ПЭМТЭ — полимерные электролитические мембранные топливные элементы

ПЭМТЭ - полимерные электролитические мембранные топливные элементы

Последние годы технологического прогресса  отметились тем, что ПЭМТЭ — полимерные электролитические мембранные топливные элементы (PEMFC — Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) стали рассматривать в качестве многообещающей альтернативы системам преобразования энергии на основе ископаемого топлива. Однако ограниченный срок службы ПЭМТЭ и относительно высокая стоимость по сравнению, например, с двигателями внутреннего сгорания, остаются двумя основными факторами, препятствующими крупномасштабной коммерциализации. Для решения этих проблем необходимы значительные улучшения сборки мембранных электродов (MEA — Membrane Electrode Assemblies), оптимизация структуры и характеристик пористых элементов.

Структурная схема мембранных топливных элементов ПЭМТЭ (PEMFC)

Слой катодного катализатора (CCL — Cathode Catalyst Layer) является основным фактором потери эффективности ПЭМТЭ по причинам низкой кинетики окислительно-восстановительной реакции (ORR — Oxygen Reduction Reaction). Также имеет место фактор потерь протонной проводимости через иономер CCL, применяемый в настоящее время в составе ПЭМТЭ, обычно содержащий:

  • катализатор (обычно частиц платины),
  • углеродный субстрат,
  • гидрофобное вещество типа PTFE (политетрафторэтилен),
  • иономер.

Картинка ниже наглядно демонстрирует структурную схему ПЭМТЭ — полимерного электролитического мембранного топливного элемента:

ТОПЛИВНЫЙ

ПЭМТЭ - структурное строение для классического исполнения
Структура ПЭМТЭ (PEMFC): А – сборка мембранных электродов; 1 – анод; 2 – катод; 3, 9 – поле потока; 4, 8 – газодиффузионные слои; 5, 7 – слой катализатора; 6 – мембрана; B – структура слоя катодного катализатора; 10 – иономер насыпной; 11 – карбон (углерод); 12 – иономер тонкоплёночный

Катализаторы платиновые или на основе платины играют решающую роль в электрохимической реакции, в то время как углерод используется в качестве подложки катализатора по причине высокой электронной проводимости. Гидрофобное вещество служит каталитическим связующим элементом и поддерживает гидрофобность.

Одновременно тонкая пленка иономера, покрывающая частицы платины и карбона, действует как ионный путь для протонов. Эта сложная структура превращает поверхностную реакцию, происходящую в первом CCL, состоящем только из платины с иономером, в объёмное явление.

Диагностика ПЭМТЭ электрохимической импедансной спектроскопией

Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS — Electrochemical Impedance Spectroscopy) считается мощной, хорошо зарекомендовавшей себя методикой изучения и диагностики ПЭМТЭ. В частности, слоёв катализатора, в операнде и в различных условиях.

Основным преимуществом метода спектроскопии является возможность изучения отдельно взятой частной области с разными значениями постоянной времени. Метод EIS обычно используется для понимания влияния рабочих условий:

  • температуры,
  • давления,
  • относительной влажности и других,

на производительность сборки мембранных электродов. Также имеется в виду оптимизация структуры электрода (весовое соотношение иономер / углерод и загрузка платины), анализ деградации различных компонентов ячеек, мембраны, катализаторов и газодиффузионных слоёв.

Газодиффузионные слои (GDL — Gas Diffusion Layers) — жизненно важные компоненты топливных элементов на полимерно-электролитных мембранах (ПЭМТЭ), модулирующих все соответствующие транспортные процессы, включая:

  • топливо,
  • окислители,
  • продукты реакции,
  • электричество и тепло.

Газодиффузионные слои ПЭМТЭ следует рассматривать функциональной границей раздела между газораспределительными отсеками (структурные части ячейки, макроскопический масштаб) и электрохимически активными слоями катализатора (реакционные слои наноразмерного масштаба). Газодиффузионные слои направляют топливо и окислители к активным центрам, удаляя при этом тепло и продукты реакции, электрически соединяя реакционные слои и токосъёмники.

СПЕКТРОСКОП

ПЭМТЭ и электрохимическая импедансная спектроскопия
Структурная схема электрохимической импедансной спектроскопии: 1 – противоэлектрод; 2 – ёмкость двойного слоя; 3 – рабочий электрод; 4 – раствор электролита; 5 – эталонный электрод; 6 – источник питания; 7 – вольтметр; 8 – спектр импеданса

Однако ключевой проблемой электрохимической импедансной спектроскопии остаётся интерпретация экспериментальных данных. Во-первых, потому что измерения импеданса требуют стабильных условий работы. Во-вторых, потому что модели импеданса либо основаны на упрощённых уравнениях, либо наоборот, иногда включают слишком много характеризующих коррелированных параметров.

Другими словами, найти соответствующий уровень сложности моделей импеданса нетривиально. Эти модели обычно представляют собой электрические эквивалентные схемы (EEC — Electrical Equivalent Circuits), включающие компоненты:

  • резисторы,
  • конденсаторы,
  • варбургподобные элементы,

представляющие электрохимические полу-реакции, а также перенос заряда и массы.

Эксперименты с мембранным топливным элементом ПЭМТЭ

С целью подтверждения теоретических выводов экспериментально использовались две разных сборки ПЭМТЭ. Каждая сборка показала индивидуальное поведение, с точки зрения высокочастотного импеданса.

Первая сборка мембранного топливного элемента ПЭМТЭ

Первая конфигурация выстраивалась по схеме сборки мембранных электродов с оценочной загрузкой (напылением) катода платиной на уровне 0.4 мг\см-2.  Газодиффузионные слои микропористого карбона, толщиной 235 мкм, выполнены на сторонах сборки анодной и катодной областей, соответственно.

Сборка мембранных электродов размерами 98х20 мм вставлялась между покрытыми золотом (1,5 мкм) пластинами из нержавеющей стали 316L. Пластинами обеспечивается сбор тока и подача реагента через 10 параллельных проточных каналов (ширина 1 мм и глубина 0,4 мм) с каждой стороны. Газодиффузионные слои сжимались до 200 мкм, при этом нужная толщина выставлялась посредством тефлоновых прокладок.

Вторая сборка мембранного топливного элемента ПЭМТЭ

Вторая конфигурация сборки мембранных электродов основана на использовании мембран «Nafion XL100»  (64х40 мм2) и коммерческих газодиффузионных электродов (19х38 мм2). Платиной покрывались слои катализатора (0,5 мг\см-2), тогда как газодиффузионные слои толщиной 235 мкм (5% политетрафторэтилена с 80% пористости) покрывались инновационным материалом «Sigracet 29BCMPL».

ЭЛЕКТРОД

ПЭМТЭ - двуслойная структура газодиффузионного кардона
Двухслойная структура газодиффузионного кардона: 1 – микропористый слой; 2 – газодиффузионный слой на базе макропористой подложки светозащитной бумаги

Таким образом, стороны анода и катода сборки мембранных электродов строго идентичны. Электроды и мембрану подвергали горячему прессованию (Т = 135°С, Р = 6,2 МПа) в течение 3.5 минут. Сжатие с нагревом позволяет добиться получения размера толщины сборки мембранных электродов до 410 ± 25 мкм.

Созданные по такое технологии сборки мембранных электродов использовались в ПЭМТЭ на основе латунных пластин, покрытых никелем (30 мкм) и золотом (3 мкм), с одним серпантином (шириной 1 мм и глубиной 1 мм) с каждой стороны. Если для первой конфигурации характерным является односторонний поток газа, здесь отмечается противоток. Газодиффузионные слои сжимались до 150 мкм с регулировкой посредством тефлоновых прокладок.

Завершающий штрих на топливные элементы ПЭМТЭ

Рассмотренные полимерные электролитические мембранные топливные элементы ПЭМТЭ обещают революционизировать существующие принципы преобразования и распределения энергии. Например, широко востребованные приводы для движения транспортных установок вполне возможно выполнять на базе ПЭМТЭ. Стационарное параллельное генерирование тепловой, электрической энергии, плюс электроснабжение мобильных устройств, — всё это также является актуальными областями применения ПЭМТЭ — технологии топливных элементов.


При помощи информации: SglCarbon