printr-un umidificator cu un canal drept și câmpuri de curgere de metal poros.Câmpul de curgere este o structură formată dintr-o nervură și canale. Cu toate acestea, Coasta acoperă parțial stratul de difuzie a gazului (GDL), iar distanța rezultată de transport a gazului este mai mare decât distanța inter-canal. Mai mult, presiunea de contact dintre GDL și nervură comprimă, de asemenea, GDL, făcând grosimea sa neuniformă pe nervură și canal. Lățimea mare și grosimea neuniformă a coastei vor crește potențialul de acumulare a vaporilor de apă și oxigenul va fi compromis. Ca urmare, oxigenul va fi împiedicat să difuzeze în stratul de catalizator, ducând la generarea de energie neuniformă în FC.

acest nou design a permis primele funcții FC stack fără un sistem de umidificare, depășind în același timp problemele de recirculare a apei și obținând o stabilitate ridicată a puterii. Rețeaua micro 3D permite mai multe căi pentru fluxul de gaz; prin urmare, promovează fluxul de aer către electrodul membranei și asamblarea stratului de difuzie a gazului (MEGA) și promovează difuzia O2 către stratul de catalizator. Spre deosebire de câmpurile de flux convenționale, micro-grilele 3D din câmpul complex, care acționează ca deflectoare și induc fluxul interfacial frecvent la scară micro între câmpurile GDL și flux. Datorită acestui flux convectiv repetat la scară micro, transportul oxigenului către stratul de catalizator (CL) și îndepărtarea apei lichide din GDL este îmbunătățit semnificativ. Apa generată este extrasă rapid prin câmpul de curgere, prevenind acumularea în pori. Ca urmare, generarea de energie din acest câmp de curgere este uniformă pe secțiunea transversală și este activată auto-umidificarea.

2. Vulnerabilitatea catalizatorului

catalizatorul de platină de pe membrană este ușor otrăvit de monoxid de carbon (nu mai mult de o parte la Milion este de obicei acceptabil), iar membrana este sensibilă la lucruri precum ionii metalici, care pot fi introduși prin coroziunea plăcilor bipolare metalice, a componentelor metalice din sistemul de celule de combustibil sau de la contaminanții din combustibil/oxidant.

au fost propuse sisteme PEM care utilizează metanol reformat, ca în Daimler Chrysler Necar 5; reformarea metanolului, adică. făcându-l să reacționeze pentru a obține hidrogen, este totuși un proces foarte complicat, care necesită și purificarea din monoxidul de carbon pe care îl produce reacția. Un catalizator de platină-ruteniu este necesar, deoarece un anumit monoxid de carbon va ajunge inevitabil la membrană. Nivelul nu trebuie să depășească 10 părți pe milion. În plus, timpii de pornire ai unui astfel de reactor reformator sunt de aproximativ o jumătate de oră. Alternativ, metanolul și alți biocombustibili pot fi alimentați direct într-o celulă de combustibil PEM fără a fi reformați, făcând astfel o celulă de combustibil directă cu metanol (DMFC). Aceste dispozitive funcționează cu succes limitat.

3. Limitarea temperaturii de funcționare

membrana cea mai frecvent utilizată este Nafionul prin Chemours, care se bazează pe umidificarea apei lichide a membranei pentru a transporta protonii. Acest lucru implică faptul că nu este fezabil să se utilizeze temperaturi peste 80 până la 90 CTC, deoarece membrana s-ar usca. Alte tipuri de membrane, mai recente, pe bază de polibenzimidazol (PBI) sau acid fosforic, pot ajunge până la 220 CTC fără a utiliza niciun management al apei: temperatura mai ridicată permite o eficiență mai bună, densități de putere, ușurință de răcire (din cauza diferențelor de temperatură admisibile mai mari), sensibilitate redusă la otrăvirea cu monoxid de carbon și o mai bună controlabilitate (din cauza absenței problemelor de gestionare a apei în membrană); cu toate acestea, aceste tipuri recente nu sunt la fel de frecvente. PBI poate fi dopat cu acid fosforic sau sulfuric și scalele de conductivitate cu cantitatea de dopaj și temperatură. La temperaturi ridicate, este dificil să mențineți Nafionul hidratat, dar acest material dopat cu acid nu folosește apa ca mediu pentru conducerea protonilor. De asemenea, prezintă proprietăți mecanice mai bune, rezistență mai mare, decât Nafion și este mai ieftin. Cu toate acestea, leșierea acidă este o problemă considerabilă, iar prelucrarea, amestecarea cu catalizatorul pentru a forma cerneală, s-a dovedit dificilă. Polimerii aromatici, cum ar fi PEEK, sunt mult mai ieftini decât Teflonul (PTFE și coloana vertebrală a Nafionului), iar caracterul lor polar duce la o hidratare mai puțin dependentă de temperatură decât Nafionul. Cu toate acestea, PEEK este mult mai puțin conductiv ionic decât Nafion și, prin urmare, este o alegere mai puțin favorabilă a electroliților. Recent, lichidele protic ionice și cristalele protic organice ionice din plastic au fost prezentate ca materiale electrolitice alternative promițătoare pentru pemfc la temperaturi ridicate (100-200 c).

ElectrodesEdit

un electrod constă de obicei din suport de carbon, particule Pt, ionomer Nafion și/sau liant Teflon. Suportul de carbon funcționează ca un conductor electric; particulele Pt sunt locuri de reacție; ionomerul oferă căi pentru conducerea protonilor, iar liantul de Teflon crește hidrofobicitatea electrodului pentru a minimiza potențialele inundații. Pentru a permite reacțiile electrochimice la electrozi, protonii, electronii și gazele reactante (hidrogen sau oxigen) trebuie să aibă acces la suprafața catalizatorului din electrozi, în timp ce apa produsului, care poate fi în fază lichidă sau gazoasă sau ambele faze, trebuie să poată pătrunde de la catalizator la ieșirea gazului. Aceste proprietăți sunt de obicei realizate de compozite poroase de liant electrolitic polimeric (ionomer) și nanoparticule de catalizator susținute pe particule de carbon. De obicei, platina este utilizată ca catalizator pentru reacțiile electrochimice la anod și catod, în timp ce nanoparticulele realizează raporturi ridicate de la suprafață la greutate (așa cum este descris mai jos) reducând cantitatea de platină costisitoare. Liantul de electroliți polimerici asigură conductivitatea Ionică, în timp ce suportul de carbon al catalizatorului îmbunătățește conductivitatea electrică și permite încărcarea redusă a metalelor de platină. Conductivitatea electrică din electrozii compoziți este de obicei de peste 40 de ori mai mare decât conductivitatea protonului.

strat de difuzie a Gazuluiedit

GDL conectează electric catalizatorul și colectorul de curent. Trebuie să fie poros, conductiv electric și subțire. Reactanții trebuie să poată ajunge la catalizator, dar conductivitatea și porozitatea pot acționa ca forțe opuse. În mod optim, GDL ar trebui să fie compus din aproximativ o treime Nafion sau 15% PTFE. Particulele de carbon utilizate în GDL pot fi mai mari decât cele utilizate în catalizator, deoarece suprafața nu este cea mai importantă variabilă din acest strat. GDL ar trebui să aibă o grosime de aproximativ 15-35 mm pentru a echilibra porozitatea necesară cu rezistența mecanică. Adesea, se adaugă un strat poros intermediar între GDL și stratul de catalizator pentru a ușura tranzițiile dintre porii mari din GDL și porozitatea mică din stratul de catalizator. Deoarece o funcție primară a GDL este de a ajuta la îndepărtarea apei, un produs, inundațiile pot apărea atunci când apa blochează eficient GDL. Acest lucru limitează capacitatea reactanților de a accesa catalizatorul și scade semnificativ performanța. Teflonul poate fi acoperit pe GDL pentru a limita posibilitatea inundațiilor. Mai multe variabile microscopice sunt analizate în GDLS, cum ar fi: porozitatea, tortuozitatea și permeabilitatea. Aceste variabile au incidență asupra comportamentului celulelor de combustibil.

EfficiencyEdit

maximă teoretică a eficienței aplicarea energiei libere Gibbs ecuația ΔG = -237.13 kJ/mol și ajutorul de încălzire valoare de Hidrogen (ΔH = -285.84 kJ/mol) este de 83% la 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}}}

eficiența practică a unui Spme este în intervalul de 50-60% .Principalii factori care creează pierderi sunt:

• pierderi de activare
• pierderi ohmice
• pierderi de transport în masă

cadru metalo-organicedit

cadrele Metalo-organice (MOF) sunt o clasă relativ nouă de materiale poroase, foarte cristaline, care constau din noduri metalice conectate prin legături organice. Datorită simplității manipulării sau înlocuirii centrelor metalice și a liganzilor, există un număr practic nelimitat de combinații posibile, ceea ce este atractiv din punct de vedere al designului. MOF prezintă multe proprietăți unice datorită dimensiunilor porilor acordabili, stabilității termice, capacităților de volum mare, suprafețelor mari și caracteristicilor electrochimice dorite. Printre numeroasele lor utilizări diverse, MOF sunt candidați promițători pentru aplicații de energie curată, cum ar fi stocarea hidrogenului, separările de gaze, supercondensatoarele, bateriile Li-ion, celulele solare și celulele de combustibil. În domeniul cercetării celulelor de combustibil, MOF – urile sunt studiate ca potențiale materiale electrolitice și catalizatori de electrozi care ar putea înlocui într-o zi membranele polimerice tradiționale și, respectiv, catalizatorii pt.

ca materiale electrolitice, includerea MOF pare la început contra-intuitivă. Membranele celulelor de combustibil au, în general, porozitate scăzută pentru a preveni încrucișarea combustibilului și pierderea tensiunii între anod și catod. În plus, membranele tind să aibă cristalinitate scăzută, deoarece transportul ionilor este mai favorabil în materialele dezordonate. Pe de altă parte, porii pot fi umpluți cu purtători de ioni suplimentari care sporesc în cele din urmă conductivitatea ionică a sistemului, iar cristalinitatea ridicată face procesul de proiectare mai puțin complex.

cerințele generale ale unui electrolit bun pentru Pemfc sunt: conductivitate ridicată a protonilor (>10-2 s/cm pentru aplicații practice) pentru a permite transportul protonilor între electrozi, stabilitate chimică și termică bună în condiții de funcționare a celulelor de combustibil (umiditate a mediului, temperaturi variabile, rezistență la specii otrăvitoare etc.), costuri reduse, capacitatea de a fi prelucrate în filme subțiri și compatibilitatea generală cu alte componente celulare. În timp ce materialele polimerice sunt în prezent alegerea preferată a membranei conductoare de protoni, acestea necesită umidificare pentru performanțe adecvate și uneori se pot degrada fizic din cauza efectelor de hidratare, provocând astfel pierderi de eficiență. După cum sa menționat, Nafion este, de asemenea, limitat de o temperatură de deshidratare de < 100 C, care poate duce la cinetica reacției mai lentă, eficiența slabă a costurilor și otrăvirea cu co a catalizatorilor electrodului pt. În schimb, MOF-urile au arătat conductivități încurajatoare ale protonilor atât în regimurile de temperatură scăzută, cât și în cele înalte, precum și într-o gamă largă de condiții de umiditate. Sub 100 C și sub hidratare, prezența legăturilor de hidrogen și a moleculelor de apă cu solvent ajută la transportul protonilor, în timp ce condițiile anhidre sunt potrivite pentru temperaturi peste 100 C. MOF-urile au, de asemenea, avantajul distinct de a prezenta conductivitatea protonului prin cadrul propriu-zis, Pe lângă includerea purtătorilor de sarcină (adică apă, acizi etc.) în porii lor.

un exemplu de temperatură scăzută este lucrarea lui Kitagawa și colab. OMS a folosit un cadru de strat anionic bidimensional legat de oxalat ca gazdă și a introdus cationi de amoniu și molecule de acid adipic în pori pentru a crește concentrația de protoni. Rezultatul a fost unul dintre primele cazuri ale unui MF care prezintă conductivitate „superprotonică” (8 centimetrii 10-3 S/cm) la 25 centimetrii C și 98% umiditate relativă (RH). Ulterior au descoperit că creșterea naturii hidrofile a cationilor introduși în pori ar putea spori și mai mult conductivitatea protonilor. În acest regim de temperatură scăzută care depinde de gradul de hidratare, s-a demonstrat, de asemenea, că conductivitatea protonilor depinde în mare măsură de nivelurile de umiditate.

un exemplu anhidru la temperatură înaltă este PCMOF2, care constă din ioni de sodiu coordonați la un derivat de benzen trisulfonat. Pentru a îmbunătăți performanța și a permite temperaturi de funcționare mai ridicate, apa poate fi înlocuită ca purtător de protoni cu molecule mai puțin volatile de imidazol sau triazol în pori. Temperatura maximă atinsă a fost de 150 CTC cu o conductivitate optimă de 5 CTC 10-4 S / cm, care este mai mică decât alte membrane electrolitice actuale. Cu toate acestea, acest model este promițător pentru regimul său de temperatură, condițiile anhidre și capacitatea de a controla cantitatea de molecule oaspete din pori, toate acestea permițând tunabilitatea conductivității protonilor. În plus, PCMOF2 încărcat cu triazol a fost încorporat într-un ansamblu membrană-electrod H2/aer și a obținut o tensiune de circuit deschis de 1.18 V la 100 C, care a fost stabil timp de 72 de ore și a reușit să rămână etanș la gaz pe tot parcursul testării. Aceasta a fost prima instanță care a dovedit că MOF-urile pot fi de fapt implementate în celule de combustibil funcționale, iar diferența de potențial moderată a arătat că încrucișarea combustibilului din cauza porozității nu a fost o problemă.

până în prezent, cea mai mare conductivitate de protoni obținută pentru un electrolit MOF este de 4,2 xtoct 10-2 S/cm la 25 xtoct C în condiții de umiditate (98% RH), ceea ce este competitiv cu Nafionul. Unele experimente recente au produs chiar cu succes membrane MOF cu film subțire în locul probelor tradiționale în vrac sau a cristalelor unice, ceea ce este crucial pentru aplicabilitatea lor industrială. Odată ce MOF-urile sunt capabile să atingă în mod constant niveluri suficiente de conductivitate, rezistență mecanică, stabilitate a apei și procesare simplă, acestea au potențialul de a juca un rol important în Pemfc-urile în viitorul apropiat.

MOF-urile au fost, de asemenea, vizate ca potențiale înlocuiri ale materialelor metalice din grupul platinei (PGM) pentru catalizatorii de electrozi, deși această cercetare este încă în stadiile incipiente de dezvoltare. În Pemfc, reacția de reducere a oxigenului (ORR) la catodul Pt este semnificativ mai lentă decât reacția de oxidare a combustibilului la anod și, prin urmare, catalizatorii fără PGM și metal sunt investigați ca alternative. Densitatea volumetrică ridicată, suprafețele mari ale porilor și deschiderea siturilor metal-ion în MOF-uri le fac candidați ideali pentru precursorii catalizatorilor. În ciuda abilităților catalitice promițătoare, durabilitatea acestor catalizatori propuși pe bază de MOF este în prezent mai mică decât este de dorit, iar mecanismul ORR în acest context nu este încă complet înțeles.

Catalyst research

o mare parte din cercetările actuale privind catalizatorii pentru pile de combustie PEM pot fi clasificate ca având unul dintre următoarele obiective principale:

1. pentru a obține o activitate catalitică mai mare decât catalizatorii standard cu particule de platină pe bază de carbon utilizați în pile de combustie PEM actuale
2. pentru a reduce otrăvirea catalizatorilor cu pile de combustie PEM cu gaze de impuritate
3. pentru a reduce costul celulei de combustibil datorat utilizării catalizatorilor pe bază de platină
4. pentru a spori activitatea ORR a electrocatalizatorilor fără metale din grupa platinei

exemple ale acestor abordări sunt prezentate în secțiunile următoare.

creșterea activității cataliticeedit

după cum sa menționat mai sus, platina este de departe cel mai eficient element utilizat pentru catalizatorii PEM cu celule de combustibil și aproape toate celulele de combustibil PEM actuale utilizează particule de platină pe suporturi de carbon poroase pentru a cataliza atât oxidarea hidrogenului, cât și reducerea oxigenului. Cu toate acestea, datorită costului ridicat, catalizatorii actuali Pt/C nu sunt fezabili pentru comercializare. SUA. Departamentul Energiei estimează că catalizatorii pe bază de platină vor trebui să utilizeze aproximativ de patru ori mai puțină platină decât se utilizează în proiectele actuale de PEM fuel cell pentru a reprezenta o alternativă realistă la motoarele cu ardere internă. În consecință, un obiectiv principal al proiectării catalizatorului pentru PEM pile de combustie este creșterea activității catalitice a platinei cu un factor de patru, astfel încât doar o pătrime din metalul prețios să fie necesar pentru a obține performanțe similare.

o metodă de creștere a performanței catalizatorilor de platină este optimizarea dimensiunii și formei particulelor de platină. Scăderea dimensiunii particulelor crește singură suprafața totală a catalizatorului disponibil pentru a participa la reacții pe volumul de platină utilizat, dar studii recente au demonstrat modalități suplimentare de a îmbunătăți în continuare performanța catalitică. De exemplu, un studiu raportează că fațetele cu indice ridicat ale nanoparticulelor de platină (adică indicii Miller cu numere întregi mari, cum ar fi Pt (730)) oferă o densitate mai mare de situri reactive pentru reducerea oxigenului decât nanoparticulele tipice de platină.

deoarece cel mai comun și eficient catalizator, platina, este extrem de scump, procesarea alternativă este necesară pentru a maximiza suprafața și a minimiza încărcarea. Depunerea particulelor Pt nanosized pe pulbere de carbon (Pt/C) oferă o suprafață mare Pt în timp ce carbonul permite conectarea electrică între catalizator și restul celulei. Platina este atât de eficientă, deoarece are o activitate ridicată și se leagă de hidrogen suficient de puternic pentru a facilita transferul de electroni, dar nu împiedică hidrogenul să continue să se miște în jurul celulei. Cu toate acestea, platina este mai puțin activă în reacția de reducere a oxigenului catodic. Acest lucru necesită utilizarea mai multor platină, crescând cheltuielile celulei și, astfel, fezabilitatea. Multe opțiuni potențiale de catalizator sunt excluse din cauza acidității extreme a celulei.

cele mai eficiente modalități de realizare a Pt la scară nanometrică pe pulberea de carbon, care este în prezent cea mai bună opțiune, sunt prin depunerea în vid, pulverizare și electrodepunere. Particulele de platină sunt depuse pe hârtie de carbon care este pătrunsă cu PTFE. Cu toate acestea, există o subțire optimă a acestui strat de catalizator, care limitează limita de cost mai mică. Sub 4 nm, Pt va forma insule pe hârtie, limitându-și activitatea. Peste această grosime, Pt va acoperi carbonul și va fi un catalizator eficient. Pentru a complica și mai mult lucrurile, Nafion nu poate fi infiltrat dincolo de 10 um, deci folosind mai mult Pt decât aceasta este o cheltuială inutilă. Astfel, cantitatea și forma catalizatorului sunt limitate de constrângerile altor materiale.

o a doua metodă de creștere a activității catalitice a platinei este aliajul cu alte metale. De exemplu, s-a arătat recent că suprafața Pt3Ni(111) are o activitate de reducere a oxigenului mai mare decât Pt pur(111) cu un factor de zece. Autorii atribuie această creștere dramatică a performanței modificărilor structurii electronice a suprafeței, reducând tendința acesteia de a se lega de speciile ionice care conțin oxigen prezente în celulele de combustibil PEM și, prin urmare, creșterea numărului de site-uri disponibile pentru adsorbția și reducerea oxigenului.

alte eficiențe pot fi realizate folosind o duză cu ultrasunete pentru a aplica catalizatorul de platină pe stratul de electroliți sau pe hârtia de carbon în condiții atmosferice, rezultând un spray de înaltă eficiență. Studiile au arătat că, datorită dimensiunii uniforme a picăturilor create de acest tip de pulverizare, datorită eficienței ridicate de transfer a tehnologiei, datorită naturii ne-înfundate a duzei și, în final, datorită faptului că energia ultrasonică dezaglomerează suspensia chiar înainte de atomizare, celulele de combustie MEA fabricate în acest fel au o omogenitate mai mare în MEA finală, iar fluxul de gaz prin celulă este mai uniform, maximizând eficiența platinei din MEA.Studii recente care utilizează imprimarea cu jet de cerneală pentru a depune catalizatorul peste membrană au arătat, de asemenea, o utilizare ridicată a catalizatorului datorită grosimii reduse a straturilor de catalizator depuse.

foarte recent, o nouă clasă de electrocatalizatori ORR au fost introduși în cazul sistemelor Pt-M (M-Fe și Co) cu un miez intermetalic ordonat încapsulat într-o coajă bogată în pt. S-a constatat că acești nanocatalizatori intermetalici core-shell (imi) prezintă o activitate îmbunătățită și, cel mai important, o durabilitate extinsă în comparație cu multe modele anterioare. În timp ce îmbunătățirea observată a activităților este atribuită unei rețele tensionate, autorii raportează că constatările lor privind cinetica degradării stabilesc că durabilitatea catalitică extinsă este atribuibilă unei ordini atomice susținute.

reducerea otrăviriiedit

cealaltă abordare populară pentru îmbunătățirea performanței catalizatorului este reducerea sensibilității sale la impuritățile din sursa de combustibil, în special la monoxidul de carbon (CO). În prezent, gazul de hidrogen pur devine economic pentru a produce în masă prin electroliză. Cu toate acestea, în prezent, hidrogenul gazos este produs prin reformarea aburului hidrocarburi ușoare, proces care produce un amestec de gaze care conține și CO (1-3%), CO2 (19-25%) și N2 (25%). Chiar și zeci de părți pe milion de CO pot otrăvi un catalizator de platină pură, astfel încât creșterea rezistenței platinei la CO este un domeniu activ de cercetare.

de exemplu, un studiu a raportat că nanoparticulele de platină în formă de cub cu (100) fațete au prezentat o creștere de patru ori a activității de reducere a oxigenului în comparație cu nanoparticulele de platină cu fațete aleatorii de dimensiuni similare. Autorii au concluzionat că fațetele (111) ale nanoparticulelor în formă aleatorie s-au legat mai puternic de ionii de sulfat decât fațetele (100), reducând numărul de situri catalitice deschise moleculelor de oxigen. Nanocuburile pe care le-au sintetizat, în schimb, aveau aproape exclusiv (100) fațete, despre care se știe că interacționează mai slab cu sulfatul. Ca rezultat, o fracțiune mai mare din suprafața acestor particule a fost disponibilă pentru reducerea oxigenului, stimulând activitatea de reducere a oxigenului catalizatorului.

în plus, cercetătorii au investigat modalități de reducere a conținutului de CO al combustibilului cu hidrogen înainte de a intra într-o celulă de combustibil ca o posibilă modalitate de a evita otrăvirea catalizatorilor. Un studiu recent a arătat că nanoparticulele de miez de ruteniu-platină sunt deosebit de eficiente la oxidarea CO pentru a forma CO2, un contaminant de combustibil mult mai puțin dăunător. Mecanismul care produce acest efect este conceptual similar cu cel descris pentru Pt3Ni mai sus: miezul de ruteniu al particulei modifică structura electronică a suprafeței de platină, făcând-o mai capabilă să catalizeze oxidarea CO.

reducerea costurilor

provocarea pentru viabilitatea pilelor de combustie PEM rămâne în prezent în ceea ce privește costul și stabilitatea acestora. Costul ridicat poate fi atribuit în mare parte utilizării metalului prețios de platină în stratul de catalizator al celulelor PEM. Electrocatalizatorul reprezintă în prezent aproape jumătate din costul stivei de celule de combustibil. Deși încărcarea Pt a pilelor de combustie PEM a fost redusă cu două ordine de mărime în ultimul deceniu, este necesară o reducere suplimentară pentru a face tehnologia viabilă din punct de vedere economic pentru comercializare. În timp ce unele eforturi de cercetare vizează abordarea acestei probleme prin îmbunătățirea activității electrocatalitice a catalizatorilor pe bază de Pt, o alternativă este eliminarea completă a utilizării Pt prin dezvoltarea unui catalizator catodic non-platină-grup-metal (non-PGM) a cărui performanță rivalizează cu cea a tehnologiilor pe bază de Pt. SUA. Departamentul de energie a stabilit repere pentru dezvoltarea pilelor de combustie, vizând o durabilitate de 5000 de ore și o activitate volumetrică a catalizatorului non-PGM ORR de 300 A cm−3.

Alternative promițătoare la catalizatorii pe bază de Pt sunt Metal/azot/ Carbon-catalizatori (m/n/c-catalizatori). Pentru a obține o densitate mare de putere sau o putere de ieșire pe suprafața celulei, trebuie îndeplinită o activitate volumetrică de cel puțin 1/10 cea a catalizatorilor pe bază de Pt, împreună cu proprietăți bune de transport în masă. În timp ce catalizatorii M/N/C demonstrează încă activități volumetrice mai slabe decât catalizatorii pe bază de Pt, costurile reduse ale acestor catalizatori permit compensarea unei încărcări mai mari. Cu toate acestea, creșterea încărcării catalizatorilor M/N/C face, de asemenea, stratul catalitic mai gros, afectând proprietățile sale de transport în masă. Cu alte cuvinte, H2, O2, protonii și electronii au dificultăți mai mari în migrarea prin stratul catalitic, scăzând ieșirea de tensiune a celulei. În timp ce microporozitatea ridicată a rețelei catalitice M/N/C are ca rezultat o activitate volumetrică ridicată, proprietățile îmbunătățite de transport în masă sunt în schimb asociate cu macroporozitatea rețelei. Aceste materiale M / N / C sunt sintetizate folosind piroliza la temperaturi ridicate și alte tratamente la temperaturi ridicate ale precursorilor care conțin metalul, azotul și carbonul.

recent, cercetătorii au dezvoltat un catalizator Fe/N/C derivat din acetat de fier (II) (FeAc), fenantrolină (Phen) și o gazdă metal-organică (MOF). MOF este un cadru Zn (II) zeolitic imidazolat (ZIF) numit ZIF-8, care demonstrează o suprafață microporoasă ridicată și un conținut ridicat de azot favorabil activității ORR. Densitatea de putere a catalizatorului FeAc/Phen/ZIF-8 S-a dovedit a fi de 0,75 W cm−2 la 0,6 V. Această valoare reprezintă o îmbunătățire semnificativă față de densitatea maximă de 0,37 W cm−2 a catalizatorilor anteriori M/N / C și este mult mai aproape de potrivirea valorii tipice de 1,0-1,2 W cm–2 pentru catalizatorii pe bază de Pt cu o încărcare Pt de 0,3 mg cm−2. Catalizatorul a demonstrat, de asemenea, o activitate volumetrică de 230 a·cm−3, cea mai mare valoare pentru catalizatorii non-PGM până în prezent, apropiindu-se de piatra de hotar a Departamentului Energiei din SUA.

în timp ce densitatea de putere obținută de noul FeAc/Phen/Zif-8-catalyst este promițătoare, durabilitatea sa rămâne inadecvată pentru aplicații comerciale. Este raportat că cea mai bună durabilitate expusă de acest catalizator a avut încă o scădere de 15% a densității curentului peste 100 de ore în H2/aer. Prin urmare, în timp ce catalizatorii non-PGM pe bază de Fe rivalizează cu catalizatorii pe bază de Pt în activitatea lor electrocatalitică, mai sunt încă multe de făcut în înțelegerea mecanismelor lor de degradare și îmbunătățirea durabilității lor.