Protoncserélő membrán (PEM) üzemanyagcellák

• Bevezetés
• Az üzemanyagcella összetevői
• Tüzelőanyag-cella katalizátorok
• Tüzelőanyag-cella membránok
• .Referenciák
• Anyagok

Bevezetés

A tüzelőanyag-cella egy alternatív energetikai technológia, amely a hidrogén (vagy hidrogénben gazdag tüzelőanyagforrás) és az oxigén közötti reakció révén elektromos energiát termel. Ezek az eszközök különösen érdekesek a hagyományos belső égésű motorokhoz viszonyított magas hatásfokuk és az alacsony kibocsátásuk miatt, mivel hulladékként csak hő és víz keletkezik. A növekvő teljesítményű és költséghatékonyságú új komponensek anyagainak kifejlesztése a feltörekvő üzemanyagcella-kutatás kritikus része.

Ez a cikk a Proton Exchange Membrane (PEM) üzemanyagcellák, más néven polimer elektrolitmembrános üzemanyagcellák anyagaira összpontosít, amelyek viszonylag alacsony hőmérsékleten (~ 80 °C) működnek. A magas hőmérsékletű üzemanyagcellákkal kapcsolatos további információkért kérjük, látogasson el a Szilárdoxidos üzemanyagcellákról (SOFC) szóló technológiai spotunkba.

Tüzelőanyagcella-összetevők

Az üzemanyagcellás eszközök gyakran több, egymás után kapcsolt üzemanyagcellából állnak, amelyek egymásra épülnek, és így egy köteget alkotnak (1. ábra), ami növeli a termelt villamos energia összmennyiségét. Minden egyes üzemanyagcella három fő alkotóelemet tartalmaz: két elektródát (anód és katód) és egy vezető elektrolitot. A PEM üzemanyagcellák esetében minden elektróda egy porózus, nagy felületű anyagból áll, amelyet elektrokatalizátorral, jellemzően platinával vagy platinaötvözettel impregnáltak. Az elektrolit anyaga egy polimer membrán, és ionvezetőként szolgál.¹

Az üzemanyagcellában az elektromos áram előállítását két elsődleges kémiai reakció hajtja, amint azt a (2. ábra) szemlélteti. A tiszta H₂-val működő üzemanyagcellák esetében a hidrogéngáz az anódon protonokra és elektronokra bomlik. A protonok az elektrolitmembránon keresztül áramlanak, az elektronok pedig a membrán körül áramlanak, elektromos áramot generálva. A töltött ionok (H⁺ és e^-) a katódnál egyesülnek az oxigénnel, így víz és hő keletkezik.²

 

1. ábra. Több tüzelőanyag-cella halmazban történő kombinációjának vázlata.

2. ábra. A PEM-üzemanyagcella főbb összetevőinek és elektrokémiai reakcióinak sematikus ábrája.

Benzincellakatalizátorok

A platina nagy aktivitást mutat a hidrogén oxidációjában, és továbbra is gyakran használt elektrokatalizátor anyag. Az üzemanyagcella-kutatás egyik fő területe a platina-tartalom csökkentése a cella teljesítményének egyidejű csökkenése nélkül, ami az eszköz költséghatékonyságának általános növekedését eredményezi.³ Ez vezetőképes szénre hordozott platina nanorészecskékből előállított mesterséges katalizátorok alkalmazásával érhető el (Prod. Nr. 738581, 738549, and 738557). Ezeknek az anyagoknak az előnye a nagymértékben diszpergált nanorészecskék (3. ábra), a nagy elektrokatalitikus felület (ESA) és a részecskék minimális növekedése magas hőmérsékleten, még nagyobb Pt-tartalom mellett is.

A Pt-tartalmú ötvözetek hasznosak speciális üzemanyagforrásokkal, például metanollal vagy reformáttal (H₂, CO₂, CO és N₂) működő eszközökben. Pt/Ru ötvözetek például a tiszta Pt elektrokatalizátorokhoz képest megnövekedett teljesítményt mutattak a metanol oxidáció és a szén-monoxid mérgezés tekintetében.₄ Pt₃Co egy másik érdekes katalizátor (különösen a PEMFC katódok esetében), és fokozott teljesítményt mutatott az oxigén redukciós reakcióban, valamint nagy stabilitást.⁵

3. ábra. Pt/C katalizátorok (balra) és Pt3Co/C katalizátorok (jobbra) reprezentatív TEM-felvételei, amelyek nagy felületi felületű szénhordozókon nagymértékben eloszló nanorészecskéket mutatnak.

Tüzelőanyagcella-membránok

Az üzemanyagcella elektrolit kiválasztásakor több kulcsfontosságú követelményt is figyelembe kell venni. A kívánatos tulajdonságok közé tartozik a nagy protonvezetőképesség, a nagy kémiai és termikus stabilitás és az alacsony gázáteresztő képesség.^4,6 A legkedvezőbb anyagok jellemzően szulfonsav-részekkel funkcionalizált fluorozott polimerek, mint például a Nafion™ membránok.

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