stringtranslate.com

Топливный элемент с протонообменной мембраной

Схема топливного элемента PEM

Топливные элементы с протонообменной мембраной ( PEMFC ), также известные как топливные элементы с полимерной электролитной мембраной (PEM), представляют собой тип топливных элементов, разрабатываемых в основном для транспортных приложений, а также для стационарных и портативных топливных элементов . Их отличительными особенностями являются более низкие диапазоны температур/давлений (от 50 до 100 °C) и специальная протонпроводящая полимерная электролитная мембрана. PEMFC генерируют электроэнергию и работают по принципу, противоположному электролизу PEM , который потребляет электроэнергию. Они являются ведущим кандидатом на замену устаревшей технологии щелочных топливных элементов , которая использовалась в космическом челноке . [1]

Наука

PEMFC построены из мембранных электродных сборок (MEA), которые включают электроды, электролит, катализатор и слои диффузии газа. Чернила катализатора, углерода и электрода распыляются или рисуются на твердом электролите, а углеродная бумага подвергается горячему прессованию с обеих сторон для защиты внутренней части ячейки, а также действует как электроды. Основная часть ячейки — это тройная фазовая граница (TPB), где смешиваются электролит, катализатор и реагенты и, таким образом, где фактически происходят реакции ячейки. [2] Важно, что мембрана не должна быть электропроводящей, чтобы полуреакции не смешивались. Желательны рабочие температуры выше 100 °C [ требуется ссылка ], поэтому побочный продукт воды становится паром, а управление водой становится менее критичным при проектировании ячейки.

Реакции

Топливный элемент с протонообменной мембраной преобразует химическую энергию, высвобождаемую в ходе электрохимической реакции водорода и кислорода, в электрическую энергию , в отличие от прямого сжигания газообразного водорода и кислорода для производства тепловой энергии .

Поток водорода подается на анодную сторону МЭУ. На анодной стороне он каталитически расщепляется на протоны и электроны . Эта реакция окисления полуэлемента или реакция окисления водорода (HOR) представлена ​​следующим образом:

На аноде:

Вновь образованные протоны проникают через полимерную электролитную мембрану к катодной стороне. Электроны перемещаются по внешней цепи нагрузки к катодной стороне МЭУ, создавая, таким образом, выходной ток топливного элемента. Тем временем поток кислорода подается к катодной стороне МЭУ. На катодной стороне молекулы кислорода реагируют с протонами, проникающими через полимерную электролитную мембрану, и электронами, поступающими через внешнюю цепь, образуя молекулы воды. Эта реакция восстановления полуэлемента или реакция восстановления кислорода (ORR) представлена ​​следующим образом:

На катоде:

Общая реакция:

Обратимая реакция выражается в уравнении и показывает повторное включение протонов и электронов водорода вместе с молекулой кислорода и образование одной молекулы воды. Потенциалы в каждом случае даны относительно стандартного водородного электрода .

Полимерная электролитная мембрана

Микрофотография SEM поперечного сечения PEMFC MEA с недрагоценным металлическим катализатором-катодом и Pt/C-анодом. Для ясности использованы ложные цвета. [4]
Методы изготовления МЭА для PEMFC [4]

Для функционирования мембрана должна проводить ионы водорода (протоны), но не электроны, поскольку это фактически « закоротит » топливный элемент. Мембрана также не должна позволять ни одному из газов проходить на другую сторону элемента, проблема, известная как газовый кроссовер . [5] [6] Наконец, мембрана должна быть устойчива к восстановительной среде на катоде, а также к жесткой окислительной среде на аноде.

Расщепление молекулы водорода относительно легко осуществляется с использованием платинового катализатора. К сожалению, однако, расщепление молекулы кислорода более сложно, и это приводит к значительным потерям электроэнергии. Подходящий материал катализатора для этого процесса не был обнаружен, и платина является наилучшим вариантом.

Сильные стороны

1. Простая герметизация

PEMFC имеют тонкую полимерную мембрану в качестве электролита. Эта мембрана расположена между анодным и катодным катализаторами и позволяет прохождению протонов к катоду, ограничивая прохождение электронов. По сравнению с жидкими электролитами полимерная мембрана имеет гораздо меньшую вероятность утечки [2]. Протонообменная мембрана обычно изготавливается из таких материалов, как перфторсульфоновая кислота (PFSA, продается под торговыми марками Nafion и Aquivion), которые минимизируют переход газа и короткое замыкание топливного элемента. Недостатком фторсодержащих полимеров является тот факт, что во время производства (и утилизации) образуются продукты PFAS. PFAS, так называемые вечные химикаты, очень токсичны. Новые полимеры, такие как недавно запатентованный SPX3 (ПОЛИМЕРЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ПОВТОРЯЮЩИЕСЯ ЗВЕНЬЯ СУЛЬФОНИРОВАННОГО 2,6-ДИФЕНИЛ-1,4-ФЕНИЛЕНОКСИДА - US 11434329 B2), не содержат фтора и, следовательно, не несут в себе риска ПФАС. [7]

2. Низкая рабочая температура

В условиях экстремальных отрицательных температур вода, вырабатываемая топливными элементами, может замерзнуть в пористых слоях и каналах потока. Эта замерзшая вода может блокировать транспорт газа и топлива, а также покрывать места реакции катализатора, что приводит к потере выходной мощности и сбою запуска топливного элемента.

Однако низкая рабочая температура топливного элемента PEM позволяет ему достигать подходящей температуры с меньшим нагревом по сравнению с другими типами топливных элементов. При таком подходе было показано, что топливные элементы PEM способны к процессам холодного запуска от −20°C. [8]

3. Малая масса и высокая плотность мощности (транспортные применения)

Было показано, что топливные элементы PEM способны обеспечивать высокую плотность мощности до 39,7 кВт/кг по сравнению с 2,5 кВт/кг для твердооксидных топливных элементов. [9] В связи с такой высокой плотностью мощности проводится много исследований по потенциальному применению в транспорте, а также в носимых технологиях.

Слабые стороны

Топливные элементы на основе ПОМ по-прежнему имеют много проблем:

1. Управление водными ресурсами

Управление водой имеет решающее значение для производительности: если вода испаряется слишком медленно, она затопит мембрану, а накопление воды внутри пластины потока поля будет препятствовать потоку кислорода в топливный элемент, но если вода испаряется слишком быстро, мембрана высохнет, и сопротивление на ней увеличится. Оба случая приведут к ухудшению стабильности и выходной мощности. Управление водой является очень сложной темой в системах PEM, в первую очередь потому, что вода в мембране притягивается к катоду элемента через поляризацию. [10]

Существует широкий спектр решений для управления водой, включая интеграцию электроосмотического насоса .

Другим инновационным методом решения проблемы рециркуляции воды является конструкция поля потока трехмерной мелкой сетки, используемая в Toyota Mirai, 2014. Обычная конструкция стека FC рециркулирует воду от воздуховыпускного отверстия к воздуховыпускному отверстию через увлажнитель с прямым каналом и полями потока пористого металла [54] . Поле потока представляет собой структуру, состоящую из ребра и каналов. Однако ребро частично покрывает слой диффузии газа (GDL), и результирующее расстояние транспортировки газа больше, чем расстояние между каналами. Кроме того, контактное давление между GDL и ребром также сжимает GDL, делая его толщину неравномерной по ребру и каналу [55] . Большая ширина и неравномерная толщина ребра увеличивают потенциал для накопления водяного пара, а кислород будет скомпрометирован. В результате кислород будет затруднен для диффузии в слой катализатора, что приведет к неравномерной выработке энергии в FC.

Эта новая конструкция позволила первому стеку FC функционировать без системы увлажнения, в то же время преодолевая проблемы рециркуляции воды и достигая высокой стабильности выходной мощности [54] . Трехмерная микрорешетка обеспечивает больше путей для потока газа; поэтому она способствует потоку воздуха к мембранному электроду и сборке слоя диффузии газа (MEGA) и способствует диффузии O2 в слой катализатора. В отличие от обычных полей потока, трехмерные микрорешетки в сложном поле действуют как перегородки и вызывают частый микромасштабный интерфейсный поток между GDL и полями потока [53] . Благодаря этому повторяющемуся микромасштабному конвективному потоку перенос кислорода к слою катализатора (CL) и удаление жидкой воды из GDL значительно улучшаются. Образующаяся вода быстро вытягивается через поле потока, предотвращая накопление в порах. В результате генерация энергии из этого поля потока равномерна по всему поперечному сечению, и обеспечивается самоувлажнение.

2. Уязвимость катализатора

Платиновый катализатор на мембране легко отравляется оксидом углерода, который часто присутствует в газообразных продуктах, образующихся при риформинге метана (обычно приемлемо не более одной части на миллион). Это обычно требует использования реакции конверсии водяного газа для устранения CO из газообразных продуктов и образования большего количества водорода. [11] Кроме того, мембрана чувствительна к присутствию ионов металлов, которые могут нарушить механизмы протонной проводимости и могут быть введены в результате коррозии металлических биполярных пластин, металлических компонентов в системе топливных элементов или из загрязняющих веществ в топливе/окислителе.

Были предложены системы PEM, использующие реформированный метанол , как в Daimler Chrysler Necar 5; реформирование метанола, т. е. его реакция с получением водорода, однако, является очень сложным процессом, который также требует очистки от оксида углерода, образующегося в результате реакции. Необходим платино- рутениевый катализатор, поскольку некоторое количество оксида углерода неизбежно достигнет мембраны. Уровень не должен превышать 10 частей на миллион . Кроме того, время запуска такого реактора-реформера составляет около получаса. В качестве альтернативы метанол и некоторые другие виды биотоплива могут подаваться в топливный элемент PEM напрямую без реформирования, таким образом создавая топливный элемент прямого метанола ( DMFC ). Эти устройства работают с ограниченным успехом.

3. Ограничение рабочей температуры

Наиболее часто используемая мембрана — Nafion от Chemours , которая использует увлажнение мембраны жидкой водой для транспортировки протонов. Это означает, что нецелесообразно использовать температуры выше 80–90 °C, так как мембрана высохнет. Другие, более современные типы мембран, основанные на полибензимидазоле (PBI) или фосфорной кислоте , могут достигать температуры до 220 °C без использования какого-либо управления водой (см. также Высокотемпературный топливный элемент с протонообменной мембраной , HT-PEMFC): более высокая температура обеспечивает лучшую эффективность, плотность мощности, простоту охлаждения (из-за большей допустимой разницы температур), пониженную чувствительность к отравлению угарным газом и лучшую управляемость (из-за отсутствия проблем управления водой в мембране); однако эти последние типы не так распространены. [12] PBI можно легировать фосфорной или серной кислотой , а проводимость масштабируется в зависимости от количества легирования и температуры. [13] При высоких температурах трудно поддерживать Nafion гидратированным, но этот легированный кислотой материал не использует воду в качестве среды для протонной проводимости. Он также демонстрирует лучшие механические свойства, более высокую прочность, чем Nafion, и дешевле. Однако выщелачивание кислотой является значительной проблемой, а обработка, смешивание с катализатором для образования чернил, оказалась сложной. Ароматические полимеры, такие как PEEK, намного дешевле, чем тефлон ( PTFE и основа Nafion), и их полярный характер приводит к гидратации, которая меньше зависит от температуры, чем Nafion. Однако PEEK гораздо менее ионопроводящий, чем Nafion, и, таким образом, является менее благоприятным выбором электролита. [14] Недавно было показано, что протонные ионные жидкости и протонные органические ионные пластиковые кристаллы являются перспективными альтернативными электролитными материалами для высокотемпературных (100–200 °C) PEMFC. [15] [16] [17]

Электроды

Электрод обычно состоит из углеродной подложки, частиц Pt, иономера Nafion и/или связующего вещества Teflon. Углеродная подложка выполняет функцию электрического проводника; частицы Pt являются реакционными участками; иономер обеспечивает пути для протонной проводимости, а связующее вещество Teflon увеличивает гидрофобность электрода, чтобы минимизировать потенциальное затопление. Для того чтобы обеспечить электрохимические реакции на электродах, протоны, электроны и реагирующие газы (водород или кислород) должны получить доступ к поверхности катализатора в электродах, в то время как полученная вода, которая может находиться как в жидкой, так и в газообразной фазе, или в обеих фазах, должна иметь возможность проникать из катализатора в газовый выход. Эти свойства обычно реализуются пористыми композитами из полимерного электролитного связующего вещества (иономера) и наночастиц катализатора, нанесенных на углеродные частицы. [18] Обычно платина используется в качестве катализатора для электрохимических реакций на аноде и катоде, в то время как наночастицы реализуют высокие отношения поверхности к весу (как описано ниже), уменьшая количество дорогостоящей платины. Полимерное электролитное связующее обеспечивает ионную проводимость, в то время как углеродная подложка катализатора улучшает электропроводность и обеспечивает низкую загрузку платинового металла. [19] Электропроводность в композитных электродах обычно более чем в 40 раз выше протонной проводимости. [20]

Газодиффузионный слой

GDL электрически соединяет катализатор и токосъемник. Он должен быть пористым, электропроводящим и тонким. Реагенты должны иметь возможность достигать катализатора, но проводимость и пористость могут действовать как противодействующие силы. Оптимально, GDL должен состоять примерно из одной трети Nafion или 15% PTFE. Углеродные частицы, используемые в GDL, могут быть больше, чем те, которые используются в катализаторе, поскольку площадь поверхности не является самой важной переменной в этом слое. GDL должен быть толщиной около 15–35 мкм, чтобы сбалансировать необходимую пористость с механической прочностью. [21] Часто между GDL и слоем катализатора добавляют промежуточный пористый слой, чтобы облегчить переходы между большими порами в GDL и малой пористостью в слое катализатора. Поскольку основная функция GDL заключается в том, чтобы помочь удалить воду, продукт, может произойти затопление, когда вода эффективно блокирует GDL. Это ограничивает способность реагентов получать доступ к катализатору и значительно снижает производительность. Тефлон может быть нанесен на GDL, чтобы ограничить возможность затопления. [14] Несколько микроскопических переменных анализируются в GDLS, такие как: пористость, извилистость и проницаемость. Эти переменные имеют влияние на поведение топливных элементов. [22]

Эффективность

Максимальная теоретическая эффективность, применяемая к уравнению свободной энергии Гиббса ΔG = −237,13 кДж/моль и использующая теплотворную способность водорода (ΔH = −285,84 кДж/моль), составляет 83% при 298 К. [ необходима ссылка ]

Практическая эффективность PEM находится в диапазоне 50–60%. [ необходима ссылка ] Основными факторами, которые создают потери, являются:

Биполярные пластины

Внешние электроды, часто называемые биполярными пластинами или задними пластинами, служат для равномерного распределения топлива и кислорода к катализаторам, для удаления воды, для сбора и передачи электрического тока. Таким образом, они должны находиться в тесном контакте с катализатором. Поскольку пластины контактируют как со слоями PEM, так и со слоями катализатора, задняя пластина должна быть структурно прочной и устойчивой к утечкам в случае структурного отказа из-за вибрации топливного элемента и температурного цикла. Поскольку топливные элементы работают в широком диапазоне температур и в сильно восстановительных/окислительных средах, пластины должны иметь высокие поверхностные допуски в широком диапазоне температур и должны быть химически стабильными. Поскольку задняя пластина составляет более трех четвертей массы топливного элемента, материал также должен быть легким, чтобы максимизировать плотность энергии.

Материалы, которые соответствуют всем этим требованиям, часто очень дороги. Золото, как было показано, хорошо соответствует этим критериям, но используется только для небольших объемов производства из-за его высокой стоимости. Нитрид титана (TiN) — более дешевый материал, который используется в задних пластинах топливных элементов из-за его высокой химической стабильности, электропроводности и коррозионной стойкости. Однако дефекты в покрытии TiN могут легко привести к коррозии основного материала, чаще всего стали. [23]

Для выполнения своей основной функции распределения газа и топлива эти пластины часто имеют прямые параллельные каналы по всей поверхности. Однако этот простой подход привел к таким проблемам, как неравномерное распределение давления, капли воды, блокирующие поток газа, и колебания выходной мощности. [24] Инновационные подходы, такие как вдохновленные природой фрактальные модели [25] и компьютерное моделирование [26], изучаются для оптимизации функции этих биполярных пластин.

Металлоорганические каркасы

Металлоорганические каркасы (MOF) представляют собой относительно новый класс пористых, высококристаллических материалов, которые состоят из металлических узлов, соединенных органическими линкерами. Благодаря простоте манипулирования или замены металлических центров и лигандов существует практически безграничное количество возможных комбинаций, что привлекательно с точки зрения дизайна. MOF демонстрируют множество уникальных свойств благодаря своим настраиваемым размерам пор, термической стабильности, большой объемной емкости, большой площади поверхности и желаемым электрохимическим характеристикам. Среди множества разнообразных применений MOF являются перспективными кандидатами для приложений чистой энергии, таких как хранение водорода, разделение газов, суперконденсаторы, литий-ионные батареи, солнечные элементы и топливные элементы. В области исследований топливных элементов MOF изучаются как потенциальные электролитные материалы и электродные катализаторы, которые когда-нибудь могут заменить традиционные полимерные мембраны и катализаторы Pt соответственно.

Включение MOF в качестве электролитных материалов на первый взгляд кажется нелогичным. Мембраны топливных элементов обычно имеют низкую пористость, чтобы предотвратить перетекание топлива и потерю напряжения между анодом и катодом. Кроме того, мембраны, как правило, имеют низкую кристалличность, поскольку перенос ионов более благоприятен в неупорядоченных материалах. С другой стороны, поры могут быть заполнены дополнительными ионными носителями, что в конечном итоге повышает ионную проводимость системы, а высокая кристалличность делает процесс проектирования менее сложным.

Общие требования к хорошему электролиту для PEMFC: высокая протонная проводимость (>10−2 См /см для практического применения) для обеспечения переноса протонов между электродами, хорошая химическая и термическая стабильность в условиях эксплуатации топливного элемента (влажность окружающей среды, переменные температуры, устойчивость к ядовитым веществам и т. д.), низкая стоимость, возможность переработки в тонкие пленки и общая совместимость с другими компонентами элемента. [27] Хотя полимерные материалы в настоящее время являются предпочтительным выбором протонпроводящей мембраны, они требуют увлажнения для адекватной производительности и иногда могут физически разрушаться из-за эффектов гидратации, тем самым вызывая потерю эффективности. Как уже упоминалось, Nafion также ограничен температурой дегидратации < 100 °C, что может привести к более медленной кинетике реакции, низкой экономической эффективности и отравлению катализаторов электрода Pt CO. Напротив, MOF показали обнадеживающую протонную проводимость как в режимах низких, так и высоких температур, а также в широком диапазоне условий влажности. Ниже 100 °C и в условиях гидратации наличие водородных связей и молекул растворяющей воды способствует переносу протонов, тогда как безводные условия подходят для температур выше 100 °C. MOF также имеют явное преимущество, проявляя протонную проводимость самого каркаса в дополнение к включению носителей заряда (т. е. воды, кислот и т. д.) в их поры.

Примером низкой температуры является работа Китагавы и др., которые использовали двумерный каркас анионных слоев с оксалатными мостиками в качестве хозяина и ввели катионы аммония и молекулы адипиновой кислоты в поры для увеличения концентрации протонов. [28] Результатом стал один из первых случаев, когда MOF демонстрировал «суперпротонную» проводимость (8 × 10−3 См /см) при 25 °C и относительной влажности (RH) 98%. Позже они обнаружили, что увеличение гидрофильности катионов, введенных в поры, может еще больше повысить протонную проводимость. В этом низкотемпературном режиме, который зависит от степени гидратации, также было показано, что протонная проводимость сильно зависит от уровней влажности.

Высокотемпературным безводным примером является PCMOF2, который состоит из ионов натрия, координированных с трисульфированным производным бензола. [29] Для улучшения производительности и обеспечения более высоких рабочих температур вода может быть заменена в качестве переносчика протонов менее летучими молекулами имидазола или триазола внутри пор. Максимальная достигнутая температура составила 150 °C с оптимальной проводимостью 5 × 10−4 См /см, что ниже, чем у других современных электролитных мембран. Однако эта модель обещает свой температурный режим, безводные условия и способность контролировать количество гостевых молекул внутри пор, все из которых допускают настраиваемость протонной проводимости. Кроме того, загруженный триазолом PCMOF2 был включен в сборку мембраны-электрода H2 / воздуха и достиг напряжения разомкнутой цепи 1,18 В при 100 °C, которое было стабильным в течение 72 часов и оставалось газонепроницаемым на протяжении всего испытания. Это был первый случай, доказавший, что MOF действительно могут быть внедрены в функционирующие топливные элементы, а умеренная разность потенциалов показала, что кроссовер топлива из-за пористости не является проблемой.

На сегодняшний день самая высокая протонная проводимость, достигнутая для электролита MOF, составляет 4,2 × 10−2 См /см при 25 °C во влажных условиях (98% RH), что является конкурентоспособным показателем для Nafion. [27] Некоторые недавние эксперименты даже успешно производили тонкопленочные мембраны MOF вместо традиционных объемных образцов или монокристаллов, что имеет решающее значение для их промышленного применения. Как только MOF смогут последовательно достигать достаточных уровней проводимости, механической прочности, водостойкости и простоты обработки, они смогут играть важную роль в PEMFC в ближайшем будущем.

MOF также рассматривались как потенциальные заменители материалов платиновой группы (PGM) для электродных катализаторов, хотя это исследование все еще находится на ранних стадиях разработки. В PEMFC реакция восстановления кислорода (ORR) на Pt-катоде значительно медленнее, чем реакция окисления топлива на аноде, и, таким образом, в качестве альтернатив исследуются катализаторы без PGM и без металлов. Высокая объемная плотность, большая площадь поверхности пор и открытость участков ионов металла в MOF делают их идеальными кандидатами на роль прекурсоров катализаторов. [30] Несмотря на многообещающие каталитические способности, долговечность этих предлагаемых катализаторов на основе MOF в настоящее время ниже желаемой, и механизм ORR в этом контексте все еще не полностью изучен.

Исследование катализаторов

Большую часть современных исследований катализаторов для топливных элементов на основе ПОМ можно классифицировать как имеющие одну из следующих основных целей:

  1. для получения более высокой каталитической активности, чем стандартные катализаторы на основе платиновых частиц на углеродном носителе, используемые в современных топливных элементах PEM
  2. для уменьшения отравления катализаторов топливных элементов PEM примесными газами
  3. снизить стоимость топливного элемента за счет использования катализаторов на основе платины
  4. для повышения активности ORR электрокатализаторов, не содержащих металлов платиновой группы [31]

Примеры таких подходов приведены в следующих разделах.

Повышение каталитической активности

Как упоминалось выше, платина является наиболее эффективным элементом, используемым для катализаторов топливных элементов PEM, и почти все современные топливные элементы PEM используют частицы платины на пористых углеродных носителях для катализа как окисления водорода, так и восстановления кислорода. Однако из-за их высокой стоимости современные катализаторы Pt/C нецелесообразны для коммерциализации. Министерство энергетики США оценивает, что катализаторы на основе платины должны будут использовать примерно в четыре раза меньше платины, чем используется в современных конструкциях топливных элементов PEM, чтобы представлять собой реалистичную альтернативу двигателям внутреннего сгорания . [32] Следовательно, одной из основных целей разработки катализаторов для топливных элементов PEM является увеличение каталитической активности платины в четыре раза, чтобы для достижения аналогичной производительности требовалось всего лишь четверть драгоценного металла.

Одним из методов повышения производительности платиновых катализаторов является оптимизация размера и формы платиновых частиц. Уменьшение размера частиц само по себе увеличивает общую площадь поверхности катализатора, доступную для участия в реакциях на объем использованной платины, но недавние исследования продемонстрировали дополнительные способы дальнейшего улучшения каталитических характеристик. Например, в одном исследовании сообщается, что высокоиндексные грани платиновых наночастиц (то есть индексы Миллера с большими целыми числами, такими как Pt (730)) обеспечивают большую плотность реакционноспособных участков для восстановления кислорода, чем типичные платиновые наночастицы. [33]

Поскольку наиболее распространенный и эффективный катализатор, платина, чрезвычайно дорог, необходима альтернативная обработка для максимизации площади поверхности и минимизации нагрузки. Нанесение наноразмерных частиц Pt на углеродный порошок (Pt/C) обеспечивает большую площадь поверхности Pt, в то время как углерод обеспечивает электрическое соединение между катализатором и остальной частью ячейки. Платина настолько эффективна, потому что она обладает высокой активностью и связывается с водородом достаточно прочно, чтобы облегчить перенос электронов, но не препятствовать водороду продолжать движение по ячейке. Однако платина менее активна в реакции восстановления кислорода на катоде. Это требует использования большего количества платины, что увеличивает стоимость ячейки и, следовательно, ее осуществимость. Многие потенциальные варианты катализаторов исключаются из-за чрезвычайной кислотности ячейки. [14]

Наиболее эффективными способами получения наноразмерного Pt на углеродном порошке, что в настоящее время является наилучшим вариантом, являются вакуумное осаждение, распыление и электроосаждение. Частицы платины осаждаются на углеродную бумагу, пропитанную ПТФЭ. Однако существует оптимальная толщина этого слоя катализатора, которая ограничивает нижний предел стоимости. Ниже 4 нм Pt будет образовывать островки на бумаге, ограничивая ее активность. Выше этой толщины Pt будет покрывать углерод и станет эффективным катализатором. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, Nafion не может быть пропитан более чем на 10 мкм, поэтому использование большего количества Pt, чем это, является ненужными расходами. Таким образом, количество и форма катализатора ограничены ограничениями других материалов. [21]

Вторым методом повышения каталитической активности платины является ее сплавление с другими металлами. Например, недавно было показано, что поверхность Pt 3 Ni(111) имеет более высокую активность восстановления кислорода, чем чистая Pt(111) в десять раз. [34] Авторы связывают это резкое увеличение производительности с модификациями электронной структуры поверхности, снижающими ее тенденцию к связыванию с ионными видами, содержащими кислород, присутствующими в топливных элементах PEM, и, следовательно, увеличивающими количество доступных участков для адсорбции и восстановления кислорода.

Дальнейшая эффективность может быть достигнута с помощью ультразвуковой форсунки для нанесения платинового катализатора на слой электролита или на углеродную бумагу в атмосферных условиях, что приводит к высокоэффективному распылению. [35] Исследования показали, что из-за однородного размера капель, создаваемых этим типом распыления, из-за высокой эффективности переноса технологии, из-за незасоряющейся природы форсунки и, наконец, из-за того, что ультразвуковая энергия деагломерирует суспензию непосредственно перед распылением, топливные элементы MEA, изготовленные таким образом, имеют большую однородность в конечном MEA, а поток газа через ячейку более равномерный, что максимизирует эффективность платины в MEA. [36] Недавние исследования с использованием струйной печати для нанесения катализатора на мембрану также показали высокое использование катализатора из-за уменьшенной толщины нанесенных слоев катализатора. [37] [38]

Совсем недавно был представлен новый класс электрокатализаторов ORR в случае систем Pt-M (M-Fe [39] и Co) с упорядоченным интерметаллическим ядром, инкапсулированным в богатую платиной оболочку. [40] Было обнаружено, что эти интерметаллические нанокатализаторы с ядром и оболочкой (IMCS) демонстрируют повышенную активность и, что наиболее важно, увеличенную долговечность по сравнению со многими предыдущими разработками. Хотя наблюдаемое повышение активности приписывается напряженной решетке, авторы сообщают, что их выводы по кинетике деградации устанавливают, что увеличенная каталитическая долговечность объясняется устойчивым атомным порядком.

Уменьшение отравления

Другим популярным подходом к улучшению производительности катализатора является снижение его чувствительности к примесям в источнике топлива, особенно к оксиду углерода (CO). [11] В настоящее время чистый водородный газ становится экономичным для массового производства путем электролиза . Однако в настоящее время большая часть водорода производится путем паровой конверсии легких углеводородов , процесса, который производит смесь газов, которая также содержит CO (1–3%), CO2 ( 19–25%) и N2 ( 25%). [41] Даже десятки частей на миллион CO могут отравить чистый платиновый катализатор, поэтому увеличение устойчивости платины к CO является активной областью исследований.

Например, в одном исследовании сообщалось, что кубические наночастицы платины с гранями (100) показали четырехкратное увеличение активности восстановления кислорода по сравнению со случайно ограненными наночастицами платины аналогичного размера. [42] Авторы пришли к выводу, что грани (111) наночастиц случайной формы сильнее связаны с сульфат -ионами, чем грани (100), что уменьшает количество каталитических участков, открытых для молекул кислорода. Синтезированные ими нанокубы, напротив, имели почти исключительно грани (100), которые, как известно, взаимодействуют с сульфатом слабее. В результате большая часть площади поверхности этих частиц была доступна для восстановления кислорода, что повышало активность катализатора по восстановлению кислорода.

Кроме того, исследователи изучали способы снижения содержания CO в водородном топливе до его попадания в топливный элемент в качестве возможного способа избежать отравления катализаторов. Одно недавнее исследование показало, что наночастицы рутениево-платинового ядра-оболочки особенно эффективны при окислении CO с образованием CO2 , гораздо менее вредного загрязнителя топлива. [43] Механизм, который производит этот эффект, концептуально похож на описанный выше для Pt3Ni : рутениевое ядро ​​частицы изменяет электронную структуру поверхности платины, делая ее более способной катализировать окисление CO.

Снижение стоимости

Проблема жизнеспособности топливных элементов PEM сегодня по-прежнему заключается в их стоимости и стабильности. Высокая стоимость в значительной степени может быть связана с использованием драгоценного металла платины в каталитическом слое элементов PEM. В настоящее время электрокатализатор составляет почти половину стоимости батареи топливных элементов. [44] Хотя загрузка Pt в топливных элементах PEM была снижена на два порядка за последнее десятилетие, [45] необходимо дальнейшее снижение, чтобы сделать технологию экономически жизнеспособной для коммерциализации. В то время как некоторые исследовательские усилия направлены на решение этой проблемы путем улучшения электрокаталитической активности катализаторов на основе Pt, альтернативой является полное исключение использования Pt путем разработки катодного катализатора, не являющегося металлом платиновой группы (не PGM), производительность которого соперничает с производительностью технологий на основе Pt. Министерство энергетики США устанавливает вехи для разработки топливных элементов, ориентируясь на долговечность 5000 часов и объемную активность ORR катализатора, не являющегося PGM, 300 А см −3 . [46]

Перспективной альтернативой катализаторам на основе Pt являются катализаторы на основе металла/азота/углерода (M/N/C-катализаторы). Для достижения высокой плотности мощности или выхода мощности на единицу площади поверхности ячейки необходимо обеспечить объемную активность не менее 1/10 от активности катализаторов на основе Pt [44] наряду с хорошими свойствами массопереноса. Хотя катализаторы M/N/C по-прежнему демонстрируют более низкую объемную активность, чем катализаторы на основе Pt, снижение стоимости таких катализаторов позволяет компенсировать большую загрузку. Однако увеличение загрузки катализаторов M/N/C также делает каталитический слой толще, ухудшая его свойства массопереноса. Другими словами, H 2 , O 2 , протоны и электроны испытывают большие трудности при миграции через каталитический слой, что снижает выходное напряжение ячейки. В то время как высокая микропористость каталитической сети M/N/C приводит к высокой объемной активности, улучшенные свойства массопереноса вместо этого связаны с макропористостью сети. Эти материалы M/N/C синтезируются с использованием высокотемпературного пиролиза и других высокотемпературных обработок прекурсоров, содержащих металл, азот и углерод. [47]

Недавно исследователи разработали катализатор Fe/N/C, полученный из ацетата железа (II) (FeAc), фенантролина (Phen) и хозяина металл-органического каркаса (MOF). MOF представляет собой каркас имидазолата цеолита Zn(II) (ZIF), называемый ZIF-8, который демонстрирует высокую микропористую площадь поверхности и высокое содержание азота, способствующее активности ORR. [44] Было обнаружено, что плотность мощности катализатора FeAc/Phen/ZIF-8 составляет 0,75 Вт см −2 при 0,6 В. Это значение является значительным улучшением по сравнению с максимальной плотностью мощности 0,37 Вт см −2 предыдущих катализаторов M/N/C и намного ближе к типичному значению 1,0–1,2 Вт см −2 для катализаторов на основе Pt с загрузкой Pt 0,3 мг см −2 . Катализатор также продемонстрировал объемную активность 230 А·см −3 , самое высокое значение для катализаторов без МПГ на сегодняшний день [44] , приближаясь к рубежу Министерства энергетики США.

Хотя плотность мощности, достигнутая новым катализатором FeAc/Phen/ZIF-8, является многообещающей, его долговечность остается недостаточной для коммерческого применения. Сообщается, что лучшая долговечность, продемонстрированная этим катализатором, все еще имела 15%-ное падение плотности тока за 100 часов в H2 / воздухе. [44] Таким образом, хотя катализаторы на основе Fe без МПГ соперничают с катализаторами на основе Pt по своей электрокаталитической активности, еще многое предстоит сделать для понимания механизмов их деградации и повышения их долговечности. [48] [49]

Приложения

Основное применение топливных элементов PEM сосредоточено на транспорте, в первую очередь из-за их потенциального воздействия на окружающую среду, например, контроля выбросов парниковых газов (ПГ). Другие области применения включают распределенную/стационарную и портативную генерацию электроэнергии. Большинство крупных автомобильных компаний работают исключительно с топливными элементами PEM из-за их высокой плотности мощности и превосходных динамических характеристик по сравнению с другими типами топливных элементов. [50] Благодаря своему малому весу PEMFC лучше всего подходят для транспортных приложений. PEMFC для автобусов, которые используют сжатый водород в качестве топлива, могут работать с эффективностью до 40%. Обычно PEMFC внедряются в автобусы, а не в небольшие автомобили из-за доступного объема для размещения системы и хранения топлива. Технические проблемы для транспорта включают включение PEM в текущую технологию транспортных средств и обновление энергетических систем. Транспортные средства на полных топливных элементах невыгодны, если водород поступает из ископаемого топлива ; однако они становятся выгодными при внедрении в качестве гибридов. Существует потенциал для использования PEMFC для стационарной генерации электроэнергии, где они обеспечивают 5 кВт при эффективности 30%; Однако они конкурируют с другими типами топливных элементов, в основном SOFC и MCFC . В то время как PEMFC обычно требуют для работы водород высокой чистоты, другие типы топливных элементов могут работать на метане и, таким образом, являются более гибкими системами. Поэтому PEMFC лучше всего подходят для систем малого масштаба, пока не станет доступен экономически масштабируемый чистый водород. Кроме того, PEMFC могут заменить батареи для портативной электроники, хотя интеграция подачи водорода является технической проблемой, особенно без удобного места для его хранения внутри устройства. [51]

История

До изобретения топливных элементов PEM существующие типы топливных элементов, такие как твердооксидные топливные элементы, применялись только в экстремальных условиях. Такие топливные элементы также требовали очень дорогих материалов и могли использоваться только для стационарных применений из-за их размера. Эти проблемы были решены с помощью топливного элемента PEM. Топливный элемент PEM был изобретен в начале 1960-х годов Уиллардом Томасом Граббом и Леонардом Нидрахом из General Electric . [52] Первоначально для электролитов использовались сульфированные полистирольные мембраны, но в 1966 году их заменил иономер Nafion , который оказался лучше по производительности и долговечности, чем сульфированный полистирол.

Топливные элементы PEM использовались в серии космических аппаратов NASA Gemini , но были заменены щелочными топливными элементами в программе Apollo и в Space Shuttle . General Electric продолжила работу над элементами PEM и в середине 1970-х годов разработала технологию электролиза воды PEM для подводного жизнеобеспечения, что привело к созданию кислородной генераторной установки ВМС США. Британский Королевский флот принял эту технологию в начале 1980-х годов для своего подводного флота. В конце 1980-х и начале 1990-х годов Национальная лаборатория Лос-Аламоса и Техасский университет A&M экспериментировали со способами уменьшения количества платины, необходимого для элементов PEM. [53]

Параллельно с Pratt and Whitney Aircraft компания General Electric разработала первые топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) для космических миссий Gemini в начале 1960-х годов. Первой миссией, в которой использовались PEMFC, была Gemini V. Однако космические миссии Apollo и последующие миссии Apollo-Soyuz , Skylab и Space Shuttle использовали топливные элементы на основе конструкции Бэкона, разработанные Pratt and Whitney Aircraft.

Использовались чрезвычайно дорогие материалы, а топливные элементы требовали очень чистого водорода и кислорода. Ранние топливные элементы, как правило, требовали неудобно высоких рабочих температур, что было проблемой во многих приложениях. Однако топливные элементы считались желательными из-за большого количества доступного топлива (водорода и кислорода). [ необходима цитата ]

Несмотря на успех в космических программах, системы топливных элементов были ограничены космическими миссиями и другими специальными приложениями, где высокая стоимость могла быть терпима. Только в конце 1980-х и начале 1990-х годов топливные элементы стали реальным вариантом для более широкой базы приложений. Несколько основных инноваций, таких как низкая загрузка платинового катализатора и тонкопленочные электроды, снизили стоимость топливных элементов, сделав разработку систем PEMFC более реалистичной. [54] Однако ведутся серьезные споры о том, будут ли водородные топливные элементы реалистичной технологией для использования в автомобилях или других транспортных средствах . (См. водородная экономика .) Большая часть производства PEMFC предназначена для Toyota Mirai . Министерство энергетики США оценивает цену в 2016 году в 53 доллара за кВт при производстве 500 000 единиц в год. [55]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Loyselle, Patricia; Prokopius, Kevin (август 2011 г.). Teledyne Energy Systems, Inc., Proton Exchange Member (PEM) Fuel Cell Engineering Model Powerplant. Отчет об испытаниях: начальные контрольные испытания в исходной ориентации. Сервер технических отчетов NASA (отчет). hdl : 2060/20110014968 .
  2. ^ Миллингтон, Бен; Ду, Шанфэн; Поллет, Бруно Г. (2011). «Влияние материалов на производительность электрода топливного элемента с протонообменной мембраной». Журнал источников питания . 196 (21): 9013–017. Bibcode : 2011JPS...196.9013M. doi : 10.1016/j.jpowsour.2010.12.043.
  3. ^ Bratsch, Stephen G. (1989). "Стандартные электродные потенциалы и температурные коэффициенты в воде при 298,15 К". J. Phys. Chem. Ref. Data . 18 (1): 1–21. Bibcode : 1989JPCRD..18....1B. doi : 10.1063/1.555839. S2CID  97185915.
  4. ^ ab Yin, Xi; Lin, Ling; Chung, Hoon T; Komini Babu, Siddharth; Martinez, Ulises; Purdy, Geraldine M; Zelenay, Piotr (4 августа 2017 г.). «Влияние изготовления МЭА и состава иономера на производительность топливных элементов катализатора ORR без МПГ». ECS Transactions . 77 (11): 1273–1281. Bibcode :2017ECSTr..77k1273Y. doi :10.1149/07711.1273ecst. OSTI  1463547.
  5. ^ Шаленбах, Максимилиан; Хёфнер, Тобиас; Пациок, Пол; Кармо, Марсело; Люке, Вибке; Столтен, Детлеф (2015-10-28). «Проницаемость газа через нафион. Часть 1: Измерения». Журнал физической химии C. 119 ( 45): 25145–25155. doi :10.1021/acs.jpcc.5b04155.
  6. ^ Шаленбах, Максимилиан; Хё, Майкл А.; Гостик, Джефф Т.; Люке, Вибке; Столтен, Детлеф (2015-10-14). «Проникновение газа через нафион. Часть 2: Модель сети резисторов». Журнал физической химии C. 119 ( 45): 25156–25169. doi :10.1021/acs.jpcc.5b04157.
  7. ^ Дауд, WRW; Росли, Р.Э.; Маджлан, Э.Х.; Хамид, САА; Мохамед, Р.; Хусайни, Т. (01 декабря 2017 г.). «Управление системой топливных элементов PEM: обзор». Возобновляемая энергия . 113 : 620–638. doi :10.1016/j.renene.2017.06.027. ISSN  0960-1481.
  8. ^ Ло, Юэци; Цзяо, Куй (2018-01-01). «Холодный старт топливного элемента с протонообменной мембраной». Прогресс в области энергетики и горения . 64 : 29–61. doi :10.1016/j.pecs.2017.10.003. ISSN  0360-1285.
  9. ^ "Твердооксидный топливный элемент высокой плотности мощности | Портал T2". technology.nasa.gov . Получено 22.11.2022 .
  10. ^ Ван, И.; Чен, К. С. (2013). Топливные элементы PEM: основы управления температурой и водой . Momentum Press.
  11. ^ ab Coletta, Vitor C., et al. «Модифицированные Cu перовскиты SrTiO3 для улучшенного катализа конверсии воды в газ: комбинированное экспериментальное и вычислительное исследование». ACS Applied Energy Materials (2021), 4, 1, 452–461
  12. ^ Ли, Дж. С. и др. (2006). «Полимерные электролитные мембраны для топливных элементов» (PDF) . Журнал промышленной и инженерной химии . 12 : 175–183. doi :10.1021/ie050498j.
  13. ^ Уэйнрайт, Дж. С. (1995). «Кислотно-легированные полибензимидазолы: новый полимерный электролит». Журнал Электрохимического общества . 142 (7): L121. Bibcode : 1995JElS..142L.121W. doi : 10.1149/1.2044337.
  14. ^ abc [O'Hayre, Ryan P. Fuel Cell Fundamentals. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2006. Печать.].
  15. ^ Цзяншуй Ло; Цзинь Ху; Вольфганг Саак; Рюдигер Бекхаус; Гюнтер Виттсток; Иво Ф. Дж. Ванкелеком; Карстен Агерт; Олаф Конрад (2011). «Протонная ионная жидкость и ионные расплавы, полученные из метансульфоновой кислоты и 1H-1,2,4-триазола в качестве высокотемпературных электролитов PEMFC». Журнал химии материалов . 21 (28): 10426–10436. doi :10.1039/C0JM04306K.
  16. ^ Цзяншуй Ло; Аннеметт Х. Йенсен; Нил Р. Брукс; Йерун Сникерс; Мартин Книппер; Дэвид Айли; Цинфэн Ли; Брэм Ванрой; Михаэль Вюббенхорст; Фэн Янь; Люк Ван Мирвельт; Чжиган Шао; Цзяньхуа Фан; Чжэн-Хун Ло; Дирк Э. Де Вос; Коэн Биннеманс; Ян Франсаер (2015). «1,2,4-Триазолий перфторбутансульфонат как архетипический чистый протонный органический ионный пластиковый кристаллический электролит для полностью твердотельных топливных элементов». Энергетика и наука об окружающей среде . 8 (4): 1276–1291. doi :10.1039/C4EE02280G. S2CID  84176511.
  17. ^ Цзяншуй Ло; Олаф Конрад и Иво Ф. Дж. Ванкелеком (2013). «Метансульфонат имидазолия как высокотемпературный протонный проводник». Журнал химии материалов A. 1 ( 6): 2238–2247. doi :10.1039/C2TA00713D.
  18. ^ Литстер, С.; Маклин, Г. (2004-05-03). "PEM топливные элементы электроды". Журнал источников питания . 130 (1–2): 61–76. Bibcode : 2004JPS...130...61L. doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.12.055.
  19. ^ Gasteiger, HA; Panels, JE; Yan, SG (2004-03-10). "Зависимость производительности топливных элементов PEM от загрузки катализатора". Journal of Power Sources . Eighth Ulmer Electrochemische Tage. 127 (1–2): 162–171. Bibcode : 2004JPS...127..162G. doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.09.013.
  20. ^ Шаленбах, Максимилиан; Цилльгитт, Марсель; Майер, Вибке; Столтен, Детлеф (29.07.2015). «Паразитные токи, вызванные различной ионной и электронной проводимостью в анодах топливных элементов». ACS Applied Materials & Interfaces . 7 (29): 15746–15751. doi :10.1021/acsami.5b02182. ISSN  1944-8244. PMID  26154401.
  21. ^ ab Litster, S.; Mclean, G. (2004). "PEM Fuel Cell Electrodes". Journal of Power Sources . 130 (1–2): 61–76. Bibcode : 2004JPS...130...61L. doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.12.055.
  22. ^ Эспиноза, Майкен (2015). «Влияние сжатия на пористость, извилистость газовой фазы и газопроницаемость в моделируемом слое диффузии газа PEM». Международный журнал энергетических исследований . 39 (11): 1528–1536. doi : 10.1002/er.3348 . S2CID  93173199.
  23. ^ Ли, Моучэн; Ло, Сучжэнь; Цзэн, Чаолиу; Шэнь, Цзянянь; Линь, Хайчао; Цао, Чу'нань (2004-06-01). "Коррозионное поведение нержавеющей стали типа 316 с покрытием TiN в моделируемых средах PEMFC". Corrosion Science . 46 (6): 1369–1380. doi :10.1016/S0010-938X(03)00187-2. ISSN  0010-938X.
  24. ^ Вишняков, В.М. (2006-08-03). "Протонообменные мембранные топливные элементы". Вакуум . Мировой энергетический кризис: некоторые решения на основе вакуума. 80 (10): 1053–1065. Bibcode :2006Vacuu..80.1053V. doi :10.1016/j.vacuum.2006.03.029. ISSN  0042-207X.
  25. ^ Tüber, K.; Oedegaard, A.; Hermann, M.; Hebling, C. (2004-05-14). "Исследование фрактальных полей потока в портативной протонообменной мембране и прямых метанольных топливных элементах". Journal of Power Sources . Избранные доклады, представленные на Восьмом симпозиуме по топливным элементам Grove. 131 (1): 175–181. Bibcode :2004JPS...131..175T. doi :10.1016/j.jpowsour.2003.11.078. ISSN  0378-7753.
  26. ^ Датта, Сандип; Шимпали, Сириватч; Ван Зи, Дж. В. (2001-06-01). «Численное прогнозирование массообмена между катодными и анодными каналами в топливном элементе с полимерной мембраной». Международный журнал по тепло- и массообмену . 44 (11): 2029–2042. doi :10.1016/S0017-9310(00)00257-X. ISSN  0017-9310.
  27. ^ ab Ramaswamy, Padmini; Wong, Norman E.; Shimizu, George KH (2014). «MOF как протонные проводники – проблемы и возможности». Chem. Soc. Rev. 43 ( 16): 5913–5932. doi :10.1039/c4cs00093e. PMID  24733639.
  28. ^ Ли, Шунь-Ли; Сюй, Цян (2013). «Металлоорганические каркасы как платформы для чистой энергии». Энергия и наука об окружающей среде . 6 (6): 1656. doi :10.1039/c3ee40507a.
  29. ^ Китагава, Хироши (2009). «Металлоорганические каркасы: транспортировка в топливные элементы». Nature Chemistry . 1 (9): 689–690. Bibcode : 2009NatCh...1..689K. doi : 10.1038/nchem.454. PMID  21124353.
  30. ^ Люкс, Лейси; Уильямс, Киа; Ма, Шэнцянь (2015). «Термообработка металлоорганических каркасов для применения в зеленой энергетике». CrystEngComm . 17 (1): 10–22. doi :10.1039/c4ce01499e.
  31. ^ "Департамент энергетики объявляет о выделении 39 миллионов долларов на исследования и разработки инновационных технологий водорода и топливных элементов". Архивировано из оригинала 2018-06-15.
  32. ^ Программа многолетних исследований, разработок и демонстрационных проектов по водороду, топливным элементам и инфраструктурным технологиям. Архивировано 24 сентября 2015 г. в Wayback Machine , Министерство энергетики США, октябрь 2007 г.
  33. ^ N. Tian; Z.-Y. Zhou; S.-G. Sun; Y. Ding; ZL Wang (2007). «Синтез тетрагексаэдрических платиновых нанокристаллов с высокоиндексными гранями и высокой электроокислительной активностью». Science . 316 (5825): 732–735. Bibcode :2007Sci...316..732T. doi :10.1126/science.1140484. PMID  17478717. S2CID  939992.
  34. ^ VR Stamenkovic; B. Fowler; BS Mun; G. Wang; PN Ross; CA Lucas; NM Marković (2007). «Улучшенная кислородовосстановительная активность на Pt3Ni(111) с помощью повышенной доступности поверхностного сайта». Science . 315 (5811): 493–497. Bibcode :2007Sci...315..493S. doi : 10.1126/science.1135941 . PMID  17218494. S2CID  39722200.
  35. ^ Кораиши, Бабар (2009). «Производство мембранно-электродных сборок для топливных элементов» (PDF) . Сингапурский университет технологий и дизайна . стр. 9.
  36. ^ Энгл, Робб (2011-08-08). "Максимальное использование платинового катализатора с помощью ультразвукового распыления" (PDF) . Труды 5-й Международной конференции ASME 2011 по устойчивому развитию энергетики и 9-й Конференции по науке, технике и технологиям топливных элементов . Статья. FuelCell2011-54369. стр. 637–644. doi :10.1115/FuelCell2011-54369. ISBN 978-0-7918-5469-3. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-03-28.
  37. ^ Шукла, С. (2015). «Анализ тонких полимерных электролитных топливных элементов с низким содержанием платины, полученных методом струйной печати». Electrochimica Acta . 156 : 289–300. doi :10.1016/j.electacta.2015.01.028.
  38. ^ Шукла, С. (2016). «Анализ струйных печатных PEFC-электродов с переменной платиновой загрузкой». Журнал электрохимического общества . 163 (7): F677–F687. doi : 10.1149/2.1111607jes . S2CID  102257960.
  39. ^ Сагар Прабхудев; Матье Бугнет; Кристина Бок; Джанлуиджи Боттон (2013). «Напряженная решетка с постоянным атомным порядком в интерметаллических нанокатализаторах типа «ядро–оболочка» Pt3Fe2». ACS Nano . 7 (7): 6103–6110. doi :10.1021/nn4019009. PMID  23773037.
  40. ^ Минна Цао, Дуншуан Ву и Ронг Цао (2014). «Последние достижения в стабилизации платиновых электрокатализаторов для реакций в топливных элементах». ChemCatChem . 6 (1): 26–45. doi :10.1002/cctc.201300647. S2CID  97620646.
  41. ^ G. Hoogers (2003). Справочник по технологии топливных элементов . Boca Raton, FL: CRC Press. стр. 6–3. ISBN 978-0-8493-0877-2.
  42. ^ C. Wang; H. Daimon; T. Onodera; T. Koda; S. Sun (2008). «Общий подход к контролируемому по размеру и форме синтезу платиновых наночастиц и их каталитическому восстановлению кислорода». Angewandte Chemie . 47 (19): 3588–3591. doi :10.1002/anie.200800073. PMID  18399516.
  43. ^ S. Alayoglu; AU Nilekar; M. Mavrikakis; B. Eichhorn (2008). "Ru–Pt core–shell nanoparticles for preferredoxidation of carbon monoxide in hydro". Nature Materials . 7 (4): 333–338. Bibcode :2008NatMa...7..333A. doi :10.1038/nmat2156. PMID  18345004. S2CID  17600075.
  44. ^ abcde E. Proietti, F. Jaouen, M. Lefevre, N. Larouche, J. Tian, ​​J. Herranz и J.-P. Dodelet. 2011 Катодный катализатор на основе железа с повышенной плотностью мощности в топливных элементах с полимерным электролитом и мембраной" Nature Communications 2(1),
  45. ^ Литстер, С.; Маклин, Г. (2004). «PEM топливные элементы электроды». Журнал источников питания . 130 (1–2): 61–76. Bibcode : 2004JPS...130...61L. doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.12.055.
  46. ^ Y. Wang; Daniela Fernanda Ruiz Diaz; Ken S. Chen; Zhe Wang; Xavier Cordobes Adroher (январь–февраль 2020 г.). «Материалы, технологический статус и основы топливных элементов PEM – обзор» (PDF) . Materials Today . 32 : 178–203. doi :10.1016/j.mattod.2019.06.005. S2CID  201288395.
  47. ^ Серов, А.; Артюшкова, К.; Атанасов, П. (2014). "Fe-NC Oxygen Reduction Fuel Cell Catalyst Derived from Carbendazim: Synthesis, Structure, and Reactionactivity". Adv. Energy Mater . 4 (10): 1301735. doi :10.1002/aenm.201301735. S2CID  97667736.
  48. ^ Инь, Си; Зеленай, Петр (13 июля 2018 г.). «Кинетические модели механизмов деградации катализаторов ORR без PGM». ECS Transactions . 85 (13): 1239–1250. doi :10.1149/08513.1239ecst. OSTI  1471365. S2CID  103125742.
  49. ^ Мартинес, Улисес; Бабу, Сиддхарт Комини; Холби, Эдвард Ф.; Зеленай, Петр (апрель 2018 г.). «Проблемы долговечности и перспективы разработки электрокатализаторов без МПГ для реакции восстановления кислорода». Current Opinion in Electrochemistry . 9 : 224–232. doi : 10.1016/j.coelec.2018.04.010 . OSTI  1459825.
  50. ^ [1] Y. Wang, Ken S. Chen, Jeffrey Mishler, Sung Chan Cho, Xavier Cordobes Adroher, Обзор топливных элементов с полимерной электролитной мембраной: технология, применение и потребности в фундаментальных исследованиях, Applied Energy 88 (2011) 981-1007.
  51. ^ [ Wee, Jung-Ho. "Применение систем топливных элементов с протонообменной мембраной". Renewable and Sustainable Energy Reviews 11.8 (2007): 1720-738. Веб.]
  52. ^ Топливные элементы PEM. Americanhistory.si.edu. Получено 19 апреля 2013 г.
  53. ^ «Сбор истории топливных элементов с протонообменной мембраной». americanhistory.si.edu . Получено 2022-01-07 .
  54. ^ Эберле, Ульрих; Мюллер, Бернд; фон Гельмольт, Риттмар (2012-07-15). "Электромобили на топливных элементах и ​​водородная инфраструктура: статус 2012". Королевское химическое общество . Получено 2013-01-08 .
  55. ^ Клиппенштейн, Мэтью (24 апреля 2017 г.). «Является ли пыл Toyota в отношении водородных топливных элементов глупым или дальновидным? (с диаграммами)» . Получено 13 мая 2017 г. Около 2000 проданных Toyota Mirai в 2016 г. более чем в три раза превышают мощность PEMFC, произведенных во всем мире в 2014 г.


Внешние ссылки