Ogniwa paliwowe z membraną wymiany protonów (PEM)

• Wprowadzenie
• Komponenty ogniw paliwowych
• Katalizatory ogniw paliwowych
• Membrany ogniw paliwowych
• Referencje
• Materiały

.Wprowadzenie

Ogniwa paliwowe są alternatywną technologią energetyczną, która generuje energię elektryczną poprzez reakcję wodoru (lub źródła paliwa bogatego w wodór) z tlenem. Urządzenia te są szczególnie interesujące ze względu na wysoką wydajność w porównaniu z tradycyjnymi silnikami spalinowymi i niską emisję, wytwarzając jedynie ciepło i wodę jako produkty odpadowe. Rozwój nowych materiałów składowych o zwiększonej wydajności i opłacalności jest krytyczną częścią pojawiających się badań nad ogniwami paliwowymi.

Ten spotlight koncentruje się na materiałach do ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów (PEM), zwanych również ogniwami paliwowymi z membraną z elektrolitu polimerowego, które działają w stosunkowo niskich temperaturach (~ 80 °C). Więcej informacji na temat wysokotemperaturowych ogniw paliwowych można znaleźć na naszej stronie poświęconej ogniwom paliwowym ze stałym tlenkiem (SOFC).

Komponenty ogniw paliwowych

Urządzenia z ogniwami paliwowymi często składają się z wielu ogniw paliwowych połączonych szeregowo w celu utworzenia stosu (Rysunek 1), co zwiększa całkowitą ilość generowanej energii elektrycznej. Każde pojedyncze ogniwo paliwowe zawiera trzy podstawowe elementy: dwie elektrody (anodę i katodę) oraz przewodzący elektrolit. W przypadku ogniw paliwowych PEM, każda elektroda składa się z porowatego materiału o dużej powierzchni impregnowanego elektrokatalizatorem, zazwyczaj platyną lub stopem platyny. Materiał elektrolitu jest membraną polimerową i służy jako przewodnik jonowy.¹

Generacja energii elektrycznej w ogniwie paliwowym jest napędzana przez dwie podstawowe reakcje chemiczne, jak pokazano na (Rysunek 2). W przypadku ogniw paliwowych działających na czystym H₂, wodór gazowy jest dzielony na protony i elektrony na anodzie. Protony są przewodzone przez membranę elektrolitu, a elektrony przepływają wokół membrany, generując prąd elektryczny. Naładowane jony (H⁺ i e^-) łączą się z tlenem na katodzie, wytwarzając wodę i ciepło.²

 

Rysunek 1. Schemat ilustrujący wiele ogniw paliwowych połączonych w stos.

Rysunek 2. Schemat głównych komponentów i reakcji elektrochemicznych w ogniwie paliwowym PEM.

Katalizatory ogniw paliwowych

Platyna wykazuje wysoką aktywność w utlenianiu wodoru i nadal jest często stosowanym materiałem elektrokatalitycznym. Jednym z głównych obszarów badań nad ogniwami paliwowymi jest zmniejszenie zawartości platyny bez jednoczesnego spadku wydajności ogniwa, co prowadzi do ogólnego wzrostu efektywności kosztowej urządzenia.³ Jest to możliwe dzięki zastosowaniu zmodyfikowanych katalizatorów wytworzonych z nanocząstek platyny osadzonych na przewodzącym węglu (Prod. Nr. 738581, 738549, and 738557). Zaletą tych materiałów są wysoce rozproszone nanocząstki (rysunek 3), wysoka powierzchnia elektrokatalityczna (ESA) i minimalny wzrost cząstek w podwyższonych temperaturach, nawet przy wyższych poziomach obciążenia Pt.

Stopy zawierające Pt są przydatne w urządzeniach działających na wyspecjalizowanych źródłach paliwa, takich jak metanol lub reformat (H₂, CO₂, CO i N₂).Na przykład, stopy Pt/Ru wykazały zwiększoną wydajność w stosunku do czystych elektrokatalizatorów Pt w odniesieniu do utleniania metanolu i zatrucia tlenkiem węgla.₄ Pt₃Co jest kolejnym interesującym katalizatorem (szczególnie dla katod PEMFC) i wykazał zwiększoną wydajność w reakcji redukcji tlenu, a także wysoką stabilność.⁵

Rysunek 3. Reprezentatywne obrazy TEM katalizatorów Pt/C (po lewej) i Pt3Co/C (po prawej) pokazujące wysoce zdyspergowane nanocząstki na nośnikach węglowych o dużej powierzchni.

Membrany do ogniw paliwowych

Przy wyborze elektrolitu do ogniw paliwowych bierze się pod uwagę kilka kluczowych wymagań. Pożądane właściwości obejmują wysoką przewodność protonową, wysoką stabilność chemiczną i termiczną oraz niską przepuszczalność gazów.^4,6 Bardzo preferowanymi materiałami są zazwyczaj fluorowane polimery sfunkcjonalizowane cząsteczkami kwasu sulfonowego, takie jak membrany Nafion™.

1. NETL. Seventh Edition Fuel Cell Handbook. https://doi.org/10.2172/834188

2. O'Hayre R, Cha S, Colella W, Prinz FB. 2009. Fuel Cell Fundamentals. 2. John Wiley & Sons.

3. Davies D, Adcock P, Turpin M, Rowen S. 2000. Stainless steel as a bipolar plate material for solid polymer fuel cells. Journal of Power Sources. 86(1-2):237-242. https://doi.org/10.1016/s0378-7753(99)00524-8

4. Steele BCH, Heinzel A. 2001. Materials for fuel-cell technologies. Nature. 414(6861):345-352. https://doi.org/10.1038/35104620

5. Stamenkovi? V, Schmidt TJ, Ross PN, Markovi? NM. 2002. Surface Composition Effects in Electrocatalysis:  Kinetics of Oxygen Reduction on Well-Defined Pt3Ni and Pt3Co Alloy Surfaces. J. Phys. Chem. B. 106(46):11970-11979. https://doi.org/10.1021/jp021182h

6. Mehta V, Cooper JS. 2003. Review and analysis of PEM fuel cell design and manufacturing. Journal of Power Sources. 114(1):32-53. https://doi.org/10.1016/s0378-7753(02)00542-6