ТРАНСПОРТ ЗАРЯДОВ В ЭЛЕКТРОДЕ ВОДОРОДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, СОДЕРЖАЩЕМ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОВОЛОКНА

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.

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

2. 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.

3. 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.

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

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

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

11. 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).

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

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.