Pemfc är byggda av membranelektrodaggregat (MEA) som inkluderar elektroder, elektrolyt, katalysator och gasdiffusionslager. Ett bläck av katalysator, kol och elektrod sprutas eller målas på den fasta elektrolyten och kolpapper är varmpressat på vardera sidan för att skydda insidan av cellen och även fungera som elektroder. Den pivotala delen av cellen är trippelfasgränsen (TPB) där elektrolyten, katalysatorn och reaktanterna blandas och därmed där cellreaktionerna faktiskt uppträder. Viktigt är att membranet inte får vara elektriskt ledande så att halva reaktionerna inte blandas. Driftstemperaturer över 100 c c önskas så att vattenbiprodukten blir ånga och vattenhantering blir mindre kritisk i celldesign.
ReactionsEdit
ytterligare information: bränslecell
en protonutbytesmembranbränslecell omvandlar den kemiska energi som frigörs under den elektrokemiska reaktionen av väte och syre till elektrisk energi, i motsats till direkt förbränning av väte och syrgas för att producera termisk energi.
en ström av väte levereras till ANODSIDAN av MEA. På anodsidan är den katalytiskt uppdelad i protoner och elektroner. Denna oxidationshalvcellsreaktion eller väteoxidationsreaktion (HOR) representeras av:
vid anoden:
de nybildade protonerna tränger igenom polymerelektrolytmembranet till katodsidan. Elektronerna färdas längs en extern belastningskrets till katodsidan av MEA, vilket skapar bränslecellens strömutgång.Under tiden levereras en ström av syre till katodsidan av MEA. På katodsidan reagerar syremolekyler med protonerna som tränger igenom polymerelektrolytmembranet och elektronerna som anländer genom den yttre kretsen för att bilda vattenmolekyler. Denna reduktionshalvcellsreaktion eller syrereduceringsreaktion (ORR) representeras av:
vid katoden:
Total reaktion:
den reversibla reaktionen uttrycks i ekvationen och visar reinkorporationen av väteprotonerna och elektronerna tillsammans med syremolekylen och bildandet av en vattenmolekyl. Potentialerna i varje fall ges med avseende på standardväteelektroden.
Polymer elektrolytmembranedit
Huvudartikel: Polymer elektrolytmembran
SEM-mikrograf med ett pemfc MEA-tvärsnitt med en icke-ädelmetallkatalysatorkatod och Pt/C-anod. Falska färger tillämpas för tydlighet.
MEA-tillverkningsmetoder för PEMFC
för att fungera måste membranet leda vätejoner (protoner) men inte elektroner eftersom detta i själva verket skulle ”kortsluta” bränslecellen. Membranet får inte heller tillåta någon gas att passera till den andra sidan av cellen, ett problem som kallas gasövergång. Slutligen måste membranet vara resistent mot den reducerande miljön vid katoden såväl som den hårda oxidativa miljön vid anoden.
uppdelning av vätemolekylen är relativt lätt genom att använda en platinakatalysator. Tyvärr är det dock svårare att dela syremolekylen, och detta orsakar betydande elektriska förluster. Ett lämpligt katalysatormaterial för denna process har inte upptäckts, och platina är det bästa alternativet.
ett billigare alternativ till platina är cerium (IV) oxidkatalysator som används av forskargruppen av professor Vladimir Ubicr Matol Ubicn i utvecklingen av PEMFC.
StrengthsEdit
PEMFC är en utmärkt kandidat för fordon och andra mobila applikationer i alla storlekar ner till mobiltelefoner, på grund av dess kompakthet.
WeaknessesEdit
bränsleceller baserade på PEM har fortfarande många problem:
1. Vattenhantering
vattenhantering är avgörande för prestanda: om vatten förångas för långsamt kommer det att översvämma membranet och ackumuleringen av vatten inuti fältflödesplattan kommer att hindra syreflödet i bränslecellen, men om vatten avdunstar för snabbt kommer membranet att torka och motståndet över det ökar. Båda fallen kommer att orsaka skador på stabilitet och effekt. Vattenhantering är ett mycket svårt ämne i PEM-system, främst för att vatten i membranet lockas mot cellens katod genom polarisering.
en mängd olika lösningar för hantering av vatten finns inklusive integration av en elektroosmotisk pump.
en annan innovativ metod för att lösa vattencirkulationsproblemet är 3D-finmaskigt flödesfältdesign som används i Toyota Mirai, 2014. Konventionell utformning av FC stack återcirkulerar vatten från luftutloppet till luftinloppet genom en luftfuktare med en rak kanal och porösa metallflödesfält.Flödesfältet är en struktur som består av en revben och kanaler. Ribban täcker emellertid delvis gasdiffusionsskiktet (GDL) och det resulterande gastransportavståndet är längre än mellankanalavståndet. Dessutom komprimerar kontakttrycket mellan GDL och ribben också GDL, vilket gör dess tjocklek ojämn över ribben och kanalen. Den stora bredden och ojämn tjocklek av ribban kommer att öka potentialen för vattenånga att ackumuleras och syret kommer att äventyras. Som ett resultat kommer syre att hindras för att diffundera i katalysatorskikt, vilket leder till ojämn kraftproduktion i FC.
denna nya design möjliggjorde de första FC-stackfunktionerna utan ett befuktningssystem, samtidigt som man övervann vattencirkulationsproblem och uppnådde hög effektstabilitet. 3D-mikrogitteret tillåter fler vägar för gasflöde; därför främjar det luftflödet mot membranelektrod och gasdiffusionslager (MEGA) och främjar O2-diffusion till katalysatorskiktet. Till skillnad från konventionella flödesfält, 3D-mikrogitter i det komplexa fältet, som fungerar som bafflar och inducerar frekvent mikroskala gränsflöde mellan GDL och flödesfält. På grund av detta upprepande konvektiva flöde i mikroskala förbättras syretransporten till katalysatorskiktet (CL) och avlägsnande av flytande vatten från GDL avsevärt. Det genererade vattnet dras snabbt ut genom flödesfältet, vilket förhindrar ackumulering i porerna. Som ett resultat är kraftproduktionen från detta flödesfält enhetlig över tvärsnittet och självfuktning är aktiverad.
2. Katalysatorns sårbarhet
platinakatalysatorn på membranet förgiftas lätt av kolmonoxid (högst en del per miljon är vanligtvis acceptabel) och membranet är känsligt för saker som metalljoner, som kan införas genom korrosion av metalliska bipolära plattor, metallkomponenter i bränslecellsystemet eller från föroreningar i bränslet/oxidanten.
pem-system som använder reformerad metanol föreslogs, som i Daimler Chrysler Necar 5; reformering av metanol, dvs. att få det att reagera för att erhålla väte är emellertid en mycket komplicerad process, som också kräver rening från kolmonoxiden som reaktionen producerar. En platina-ruteniumkatalysator är nödvändig eftersom viss kolmonoxid oundvikligen når membranet. Nivån får inte överstiga 10 delar per miljon. Dessutom är starttiderna för en sådan reformatorreaktor ungefär en halvtimme. Alternativt kan metanol och vissa andra biobränslen matas direkt till en PEM-bränslecell utan att reformeras, vilket gör en direkt metanolbränslecell (DMFC). Dessa enheter fungerar med begränsad framgång.
3. Begränsning av Driftstemperatur
det vanligaste membranet är Nafion av Chemours, som förlitar sig på flytande vattenfuktning av membranet för att transportera protoner. Detta innebär att det inte är möjligt att använda temperaturer över 80 till 90 kcal C, eftersom membranet skulle torka. Andra, nyare membrantyper, baserade på polybensimidazol (PBI) eller fosforsyra, kan nå upp till 220 kcal C utan att använda någon vattenhantering: högre temperatur möjliggör bättre effektivitet, effektdensiteter, enkel kylning (på grund av större tillåtna temperaturskillnader), minskad känslighet för kolmonoxidförgiftning och bättre kontrollerbarhet (på grund av frånvaro av vattenhanteringsproblem i membranet); dessa senaste typer är dock inte lika vanliga. PBI kan dopas med fosfor – eller svavelsyra och konduktivitetsskalorna med mängd dopning och temperatur. Vid höga temperaturer är det svårt att hålla Nafion hydratiserad, men detta syradopade material använder inte vatten som medium för protonledning. Det uppvisar också bättre mekaniska egenskaper, högre hållfasthet än Nafion och är billigare. Syrautlakning är emellertid en betydande fråga och bearbetning, blandning med katalysator för att bilda bläck, har visat sig vara knepigt. Aromatiska polymerer, såsom PEEK, är mycket billigare än Teflon (PTFE och ryggraden i Nafion) och deras polära karaktär leder till hydrering som är mindre temperaturberoende än Nafion. PEEK är dock mycket mindre joniskt Ledande än Nafion och är därmed ett mindre gynnsamt elektrolytval. Nyligen har protiska Joniska vätskor och protiska organiska Joniska plastkristaller visats som lovande alternativa elektrolytmaterial för pemfcs med hög temperatur (100-200 kcal C).
ElectrodesEdit
en elektrod består vanligtvis av kolstöd, Pt-partiklar, Nafionjonomer och/eller Teflonbindemedel. Kolstödet fungerar som en elektrisk ledare; Pt-partiklarna är reaktionsställen; jonomern ger vägar för protonledning, och Teflon-bindemedlet ökar elektrodens hydrofobicitet för att minimera potentiell översvämning. För att möjliggöra de elektrokemiska reaktionerna vid elektroderna måste protoner, elektroner och reaktantgaserna (väte eller syre) få tillgång till katalysatorns yta i elektroderna, medan produktvattnet, som kan vara i antingen flytande eller gasformig fas eller båda faserna, måste kunna tränga igenom från katalysatorn till gasutloppet. Dessa egenskaper realiseras typiskt av porösa kompositer av polymerelektrolytbindemedel (jonomer) och katalysatornanopartiklar som stöds på kolpartiklar. Vanligtvis används platina som katalysator för de elektrokemiska reaktionerna vid anoden och katoden, medan nanopartiklar realiserar höga yt-och viktförhållanden (som vidare beskrivs nedan) minskar mängden av den kostsamma platina. Polymerelektrolytbindemedlet ger den joniska konduktiviteten, medan katalysatorns kolstöd förbättrar den elektriska konduktiviteten och möjliggör låg platinametallbelastning. Den elektriska ledningsförmågan i kompositelektroderna är vanligtvis mer än 40 gånger högre som protonledningsförmågan.
gasdiffusion layerEdit
GDL ansluter katalysatorn och strömsamlaren elektriskt. Det måste vara poröst, elektriskt ledande och tunt. Reaktanterna måste kunna nå katalysatorn, men konduktivitet och porositet kan fungera som motsatta krafter. Optimalt bör GDL bestå av ungefär en tredjedel Nafion eller 15% PTFE. Kolpartiklarna som används i GDL kan vara större än de som används i katalysatorn eftersom ytan inte är den viktigaste variabeln i detta lager. GDL bör vara runt 15-35 occurm tjock för att balansera behövs porositet med mekanisk hållfasthet. Ofta tillsätts ett mellanliggande poröst skikt mellan GDL och katalysatorskiktet för att underlätta övergångarna mellan de stora porerna i GDL och liten porositet i katalysatorskiktet. Eftersom en primär funktion av GDL är att hjälpa till att avlägsna vatten, en produkt, kan översvämning uppstå när vatten effektivt blockerar GDL. Detta begränsar reaktanternas förmåga att komma åt katalysatorn och minskar prestandan avsevärt. Teflon kan beläggas på GDL för att begränsa risken för översvämning. Flera mikroskopiska variabler analyseras i GDLS såsom: porositet, tortuositet och permeabilitet. Dessa variabler har förekomst över bränslecellernas beteende.
EfficiencyEdit
- Aktiveringsförluster
- ohmiska förluster
- Mass transportförluster
Metal-organic frameworksEdit
Metal-organic frameworks (MOF) är en relativt ny klass av porösa, mycket kristallina material som består av metallnoder förbundna med organiska länkar. På grund av enkelheten att manipulera eller ersätta metallcentra och ligander finns det ett praktiskt taget obegränsat antal möjliga kombinationer, vilket är attraktivt ur designsynpunkt. MOF: er uppvisar många unika egenskaper på grund av deras avstämbara porstorlekar, termisk stabilitet, hög volymkapacitet, stora ytor och önskvärda elektrokemiska egenskaper. Bland deras många olika användningsområden är MOF: er lovande kandidater för rena energiapplikationer som vätelagring, gasavskiljningar, superkondensatorer, Li-jonbatterier, solceller och bränsleceller. Inom området bränslecellsforskning studeras Mof som potentiella elektrolytmaterial och elektrodkatalysatorer som en dag kan ersätta traditionella polymermembran respektive Pt-katalysatorer.
som elektrolytmaterial verkar införandet av MOFs först kontraintuitivt. Bränslecellsmembran har i allmänhet låg porositet för att förhindra bränsleövergång och förlust av spänning mellan anoden och katoden. Dessutom tenderar membran att ha låg kristallinitet eftersom transporten av joner är mer gynnsam i oordnade material. Å andra sidan kan porerna fyllas med ytterligare jonbärare som i slutändan förbättrar systemets jonkonduktivitet och hög kristallinitet gör designprocessen mindre komplex.
de allmänna kraven för en bra elektrolyt för Pemfc är: hög protonledningsförmåga (>10-2 S/cm för praktiska tillämpningar) för att möjliggöra protontransport mellan elektroder, god kemisk och termisk stabilitet under bränslecellens driftsförhållanden (miljöfuktighet, varierande temperaturer, motståndskraft mot giftiga arter etc.), låg kostnad, förmåga att bearbetas till tunnfilmer och övergripande kompatibilitet med andra cellkomponenter. Medan polymera material för närvarande är det föredragna valet av protonledande membran, kräver de befuktning för tillräcklig prestanda och kan ibland fysiskt försämras på grund av hydrationseffekter och därigenom orsaka effektivitetsförluster. Som nämnts begränsas Nafion också av en dehydratiseringstemperatur på < 100 kcal C, vilket kan leda till långsammare reaktionskinetik, dålig kostnadseffektivitet och CO-förgiftning av Pt-elektrodkatalysatorer. Omvänt har MOF visat uppmuntrande protonledningsförmåga i både låga och höga temperaturregimer såväl som över ett brett spektrum av fuktighetsförhållanden. Under 100 CCB och under hydrering, närvaron av vätebindning och lösningsmedelsvattenmolekyler hjälper till vid protontransport, medan vattenfria förhållanden är lämpliga för temperaturer över 100 CCB.) i sina porer.
ett exempel på låg temperatur är arbete av Kitagawa, et al. who använde en tvådimensionell oxalat-överbryggad anjonisk lagerram som värd och introducerade ammoniumkatjoner och adipinsyramolekyler i porerna för att öka protonkoncentrationen. Resultatet var en av de första instanserna av en MOF som visar ”superprotonisk” konduktivitet (8 10-3 s/cm) vid 25 C och 98% relativ fuktighet (RH). De fann senare att ökning av den hydrofila naturen hos katjonerna införda i porerna kan förbättra protonledningsförmågan ännu mer. I denna låga temperaturregim som är beroende av hydratiseringsgrad har det också visats att protonledningsförmågan är starkt beroende av fuktighetsnivåer.
ett vattenfritt exempel vid hög temperatur är PCMOF2, som består av natriumjoner koordinerade till ett trisulfonerat bensenderivat. För att förbättra prestanda och möjliggöra högre driftstemperaturer kan vatten ersättas som protonbärare med mindre flyktiga imidazol-eller triazolmolekyler i porerna. Den maximala temperaturen som uppnåddes var 150 CCG med en optimal ledningsförmåga på 5 10-4 s / cm, vilket är lägre än andra strömelektrolytmembran. Emellertid håller denna modell löfte för dess temperaturregim, vattenfria förhållanden och förmåga att kontrollera mängden gästmolekyler i porerna, som alla möjliggjorde avstämbarheten av protonledningsförmåga. Dessutom införlivades den triazolbelastade PCMOF2 i en H2 / luftmembranelektrodanordning och uppnådde en öppen kretsspänning på 1.18 V vid 100 CCC som var stabil i 72 timmar och lyckades förbli gastät under hela testningen. Detta var den första instansen som visade att MOF faktiskt kunde implementeras i fungerande bränsleceller, och den måttliga potentialskillnaden visade att bränsleövergång på grund av porositet inte var ett problem.
hittills är den högsta protonledningsförmågan som uppnåtts för en MOF-elektrolyt 4,2 10-2 s/cm vid 25 C under fuktiga förhållanden (98% RH), vilket är konkurrenskraftigt med Nafion. Några nya experiment har till och med framgångsrikt producerat tunnfilmsmembran i stället för de traditionella bulkproverna eller enkla kristaller, vilket är avgörande för deras industriella tillämplighet. När MOF: er konsekvent kan uppnå tillräckliga konduktivitetsnivåer, mekanisk styrka, vattenstabilitet och enkel bearbetning, har de potential att spela en viktig roll i Pemfc inom en snar framtid.
MOF har också riktats som potentiella ersättningar av platinagruppsmetall (PGM) material för elektrodkatalysatorer, även om denna forskning fortfarande är i de tidiga utvecklingsstadierna. I Pemfc är syrereduktionsreaktionen (ORR) vid Pt-katoden betydligt långsammare än bränsleoxidationsreaktionen vid anoden, och således undersöks icke-PGM och metallfria katalysatorer som alternativ. Den höga volymetriska densiteten, stora porytor och öppenheten hos metalljonplatser i MOF gör dem idealiska kandidater för katalysatorprekursorer. Trots lovande katalytiska förmågor är hållbarheten hos dessa föreslagna MOF-baserade katalysatorer för närvarande mindre än önskvärd och ORR-mekanismen i detta sammanhang är fortfarande inte helt förstådd.
Catalyst researchEdit
mycket av den aktuella forskningen om katalysatorer för PEM-bränsleceller kan klassificeras som ett av följande huvudmål:
- för att erhålla högre katalytisk aktivitet än de vanliga kolstödda platinapartikelkatalysatorerna som används i nuvarande PEM-bränsleceller
- för att minska förgiftningen av PEM-bränslecellskatalysatorer med föroreningsgaser
- för att minska kostnaden för bränslecellen på grund av användning av platinabaserade katalysatorer
- för att förbättra ORR-aktiviteten hos platinagruppmetallfria elektrokatalysatorer
exempel på dessa tillvägagångssätt ges i följande avsnitt.
ökande katalytisk aktivitetedit
som nämnts ovan är platina det överlägset mest effektiva elementet som används för PEM-bränslecellskatalysatorer, och nästan alla nuvarande PEM-bränsleceller använder platinapartiklar på porösa kolstöd för att katalysera både väteoxidation och syrereduktion. På grund av deras höga kostnader är nuvarande Pt/C-katalysatorer emellertid inte genomförbara för kommersialisering. USA. Institutionen för energi uppskattar att platinabaserade katalysatorer kommer att behöva använda ungefär fyra gånger mindre platina än vad som används i nuvarande PEM-bränslecellskonstruktioner för att representera ett realistiskt alternativ till förbränningsmotorer. Följaktligen är ett huvudmål för katalysatordesign för PEM-bränsleceller att öka den katalytiska aktiviteten hos platina med en faktor fyra så att endast en fjärdedel så mycket av ädelmetallen är nödvändig för att uppnå liknande prestanda.
en metod för att öka prestandan hos platinakatalysatorer är att optimera storleken och formen på platinapartiklarna. Att minska partiklarnas storlek ensam ökar den totala ytan av katalysator som är tillgänglig för att delta i reaktioner per volym platina som används, men nya studier har visat ytterligare sätt att göra ytterligare förbättringar av katalytisk prestanda. Till exempel rapporterar en studie att högindexfasetter av platina nanopartiklar (det vill säga Miller-index med stora heltal, såsom Pt (730)) ger en större densitet av reaktiva platser för syrereduktion än typiska platina nanopartiklar.
eftersom den vanligaste och mest effektiva katalysatorn, platina, är extremt dyr, är alternativ bearbetning nödvändig för att maximera ytan och minimera belastningen. Deponering av nanosized Pt partiklar på kolpulver (Pt/C) ger en stor Pt ytarea, medan kolet möjliggör elektrisk anslutning mellan katalysatorn och resten av cellen. Platina är så effektivt eftersom det har hög aktivitet och bindningar till väte bara tillräckligt starkt för att underlätta elektronöverföring men inte hämma väte från att fortsätta att röra sig runt cellen. Platina är emellertid mindre aktiv i katodsyrereduktionsreaktionen. Detta kräver användning av mer platina, vilket ökar cellens kostnad och därmed genomförbarhet. Många potentiella katalysatorval utesluts på grund av cellens extrema surhet.
de mest effektiva sätten att uppnå nanoskala Pt på kolpulver, som för närvarande är det bästa alternativet, är genom vakuumavsättning, sputtering och elektrodeposition. Platinapartiklarna deponeras på kolpapper som genomträngs med PTFE. Det finns emellertid en optimal tunnhet för detta katalysatorskikt, vilket begränsar den lägre kostnadsgränsen. Under 4 nm kommer Pt att bilda öar på papperet, vilket begränsar dess aktivitet. Ovanför denna tjocklek kommer Pt att belägga kolet och vara en effektiv katalysator. För att ytterligare komplicera saker kan Nafion inte infiltreras utöver 10 um, så att använda mer Pt än detta är en onödig kostnad. Således mängden och formen av katalysatorn begränsas av begränsningarna av andra material.
en andra metod för att öka den katalytiska aktiviteten hos platina är att legera den med andra metaller. Till exempel visades det nyligen att pt3ni(111) ytan har en högre syrereduktionsaktivitet än ren Pt(111) med en faktor tio. Författarna tillskriver denna dramatiska prestandaökning till modifieringar av ytans elektroniska struktur, vilket minskar dess tendens att binda till syreinnehållande Joniska arter närvarande i PEM-bränsleceller och därmed öka antalet tillgängliga platser för syreadsorption och reduktion.
ytterligare effektivitet kan realiseras med hjälp av ett Ultraljudsmunstycke för att applicera platinakatalysatorn på elektrolytskiktet eller på kolpapper under atmosfäriska förhållanden vilket resulterar i högeffektiv spray. Studier har visat att på grund av den enhetliga storleken av de droppar som skapas av denna typ av spray, på grund av den höga överföringseffektiviteten av tekniken, på grund av den icke-igensättning naturen av munstycket och slutligen på grund av det faktum att ultraljud energi de-agglomererar suspensionen strax före finfördelning, bränsleceller MEA tillverkas på detta sätt har en större homogenitet i den slutliga MEA, och gasflödet genom cellen är mer enhetlig, maximera effektiviteten av platina i MEA.Nya studier med bläckstråleskrivare för att deponera katalysatorn över membranet har också visat högt katalysatorutnyttjande på grund av den reducerade tjockleken hos de deponerade katalysatorskikten.
mycket nyligen har en ny klass av ORR-elektrokatalysatorer introducerats i fallet med Pt-M (M-Fe och Co)-system med en ordnad intermetallisk kärna inkapslad i ett Pt-rikt skal. Dessa intermetalliska core-shell (IMCS) nanocatalysts befanns uppvisa en förbättrad aktivitet och viktigast av allt, en utökad hållbarhet jämfört med många tidigare mönster. Medan den observerade förbättringen i aktiviteterna tillskrivs en ansträngd gitter, rapporterar författarna att deras resultat på nedbrytningskinetiken fastställer att den förlängda katalytiska hållbarheten kan hänföras till en hållbar atomordning.
Reducing poisoningEdit
det andra populära sättet att förbättra katalysatorns prestanda är att minska dess känslighet för föroreningar i bränslekällan, särskilt kolmonoxid (CO). För närvarande blir ren vätgas ekonomisk att massproducera genom elektrolys. För närvarande produceras vätgas genom ångreformering av lätta kolväten, en process som producerar en blandning av gaser som också innehåller CO (1-3%), CO2 (19-25%) och N2 (25%). Även tiotals delar per miljon CO kan förgifta en ren platinakatalysator, så att öka Platinas motståndskraft mot CO är ett aktivt forskningsområde.
till exempel rapporterade en studie att kubformade platina nanopartiklar med (100) fasetter visade en fyrfaldig ökning av syrereduktionsaktivitet jämfört med slumpmässigt fasetterade platina nanopartiklar av liknande storlek. Författarna drog slutsatsen att (111) fasetterna av de slumpmässigt formade nanopartiklarna binds starkare till sulfatjoner än (100) fasetterna, vilket minskar antalet katalytiska platser öppna för syremolekyler. Nanocubes som de syntetiserade hade däremot nästan uteslutande (100) fasetter, som är kända för att interagera med sulfat svagare. Som ett resultat var en större fraktion av ytarean hos dessa partiklar tillgänglig för reduktion av syre, vilket ökade katalysatorns syrereduktionsaktivitet.
dessutom har forskare undersökt sätt att minska CO-innehållet i vätebränsle innan det går in i en bränslecell som ett möjligt sätt att undvika förgiftning av katalysatorerna. En ny studie avslöjade att rutenium-platina kärnskal nanopartiklar är särskilt effektiva vid oxiderande CO för att bilda CO2, en mycket mindre skadlig bränsleförorening. Mekanismen som producerar denna effekt är konceptuellt lik den som beskrivs för Pt3Ni ovan: partikelns ruteniumkärna förändrar den elektroniska strukturen på platinaytan, vilket gör det bättre att katalysera oxidationen av CO.
Sänka costEdit
utmaningen för livskraften hos PEM-bränsleceller kvarstår idag i deras kostnad och stabilitet. Den höga kostnaden kan till stor del hänföras till användningen av ädelmetallen av platina i katalysatorskiktet av PEM-celler. Elektrokatalysatorn står för närvarande för nästan hälften av bränslecellsstackkostnaden. Även om Pt-laddningen av PEM-bränsleceller har minskat med två storleksordningar under det senaste decenniet, är ytterligare minskning nödvändig för att göra tekniken ekonomiskt genomförbar för kommersialisering. Medan vissa forskningsinsatser syftar till att ta itu med denna fråga genom att förbättra den elektrokatalytiska aktiviteten hos Pt-baserade katalysatorer, är ett alternativ att eliminera användningen av Pt helt och hållet genom att utveckla en icke-platina-gruppmetall (icke-PGM) katodkatalysator vars prestanda konkurrerar med Pt-baserad teknik. USA. Institutionen för energi har satt milstolpar för utveckling av bränsleceller, med inriktning på en hållbarhet på 5000 timmar och en icke-PGM−katalysator Orr volymetrisk aktivitet på 300 A cm-3.
lovande alternativ till Pt – baserade katalysatorer är metall / kväve/Kolkatalysatorer (m/N / C-katalysatorer). För att uppnå hög effekttäthet eller uteffekt över cellens yta måste en volymetrisk aktivitet på minst 1/10 av Pt-baserade katalysatorer uppfyllas, tillsammans med goda masstransportegenskaper. Medan M/N / C-katalysatorer fortfarande visar sämre volymetriska aktiviteter än Pt-baserade katalysatorer, möjliggör de minskade kostnaderna för sådana katalysatorer större belastning för att kompensera. Att öka belastningen av M/N / C-katalysatorer gör emellertid också det katalytiska skiktet tjockare, vilket försämrar dess masstransportegenskaper. Med andra ord har H2, O2, protoner och elektroner större svårigheter att migrera genom det katalytiska skiktet, vilket minskar cellens spänningsutgång. Medan hög mikroporositet hos det katalytiska nätverket m/N / C resulterar i hög volymetrisk aktivitet, är förbättrade masstransportegenskaper istället associerade med nätets makroporositet. Dessa m/N / c-material syntetiseras med hjälp av högtemperaturpyrolys och andra högtemperaturbehandlingar av prekursorer som innehåller metallen, kväve och kol.
nyligen har forskare utvecklat en Fe / n / c-katalysator härledd från järn (II) acetat (FeAc), fenantrolin (Phen) och en metallorganisk ram (MOF) värd. MOF är en zn (II) zeolitisk imidazolatram (ZIF) kallad ZIF-8, som visar en hög mikroporös yta och hög kvävehalt som bidrar till ORR-aktivitet. Effekttätheten för FeAc / Phen/ZIF-8-katalysatorn befanns vara 0,75 W cm−2 vid 0,6 V. Detta värde är en signifikant förbättring jämfört med den maximala 0,37 w cm−2 effekttätheten för tidigare M/N / C-katalysatorer och är mycket närmare att matcha det typiska värdet på 1,0–1,2 W cm−2 för Pt-baserade katalysatorer med en Pt−belastning på 0,3 mg cm-2. Katalysatorn visade också en volymetrisk aktivitet på 230 a * cm−3, Det högsta värdet för icke-PGM-katalysatorer hittills, närmar sig US Department of Energy milestone.
medan effekttätheten uppnås genom den nya FeAc / Phen / ZIF-8-katalysator är lovande, dess hållbarhet förblir otillräcklig för kommersiell tillämpning. Det rapporteras att den bästa hållbarheten som uppvisats av denna katalysator fortfarande hade en 15% minskning av strömtätheten över 100 timmar i H2/luft. Därför medan de Fe-baserade icke-PGM-katalysatorerna konkurrerar med Pt-baserade katalysatorer i deras elektrokatalytiska aktivitet, finns det fortfarande mycket arbete att göra för att förstå deras nedbrytningsmekanismer och förbättra deras hållbarhet.
