Влияние структуры каталитических слоёв на производительность твёрдополимерного топливного элемента

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

С использованием комплексной модели, включающей как решение перколяционной задачи, так и расчёты электрохимической кинетики, рассматриваются особенности работы каталитических слоёв твёрдополимерного топливного элемента с катализатором на основе наноразмерных углеродных материалов, включая графеновые нановолокна. Данные расчётов согласуются с представленными экспериментальными данными по оптимизации состава каталитических слоёв. Показано, что добавка 20 мас. % нановолокон графена способна снизить омические потери по ионному току и повысить производительность топливного элемента на 20%.

Авторы:

Баранов И. Е., Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 123182, г. Москва, пл. ак. Курчатова, 1

Фатеев Владимир Николаевич, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 123182, г. Москва, пл. ак. Курчатова, 1, Fateev_VN@nrcki.ru

Лютикова Елена Константиновна, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 123182, г. Москва, пл. ак. Курчатова, 1, hepti20@gmail.com

Акелькина Светлана Владимировна, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 123182, г. Москва, пл. ак. Курчатова, 1, hepti20@gmail.com

Серёгина Екатерина Александровна, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 123182, г. Москва, пл. ак. Курчатова, 1, Fateev_VN@nrcki.ru

Ключевые слова:

твердый полимерный электролит, топливный элемент, каталитический слой, перколяция, электрохимическая кинетика, углеродные наноматериалы, графен, нановолокна

Литература

1. Баранов И. Е., Фатеев В. Н., Сысоев А. В., Русанов В. Д. Моделирование тонких каталитических слоёв со случайным расположением частиц катализатора // Докл. АН. Сер. Химия. 1997. Т. 354, № 1. С. 55–58.
2. Passalacqua E., Lufrano F., Squadrio G., Patti A., Giorgi L. Nafion content in the catalyst layer of polymer electrolyte fuel cells: effects on structure and performance // Electroсhim. Acta. 2001. Vol. 46. P. 799–805.
3. Чирков Ю. Г. Расчёт электрохимической активности пористых электродов // Электрохимия. 2004. № 1. С. 34–44.
4. Baranov I., Fateev V., Sysoev A., Tsypkin M. Mathematical model of PEM-Fuel Cell catalytic layer // HYPOTHESIS II International Symposium. Grimstad, 1997. P. 85–87.
5. Uchida M., Fukuoka Y., Sugawara Y. Improved preparation process of very low-platinum-loading electrodes for Polymer Electrolyte Fuel Cells // J. Electrochem. Soc. 1998. Vol. 145, №. 11. P. 75–90.
6. Uchida M., Aoyama Y. Investigation of the microstructure in the catalyst layer and effects of both perfluorosulfonate ionomer and PTFE-loaded Carbon on the catalyst layer of polymer electrolyte fuel cells // J. Electrochem. Soc. 1995.Vol. 142, № 12. P. 57–82.
7. Shin J., Lee K. Effect of the catalytic ink preparation method on the performance of polymer electrolyte membrane fuel cells // J. Power Sources. 2002. Vol. 106. P. 185–198.
8. Uchida M., Aoyama Y. New Preparation Method for Polymer-Electrolyte fuel cells // J. Electrochem Soc. 1995. Vol. 142, № 2. P. 57–86.
9. Lee S. J., Mukerjee S. K., McBreen J. S., Rho Y. W., Kho Y. T., Lee T. H. Effect of Nafion impregnation on performances of PEMFC electrodes // Electrochim. Acta. 1998. Vol. 43, № 24. P. 3693–3701.
10. Shin S. J., Lee J. K., Ha H. Y., Hong S. A., Chun H. S., Oh I. H. Effect of the catalytic ink preparation method on the performance of polymer electrolyte membrane fuel cells // J. Power Sources. 2002. Vol. 106. P. 146–152.
11. Kong C. S., Kim D. Y., Lee H. K., Shul Y. G., Lee T. H. Influence of pore-size distribution of diffusion layer of mass-transport problems of proton exchange membrane fuel cells // J. Power Sources. 2002. Vol. 108. P. 185–191.
12. Шкловский А. Л., Эфрос. Б. И. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979. 416 с.
13. Фатеев В. Н., Баранов И. Е., Сысоев А. В. Численное моделирование электрокаталитического слоя электролизёров с твёрдым полимерным электролитом // Электрохимия. 1997. Т. 33, № 8. С. 967–970.
14. Фатеев В. Н., Фридман А. А., Арчаков О. И., Баранов И. Е., Давлетчин А. В., Кириллов И. А., Пахлова Е. А. Модель электрохимического слоя с твёрдым полимерным электролитом // Электрохимия. 1994. Т. 30, № 11. С. 1374–1377.
15. Passalacqua E., Lufrano F. Nafion content in the catalyst layer of polymer electrolyte fuel cells: effects on structure and perfomance // Electrochim. Acta. 2001. Vol. 46. P. 799–805.
16. Antolini E., Giorgi L., Pozio A., Passalaqua E. Influence of Nafion loading in the catalyst layer of gas-diffusion electrodes for PEFC // J. Power Sources. 1996. Vol. 77. P. 297–298.
17. Sung C. C., Liu C. Y., Colin C. J. Durability improvement at high current density by graphene networks on PEM fuel cell // Intern. J. Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39, № 24. P. 1–7.
18. Sehkyu P., Yuyan S., Haiying W., Peter C., Rieke V., Viswanathan V., Silas A. T., Saraf L. V. Design of graphene sheets-supported Pt catalyst layer in PEM fuel cells // Electrochem. Commun. 2011. Vol. 13. P 258–263.
19. Григорьев С. А., Лютикова Е. К., Марусева И. В., Пименов В. В., Пресняков М. Ю., Фатеев В. Н. Наноструктурные электрокатализаторы на основе платины и никеля для топливных элементов с твёрдым полимерным электролитом, синтезированные магнетронно-ионным распылением в импульсном режиме // Альтернативная энергетика и экология: междунар. науч. журн. 2014. № 19. С. 107–116.

Журнал:

2015. Т. 15, № 1,

Рубрика:

Топливные элементы

Файл статьи:

скачать