References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2018.19-21.040-051

alternative-1448

Research Article

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

HYDROGEN ECONOMY

ТРАНСПОРТ ЗАРЯДОВ В ЭЛЕКТРОДЕ ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, СОДЕРЖАЩЕМ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОВОЛОКНА

CHARGE TRANSFER IN HYDROGEN FUEL CELL ELECTRODE CONTAINING CARBON NANOFIBERS

https://orcid.org/0000-0001-6709-5559

Краснова

А. О.

Krasnova

A. O.

Краснова Анна Олеговна - аспирант, и.о. младшего научного сотрудника в лаборатории мощных полупроводниковых приборов, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.

Образование: Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) (2015 г.).

Область научных интересов: топливные элементы; электрохимические методы исследования; катализ.

Публикации: 11.

h-index: 2.

Research Gate: 6.97.

д. 26, Московский проспект, Санкт-Петербург, 190013; д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021.

Тел.: +7 (812) 494-92-99, +7 (812) 712-77-91; +7 (812) 297-22-45; +7 (812) 297-10-17.

Anna Krasnova - Ph.D. Student, Junior Researcher At Ioffe Institute.

Education: Master + Bachelor in Electrochemistry, St. Petersburg State Technological Institute (Technical University), 2015.

Research interests: fuel cells; electrochemical methods of investigation;

catalysis.

Publications: 11.

ResearcherID: M-3787-2015.

26 Moskovsky Av., St. Petersburg, 190013; 26 Polytehnicheskaya St., St. Petersburg, 194021.

Tel.: +7 (812) 494 92 99, +7 (812) 712 77 91; +7 (812) 297 22 45, +7 (812) 297 10 17.

office@technolog.edu.ru

Глебова

Н. В.

Glebova

N. V.

Глебова Надежда Викторовна - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Образование: СПбГТИ (ТУ) (2003 г.).

Область научных интересов: топливные элементы; нанокатализаторы; электрохимия.

Публикации: 33, включая монографию.

h-index: 5.

д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021.

Тел.: +7 (812) 297-22-45; +7 (812) 297-10-17.

Nadezhda Glebova - Information about the author: Ph.D. in Physics and Mathematics, Researcher at Ioffe Institute.

Education: St. Petersburg State

Technological Institute (Technical University), 2003.

Research interests: fuel cell; nanocatalyst; electrochemistry.

Publications: 33, including a monograph.

26 Polytehnicheskaya St., St. Petersburg, 194021.

Tel.: +7 (812) 297 22 45, +7 (812) 297 10 17.

post@mail.ioffe.ru

Нечитайлов

А. А.

Nechitailov

A. A.

Нечитайлов Андрей Алексеевич - доктор технических наук, старший научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Образование: ЛТИ (ТУ) (1983 г.).

Область научных интересов: аналитическая химия; физическая химия; топливные элементы; катализаторы.

Публикации: более 100.

h-index: 6.

д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021.

Тел.: +7 (812) 297-22-45; +7 (812) 297-10-17.

Andrey Nechitailov - Ph.D. in Engineering, Senior Researcher at Ioffe Institute. Education: LTI (TU), 1983.

Research interests: analytical chemistry; physical chemistry; fuel cells; catalysts.

Publications: more than 100.

26 Polytehnicheskaya St., St. Petersburg, 194021.

Tel.: +7 (812) 297 22 45, +7 (812) 297 10 17.

post@mail.ioffe.ru

Томасов

А. А.

Tomasov

A. A.

Томасов Александр Александрович - кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Образование: ЛПИ им. М.И. Калинина (СПбПУ) (1973 г.).

Область научных интересов: топливные элементы; нанокатализаторы; спектроскопия электрохимического импеданса.

Публикации: 72, включая монографию.

h-index: 6 (WoS).

Scopus 4.

д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021.

Тел.: +7 (812) 297-22-45; +7 (812) 297-10-17.

Aleksandr Tomasov - Ph.D. in Physics and Mathematics, Senior Researcher at Ioffe Institute.

Education: LPI (SPbPU), 1973.

Research interests: fuel cell; nanocatalyst; electrochemical impedance spectroscopy.

Publications: 72, including a monograph.

26 Polytehnicheskaya St., St. Petersburg, 194021.

Tel.: +7 (812) 297 22 45, +7 (812) 297 10 17.

post@mail.ioffe.ru

Зеленина

Н. К.

Zelenina

N. K.

Зеленина Наталия Кирилловна - научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Образование: СПбГЭТУ (ЛЭТИ) (1979 г.).

Область научных интересов: топливные элементы; нанокатализаторы; метод вольтамперных характеристик.

Публикации: 51.

h-index: 5.

д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021.

Тел.: +7 (812) 297-22-45; +7 (812) 297-10-17.

Nataliya Zelenina - Researcher at Ioffe Institute.

Education: SPbEU (LETI), 1979.

Research interests: fuel cell; nanocatalyst; method of current-voltage characteristics.

Publications: 51.

26 Polytehnicheskaya St., St. Petersburg, 194021.

Tel.: +7 (812) 297 22 45, +7 (812) 297 10 17.

post@mail.ioffe.ru

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет); Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАНРоссияSaint-Petersburg State Institute of Technology; Ioffe InstituteRussian Federation

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАНРоссияIoffe InstituteRussian Federation

2018

17102018

019-214051

2018

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/1448

Методами вольтамперных характеристик и спектроскопии электрохимического импеданса исследованы особенности переноса протонов и электронов в высокопористых электродах водородного топливного элемента, содержащих Nafion преимущественно в островковой форме, в широком диапазоне концентрации.

Электродные структуры изготавливались в два этапа: 1) механическое смешивание платинированной углеродной сажи типа E-TEK, углеродных нановолокон типа Таунит МД (производство г. Тамбов) и водно-и-пропанольной дисперсии Nafion; 2) ультразвуковая гомогенизация для получения однородной дисперсии электродного материала. Далее полученную дисперсию наносили непосредственно на протонпроводящую мембрану типа Nafion-212. Количество исходных компонентов измеряли гравиметрически, компонентный состав электродного материала контролировали посредством термогравиметрического анализа. Структуру полученных материалов исследовали методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии.

Изготовленные электроды в составе мембранно-электродного блока активировали путем многократного циклического изменения разности потенциалов: от потенциала разомкнутой цепи до ~0 до стабилизации вольтамперных характеристик. Ионное сопротивление, определяемое сопротивлением переносу протонов, измеряли методом электрохимического импеданса в области высоких частот годогрофа и методом вольтамперных характеристик во влажном (активированном) электроде в составе мембранно-электродного блока. Электронное сопротивление измеряли в воздушно-сухом электроде, в котором ионное сопротивление сухого Nafion на несколько порядков больше электронного и практически не вносит вклад в измеренное сопротивление.

Установлено, что зависимость ионного сопротивления от содержания Nafion имеет минимум при 40 % масс. Электронное сопротивление линейно возрастает с увеличением содержания Nafion. Экстремальный характер зависимости ионного сопротивления от содержания Nafion объясняется снижением концентрации центров генерации воды (наночастиц платины) при увеличении содержания Nafion до некоторого практического значения, при котором вырабатываемой воды недостаточно для полного увлажнения Nafion.

Using the methods of current-voltage characteristics and spectroscopy of electrochemical impedance, the paper studies the features of proton and electron transfer in high-porous electrodes of the hydrogen fuel cell containing Nafion mainly in insular form in a wide range of concentrations.

Electrode structures were manufactured in two steps: 1. Mechanical mixing of platinized carbon black of the E-TEK type, carbon nanofibers of the Taunit MD type (manufactured in Tambov) and the water -i-propanol dispersion of Nafion; 2. Ultrasonic homogenization to obtain a homogeneous dispersion of electrode material. The resulting dispersion was applied directly to a proton-conductive membrane of the Nafion-212 type. The quantities of the initial components were measured gravimetrically, the component composition of the electrode material was monitored by thermogravimetric analysis. The structure of the obtained materials was studied by the methods of scanning and transmission electron microscopy.

The given electrodes in the membrane-electrode assembly were activated by repeatedly cycling the potential difference from the potential of the open circuit to ~ 0 until the voltage-current characteristics stabilized. The ion resistance determined by the resistance to proton transfer was measured by the method of electrochemical impedance in the region of high frequencies of the hodograph and by the method of current-voltage characteristics in a wet (activated) electrode in the membrane-electrode assembly. The electronic resistance was measured in an air-dry electrode in which the ionic resistance of a dry Nafion was several orders of magnitude larger than the electron resistance and practically did not contribute to the value of the measured resistance.

The dependence of the ion resistance on the Nafion content is shown to have a minimum at 40% mass. The electronic resistance increases linearly with the increase in the Nafion content. The extreme nature of the dependence of the ion resistance on the Nafion content is explained by the decrease in the concentration of the water generation centers (platinum nanoparticles) with the increase in the Nafion content to some practical value at which the water produced is not sufficient to completely moisten Nafion.

водородный топливный элементкатализаторионный транспортдиффузияпротонпроводящий полимеруглеродные нановолокнаэлектровосстановление кислорода

hydrogen fuel cellcatalystion transportdiffusionproton-conducting polymercarbon nanofibreselectroreduction of oxygen

РФФИ; «УМНИК»; стипендии Президент РФ; Отдел структурных исследований ИОХ РАН

RFBR; “UMNIK” ; President of The Russian Federation; The Department of structural studies at the Institute of Organic Chemistry Russian Academy of Sciences

References1

PEM Fuel cell testing and diagnosis / Zhang J. [et al.] – Elsevier, 2013. – 600 p.

Zhang J. et al. PEM Fuel cell testing and diagnosis. Elsevier, 2013; 600 p.

Parthasarathy, A. Temperature dependence of the electrode kinetics of oxygen reduction at the platinum/Nafion interface – a microelectrode investigation / A. Parthasarathy [et al.] // J. Electrochem. Soc. – 1992. – Vol. 139. – No. 9. – P. 2530–2537.

Parthasarathy A. et al. Temperature dependence of the electrode kinetics of oxygen reduction at the platinum/Nafion interface – a microelectrode investigation. J. Electrochem. Soc., 1992;139(9):2530–2537.

Wagner, N. Electrochemical impedance spectra of solid-oxide fuel cells and polymer membrane fuel cells / N. Wagner [et al.] // Electrochim. Acta. – 1998. – Vol. 43. – P. 3785–93.

Wagner N. et al. Electrochemical impedance spectra of solid-oxide fuel cells and polymer membrane fuel cells. Electrochim. Acta, 1998;43:3785–93.

PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers: Fundamentals and Applications / Zhang J. – London: Springer, 2008. – 1137 p.

Zhang J. PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers: Fundamentals and Applications. London: Springer, 2008; 1137 p.

Глебова, Н.В. Катод водородного топливного элемента с модифицированными структурой и гидрофобностью / Н.В. Глебова [и др.] // ЖПХ. – 2015. – Т. 88. – Вып. 5. – С. 726–731.

Nechitailov A.A., Glebova N.V., Krasnova A.O., Tomasov A.A., Zelenina N. K. Cathode of hydrogen fuel cell, with modified structure and hydrophobicity. Russian Journal of Applied Chemistry, 2015;58(5):769–774.

Нечитайлов, А.А. Особенности массового транспорта на катоде водородного топливного элемента в присутствии УНТ / А.А. Нечитайлов [и др.] // ЖТФ. – 2015. – Т. 85. – Вып. 11. – С. 97–103.

Nechitailov A.A., Glebova N.V., Krasnova A.O., Tomasov A.A., Zelenina N. K. Mass transport at the cathode of a hydrogen fuel cell in the presence of carbon nanotubes. Technical Physics, 2015;60(11):1670–1676.

Краснова, А.О. Технология и структурные характеристики электродного материала системы Pt/C-Таунит МД-Nafion / А.О. Краснова [и др.] // ЖПХ. – 2016. – Т. 89. – Вып. 6. – С. 756–761.

Krasnova A.O., Glebova N.V., Nechitailov A.A. Technology and structural characteristics of electrode material in the Pt/C-Taunite-MD–Naﬁon system. Russian Journal of Applied Chemistry, 2016;89(5):916−920.

Глебова, Н.В. Особенности структурообразования и электрохимические характеристики катода водородного топливного элемента в присутствии гидрофобизатора и углеродных нанотрубок / Н.В. Глебова [и др.] // Электрохимия. – 2017. – Т. 53. – Вып. 2. – С. 227–232.

Glebova N.V., Nechitailov A.A., Krasnova A.O., Tomasov A.A., Zelenina N. K. Structure formation and electrochemical characteristics of the platinum-carbon cathode of the hydrogen fuel cell in the presence of a water repellent and carbon nanotubes. Russian Journal of Electrochemistry, 2017;53(2):205−209.

Краснова, А.О. Структурообразование в технологии электродного материала, содержащего наночастицы платины на углеродной саже, протонпроводящий полимер Nafion и терморасширенный графит / А.О. Краснова [и др.] // ЖПХ. – 2017. – Т. 90. – Вып. 3. – С. 299–306.

Krasnova A.O., Glebova N.V., Zhilina D.V., Nechitailov A.A. Structuring in the formation technology of electrode material based on Nafion protonconducting polymer and thermally expanded graphite containing platinum nanoparticles on carbon black. Russian Journal of Applied Chemistry, 2017;90(3):361−368.

Litster S. PEM fuel cell electrodes / S. Litster, G. McLean // J. Power Sources. – 2004. – Vol. 130. – P. 61–76.

Litster S., McLean G. PEM fuel cell electrodes. J. Power Sources, 2004;130:61–76.

УНТ серии «Таунит» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.nanotc.ru/index.php/producrions/87-cnm-taunit – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 08.06.2018).

UNT “Taunit” [E-resource]. Access mode: http://www.nanotc.ru/index.php/producrions/87-cnm-taunit – Title from the screen (06.08.2018) (in Russ.).

Fuel Cell [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://fuelcell.com/product/fc-05-02/ – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 08.06.2018).

Fuel Cell [E-resource] – Access mode: http://fuelcell.com/product/fc-05-02/ (06.08.2018).

Пат. 2487442 Российская Федерация, МПК H01M 8/04. Способ активации мембранно-электродного блока / Андроников Д.А., Зеленина Н.К., Терукова Е.Е., Томасов А.А.; заявитель и патентообладатель ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН – № 2012107563/07; опубл. 10.07.2013. Бюл. №19.

Pat. 2487442 Russian Federation, IPC H01M 8/04 The method of activation of membrane-electrode assembly (Sposob aktivatsii membranno-elektrodnogo bloka) / Andronikov D.A., Zelenina N.K., Terukova E.E., Tomasov A.A.; Applicant and patent holder Ioffe institute – No. 2012107563/07; publ. 07/10/2013. Bul. no. 19 (in Russ.).

Sone, Y. Conductivity of Nafion 117 as Measured by a Four‐Electrode AC Impedance Method / Y. Sone [et al.] // J. Electrochem. Soc. – 1996. – Vol. 143. – Issue 4. – P. 1254–1259.

Sone Y. et al.Conductivity of Nafion 117 as Measured by a Four‐Electrode AC Impedance Method. J. Electrochem. Soc., 1996;143(4);1254–1259.

Cooper, K.R. Electrical test methods for on-line fuel cell ohmic resistance measurement / K.R. Cooper, M. Smith // Journal of Power Sources. – 2006. – Vol. 160. – P. 1088–1095.

Cooper K.R., Smith M. Electrical test methods for on-line fuel cell ohmic resistance measurement. Journal of Power Sources, 2006;160:1088–1095.

Lefebvre, M. C. Characterization of Ionic Conductivity Profiles within Proton Exchange Membrane Fuel Cell Gas Diffusion Electrodes by Impedance Spectroscopy / M. C. Lefebvre [et al.] // Electrochem. Solid-State Lett. – 1999. – Vol. 2. – Issue 6. – P. 259–261.

Lefebvre M.C., et al. Characterization of Ionic Conductivity Profiles within Proton Exchange Membrane Fuel Cell Gas Diffusion Electrodes by Impedance Spectroscopy. Electrochem. Solid-State Lett., 1999;2(6):259–261.

Cimentia, M. Investigation of Proton Transport in the Catalyst Layer of PEM Fuel Cells by Electrochemical Impedance Spectroscopy / M. Cimentia [et a l.] // The Electrochemical Society. – 2010. – Vol. 28. – No. 23. – P. 147–157.

Cimentia M. et al.Investigation of Proton Transport in the Catalyst Layer of PEM Fuel Cells by Electrochemical Impedance Spectroscopy. The Electrochemical Society, 2010;28(23):147–157.

Jang, J. H. Complex capacitance analysis of ionic resistance and interfacial capacitance in PEMFC and DMFC catalyst layers / J. H. Jang [et a l.] // Journal of Electrochemical Society. – 2009. – Vol. 156. – No. 11. – P. B1293–B1300.

Jang J.H. et al. Complex capacitance analysis of ionic resistance and interfacial capacitance in PEMFC and DMFC catalyst layers. Journal of Electrochemical Society, 2009;156(11):B1293–B1300.

Jiang, R. Through-plane proton transport resistance of membrane and ohmic resistance distribution in fuel cells / R. Jiang [et a l.] // Journal of Electrochemical Society. – 2009. – Vol. 156. – No. 12. – P. B1400–1446.

Jiang R. et al. Through-plane proton transport resistance of membrane and ohmic resistance distribution in fuel cells. Journal of Electrochemical Society, 2009;156(12):B1400–1446.

Malevich, D. On the determination of PEM fuel cell catalyst layer resistance from impedance measurement in H2/N2 cells / D. Malevich [et a l.] // Journal of Electrochemical Society. – 2012. – Vol. 159. – No. 12. – P. F888–F 895.

Malevich D. et a l. On the determination of PEM fuel cell catalyst layer resistance from impedance measurement in H2/N2 cells. Journal of Electrochemical Society, 2012;159(12):F888–F895.

Makharia, R. Measurement of Catalyst Layer Electrolyte Resistance in PEFCs Using Electrochemical Impedance Spectroscopy / R. Makharia [et a l.] // Journal of Electrochemical Society. – 2005 – Vol. 152. – No. 5. – P. A970–A977.

Makharia R. et al. Measurement of Catalyst Layer Electrolyte Resistance in PEFCs Using Electrochemical Impedance Spectroscopy. Journal of Electrochemical Society, 2005;152(5)A970–A977.

Cruz-Manzo, S. Inductive Effect on the Fuel Cell Cathode Impedance Spectrum at High Frequencies / S. Cruz-Manzo [et a l.] // Journal of Fuel Cell Science and Technology. – 2012. – Vol. 9. – P. 051002-1– 051002-8.

Cruz-Manzo S. et al. Inductive Effect on the Fuel Cell Cathode Impedance Spectrum at High Frequencies / S. Cruz-Manzo. Journal of Fuel Cell Science and Technology, 2012;9:051002-1–051002-8.

Качала, В.В. Комплексное исследование структуры и механизмов получения и превращений газообразных, жидких и твердых химических систем методами масс-спектрометрии, спектроскопии ЯМР и электронной микроскопии / В.В. Качала [и др.] // Успехи химии. – 2013. – Т. 82. – C. 648–685.

Kachala V.V., Khemchyan L.L., Kashin A.S., Orlov N.V., Grachev A.A., Zalesskiy S.S., Ananikov V.P. Target-oriented analysis of gaseous, liquid and solid chemical systems by mass spectrometry, nuclear magnetic resonance spectroscopy and electron microscopy. Russ. Chem. Rev., 2013;82(7):648–685.

Кашин, А.С. Формирование наноразмерных покрытий и наночастиц металлов путем магнетронного распыления и их исследование методом сканирующей электронной микроскопии / А.С. Кашин, В.П. Анаников // Изв. АН Сер. Хим. – 2011. – № 12. – С. 2551–2556.

Kashin A.S., Ananikov V.P. A SEM study of nanosized metal films and metal nanoparticles obtained by magnetron sputtering. Russian Chemical Bulletin, 2011;60(12):2602–2607.

Глебова, Н.В. Ионный транспорт в пористых электродах со смешанной проводимостью / Н.В. Глебова [и др.] // ЖТФ – 2017. – Т. 87. – Вып. 6. – С. 880–883.

Glebova, N.V. Ion transport in porous electrodes with mixed conductivity. Technical Physics, 2017;62(6):895–898.

Shetzline, J.A. Quantifying Electronic and Ionic Conductivity Contributions in Carbon/Polyelectrolyte Composite Thin Films / J.A. Shetzline, S.E. Creager // Journal of the electrochemical society. – 2014. – Vol. 161. – No. 14. – P. H917–H923.

Shetzline J.A., Creager S.E. Quantifying Electronic and Ionic Conductivity Contributions in Carbon/Polyelectrolyte Composite Thin Films. Journal of the Electrochemical Society, 2014;161(14):H917–H923.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.