Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Технологические аспекты электродов водородного топливного элемента с управляемой пористостью и транспортными характеристиками

https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.04-06.051-064

Полный текст:

Аннотация

Несмотря на такие технические преимущества, как высокий КПД преобразования энергии, малая шумность, автономность и пр., водородные топливные элементы до сих пор не нашли массового применения в силу недостаточно высокой экономической конкурентоспособности. Известно, что значительную долю в себестоимости водородного топливного элемента составляют электродные материалы и электроды. В связи с этим в настоящей работе рассматриваются электродные материалы и электроды водородного топливного элемента. Производительность пористых электрохимических электродов определяется: электродной активностью, эффективностью переноса вещества и эффективностью переноса зарядов. Поскольку эти факторы действуют, как правило, противоположно направленно, задача подбора компонентного состава электрода часто сводится к получению оптимизационных зависимостей. При этом транспортные потери в работающем топливном элементе, как правило, являются доминирующими. В связи с этим особое внимание в данной работе уделялось структуре и транспортным характеристикам.

Полагалось, что определяющими факторами диффузионной составляющей функционирования топливного элемента являются характеристики пористой структуры электрода, влияющие на условия массового обмена и процессы конденсации воды. Большое значение имеет неоднородность ионного сопротивления, связанная с неоднородностями влажности и температуры, так как ионное сопротивление протон-проводящего компонента зависит от этих параметров.

Для управления пористой структурой и транспортными свойствами в электродный материал вводилась высокопористая функциональная добавка с большой долей транспортных пор и создавалась островковая структура протон-проводящего полимера Nafion. В качестве функциональных добавок исследовали два материала: углеродные нановолокна и терморасширенный графит. Изготовленные электродные материалы и мембранно-электродные блоки изучались с помощью методов: электронной микроскопии, снятия вольтамперных характеристик, циклической вольтамперометрии, электрохимического импеданса.

Результатом работы являются зависимости, связывающие состав электрода и его пористость, удельное ионное и электронное сопротивление, удельную площадь поверхности платины. Приведены результаты исследования диффузионного сопротивления массовому транспорту в зависимости от состава. Разработана технология электродного материала с увеличенной эффективностью массового и зарядового транспорта. Полученные результаты позволяют прогнозировать электрические характеристики катода, изготавливать электроды с заданными свойствами.

Об авторах

А. О. Краснова
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет); Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, РАН
Россия

Анна Олеговна Краснова - аспирант, и.о. младший научный сотрудник в лаборатории мощных полупроводниковых приборов ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН,h-index: 2, Research Gate: 6.97; ResearcherID: M-3787-2015.

Д. 26, Московский просп., Санкт-Петербург, 190013, тел.: +7 (812) 494-92-99, +7 (812) 712-77-91; д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021, тел.: +7 (812) 297-22-45, +7 (812) 297-10-17



Д. В. Агафонов
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
Россия

Дмитрий Валентинович Агафонов - кандидат технических наук, заведующий кафедрой СПбГТИ(ТУ), h-index: 3.

Д. 26, Московский просп., Санкт-Петербург, 190013, тел.: +7 (812) 494-92-99, +7 (812) 712-77-91



Н. В. Глебова
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, РАН
Россия

Надежда Викторовна Глебова - кандидат физико-математических наук, науч. сотрудник, h-index: 5.

Д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021, тел.: +7 (812) 297-22-45, +7 (812) 297-10-17



А. А. Томасов
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, РАН
Россия

Александр Александрович Томасов - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, h-index: 6 (WoS), Scopus 4.

Д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021, тел.: +7 (812) 297-22-45, +7 (812) 297-10-17



Н. К. Зеленина
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, РАН
Россия

Наталия Кирилловна Зеленина - научный сотрудник, h-index: 5.

Д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021, тел.: +7 (812) 297-22-45, +7 (812) 297-10-17



А. А. Нечитайлов
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, РАН
Россия

Андрей Алексеевич Нечитайлов - доктор технических наук, старший науч. сотрудник, h-index: 6.

Д. 26, ул. Политехническая, Санкт-Петербург, 194021, тел.: +7 (812) 297-22-45, +7 (812) 297-10-17



Список литературы

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

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

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

4. 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.

5. Hao, L. Modeling and Experimental Validation of Pt Loading and Electrode Composition Effects in PEM Fuel Cells / L. Hao // J. Electrochem. Soc. - 2015. - Vol. 162. - No. 8. - P. F854-F867.

6. Baker, D.R. Measurement of oxygen transport resistance in PEM fuel cell by limiting current methods / D.R. Baker [et al.] // J. Electrochem. Soc. - 2009. - Vol. 156. - No. 9. - P. B991-B1003.

7. Nonoyama, N. Analysis of oxygen-transport diffusion resistance in proton-exchange-membrane fuel cells / N. Nonoyama [et al.] // J. Electrochem. Soc. -2011. - Vol. 158. - P. B416- B423.

8. Reshetenko, T. Comparison of two physical models for fitting pem fuel cell impedance spectra measured at a low air flow stoichiometry / T. Reshetenko, A. Kulikovsky // J. Electrochem. Soc. - 2016. - Vol. 163. -No. 3. - P. F238-F246.

9. Greszler, T.A. The impact of platinum loading on oxygen transport resistance / T.A. Greszler [et al.] // J. Electrochem. Soc. - 2012. - Vol. 159. - P. F831-F840.

10. Глебова, Н.В. Развитие метода измерения диффузионного сопротивления структур электродных материалов пористых электродов на основе про-тонпроводящего иономера и углеродных наноматериалов / Н.В. Глебова [и др.] // ЖТФ. - 2017. - Т. 87. - Вып. 12. - С. 1865-1870.

11. Beuscher, U. Experimental method to determine the mass transport resistance of a polymer electrolyte fuel cell / U. Beuscher // J. Electrochem. Soc. - Vol. 153. - No. 9. - P. A1788-A1793.

12. Cussler, E. L. Diffusion-mass transfer in fluid systems / E.L. Cussler. - 3d Ed. - Cambridge: Cambridge University Press, 2009. - 660 p.

13. 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.

14. Бремер, Г.П. Введение в гетерогенный катализ / Г.П. Бремер. - М.: Мир, 1981. - 160 с.

15. Панченков, Г.М. Химическая кинетика и катализ: учебное пособие для вузов / Г.М. Панченков-3-е изд. исправл. и доп. - М.: Химия, 1985. - 592 с.

16. Shetzline, J. A. Quantifying electronic and ionic conductivity contributions in carbon/polyelectrolyte composite thin films / Shetzline J. A., Creager S. E. // Journal of the electrochemical society. - 2014. - Vol. 161. - No. 14. - P. H917-H923.

17. Okumura, M. Correlating cathode microstructure with PEFC performance using FIB-SEM and TEM / M. Okumura [et al.] // Journal of The Electrochemical Society. - 2017. - Vol. 164. - No. 9. - P. F928-F934.

18. Xu, F. Study of electro-osmotic drag coefficients in Nafion membrane in acid, sodium and potassium forms by electrophoresis NMR / F. Xu [et al.] // Journal of Membrane Science. - 2017. - Vol. 536. - P. 116-122.

19. Fathi, H. Insights into the role of wettability in cathode catalyst layer of proton exchange membrane fuel cell; pore scale immiscible flow and transport processe / H. Fathi [et al.] // Journal of Power Sources. - 2017. -Vol. 349. - P. 57-67.

20. Нечитайлов, А.А. Особенности функционирования мембранно-электродного блока в составе воздушно-водородного топливного элемента / А.А. Нечитайлов [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2013. - T. 39. - Вып. 17. - С. 17-26.

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

22. Liu, L. An overview of the proton conductivity of nafion membranes through a statistical analysis / L. Liu [et al.] // Journal of Membrane Science. - 2016. -Vol. 504. - P. 1-9.

23. Saito, M. Mechanisms of ion and water transport in perfluorosulfonated ionomer membranes for fuel cells / M. Saito [et al.] // J. Phys. Chem. B. - 2004. - Vol. 108. - P. 16064-16070.

24. 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.

25. Мазин В.И., Мазин Е.В. Способ получения пористого углеродного материала на основе высокорасщепленного графита. Пат. 2581382 Российская Федерация МПК C01B 31/04, B82B 3/00, B01J 20/20; заявитель и патентообладатель Е.В. Мазин. - № 2014116365/05; опубл. 20.04.2016. Бюл. №11.

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

27. УНТ серии «Таунит» [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.nanotc.ru/index.php/producrions/87-cnm-taunit - Заглавие с экрана. - (Дата обращения: 14.02.2019).

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

29. 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.

30. Нечитайлов, А.А. Ионное сопротивление наноструктурированного электрохимического электрода в неравновесных условиях / А.А. Нечитайлов [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2018. - Т. 44. - Вып. 23. - С. 120-128.

31. Краснова, А.О. Транспорт зарядов в электроде водородного топливного элемента, содержащем углеродные нановолокна / А.О. Краснова [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). - 2018. - №19-21. С. 40-51.


Для цитирования:


Краснова А.О., Агафонов Д.В., Глебова Н.В., Томасов А.А., Зеленина Н.К., Нечитайлов А.А. Технологические аспекты электродов водородного топливного элемента с управляемой пористостью и транспортными характеристиками. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2019;(4-6):51-64. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.04-06.051-064

For citation:


Krasnova A.O., Agafonov D.V., Glebova N.V., Tomasov A.A., Zelenina N.K., Nechitailov А.A. Technological Aspects of Hydrogen Fuel Cell Electrodes with Controlled Porosity and Transport Properties. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2019;(4-6):51-64. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.04-06.051-064

Просмотров: 176


ISSN 1608-8298 (Print)