Исследование электрокаталитических слоев топливных элементов с твердым полимерным электролитом
Диссертация
Настоящая работа посвящена исследованию и оптимизации каталитических слоев на основе твердого полимерного электролита, в том числе слоев для электрохимических генераторов, обратимых систем и кислородного насоса. Электрокаталитические слои являются сложной системой, эффективность их работы является функцией многих переменных. Одной из основных целей настоящей работы является математическое… Читать ещё >
Содержание
- 1. Введение
- 2. Литературный обзор
- 2. 1. Электрохимическая ячейка на основе твердополимерного электролита
- 2. 2. Мембранно-электродные блоки для ТЭ с ТПЭ
- 2. 3. Обратимые топливные элементы
- 3. Методика эксперимента
- 3. 1. Приготовление катализаторов
- 3. 2. Приготовление каталитического слоя
- 3. 3. Подготовка коллекторов тока
- 3. 4. Подготовка мембран
- 3. 5. Формирование МЭБ
- 3. 6. Измерение пористости
- 3. 7. Определение размеров частиц
- 3. 8. Конструкция обратимой ячейки
- 3. 9. Установка для исследования обратимой ячейки
- 3. 10. Методика исследования МЭБ в ячейке
- 3. 11. Методика электрохимических исследований
- 4. Результаты и обсуждение
- 4. 1. Влияние пористости каталитических слоев с ТПЭ на макрокинетику электрохимических процессов
- 4. 2. Исследование и оптимизация каталитических слоев на основе ТПЭ
- 4. 3. Исследование поведения разработанных каталитических композиций в обратимых топливных элементах
- 4. 4. Применение разработанных каталитических слоев на основе ТПЭ для электролиза с деполяризацией катода
Список литературы
- Фатеев В.Н. Электрокаталитические композиции для систем с твердым полимерным электролитом: Автореф. дис. докт. хим. наук. -М., 1993. -42 с.
- Yeager H.L., Steck A. Cation and Water Diffusion in Nafion Ion Exchange Membranes: Influence of Polymer Structure//! Electrochem. Soc. 1981. — Vol. 123. -No.9. — P. 1880−1884
- Xie G., Okada T. Water Transport Behavior in Nafion-117 Membranes//! Electrochem. Soc. -1995. Vol. 142. — No.9. — P. 3057−3062
- Zavodzinski T.A., Springer Т.Е., Davey !, Jestel R., Lopez C., Valerio J., Gottesfeld S. A comparative study of water uptake by and transport through ionomeric fuel cell membranes//! Electrochem. Soc. 1993. — Vol. 140. -No.7. -P. 1981−1985
- Zawodzinski T.A., Derouin C., Radzinski S. Water Uptake by and Transport Through Nafion-117 Membranes//! Electrochem. Soc. 1993. — Vol. 140. -No.4. — P. 1041
- Mosdale R., Srinivasan S., Analysis of performance and of water and thermal management in proton exchange membrane fuel cells//Electrochim. Acta. 1995. — Vol. 40. — No.4. — P. 413−421
- Springer Т.Е., Zavodzinski T.A., Gottesfeld S. Polymer Electrolyte Fuel Cell Model//! Electrochem. Soc. 1991. — Vol. 138. -No.8. — P. 2334
- Srinivasan S., Ticianelli E.A., Derouin C.R., Redondo A. Advances in solid polymer electrolyte fuel cell technology with low platinum loading electrodes//! Power Sources. 1988. — No.22. — P. 359−375
- Феттер К. Электрохимическая кинетика. М.: Химия, 1967. — 856 с.
- Баранов И.Е., Фатеев В. Н., Сысоев А. В., Русанов В. Д. Моделирование тонких каталитических слоев со случайным расположением частиц катализатора//ДАН. 1997. -Т.354. -N1. — С.55−58
- Чирков Ю.Г., Пшеничников А. Г. Расчет распределения потенциалов по толщине пористого электрода с учетом как ионного, так и электронного сопротивлений//Электрохимия. 1993. — Т.29. -N10. — С.1216
- Фатеев В.Н., Баранов И. Е., Сысоев А. В. Численное моделирование электрокаталитических слоев электролизеров с твердополимерным электролитом//Электрохимия. 1997. — Т.ЗЗ. — N8. — С. 967−970
- Latimer W.M. The Oxidation States of the Elements and their Potentials in Aqueous solutions. -New Jersey.: Prentice Hall, Inc. Englewood Cliffs, 1952. — 216 p.
- Hoare J.P., The Normal Oxygen Potential on Bright Platinum//! Electrochem. Soc. 1963. -Vol. 110.-N0.9.-P. 1019
- Yeager E., Krause P., Rao K.V. The Kinetics of the Oxygen-Peroxide Couple on Carbon//Electrochim. Acta. 1964. — Vol. 9. -No.8. — P. 1057
- Тарасевич M.P., Сабиров Ф. З., Мерцалова А. П., Бурштейн Р. Х. Ионизация кислорода на пирографите в щелочных растворах//Электрохимия. 1968. — Т.4. — С.432
- Davies М.О., Clark М., Yeager Е., Hovorka F. The Oxygen Electrode. Isotopic Investigations of Electrode Mechanism//! Electrochem. Soc. 1959. — Vol. 106. -No.l. -P. 56
- Чизмаджев Ю.А., Маркин B.C., Тарасевич M.P., Чирков Ю. Г. Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы). М.: Наука, 1971. — 364 с.
- Breiter М. Voltammetric Study of the Reduction of Molecular Oxygen on Bright Platinum in Perchloric Acid Solution/ZElectrochim. Acta. 1964. — Vol. 9. -No.4. — P. 441
- Sandler Y.L., Pantier E. A. The Effect of Electrode Pretreatment on the Oxygen Reduction on Platinum in Perchloric Acid//! Electrochem. Soc. 1965. — Vol. 112. — No.9. — P. 928
- Bianchi G., Mazza F., Mussini T. Catalytic Decomposition of Acid Hydrogen Peroxide Solutions on Platinum, Iridium, Palladium, and Gold Surfaces/ZElectrochim. Acta. 1962. — Vol. 7. -P. 457
- Uchida M., Aoyama Y., Eda N., Ohta A. New preparation method for polymer-electrolyte fuel cells//! Electrochem. Soc. 1995. — Vol. 142. — No.2. — P. 463−468
- Kim J., Lee S.-M., Srinivasan S. Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Performance with an Empirical Equation//! Electrochem. Soc. 1995. — Vol. 142. — No.8. — P. 2670−2674
- Paganin V.A., Ticianelli E.A., Gonzales E.R. Development and electrochemical studies of gas diffusion electrodes for polymer electrolyte fuel cells//! of Appl. Electrochem. 1996. — Vol. 26. -P. 297−304
- Акелькина C.B., Фатеев B.H., Величенко А. Б. Влияние модифицирования РЬ02 на образование кислорода и озона в системе с твердым полимерным электролитомУ/Электрохимия. 1998. — Т.34. — С. 904−907
- Якименко Л.М. Электродные материалы в прикладной электрохимии. М.: Химия, 1977.- 264 с.
- Арчаков О.В., Фатеев В. Н., Лютикова В. К. и др. Электрокаталитические свойства высокодисперсного карбида вольфрама в электролизе воды с твердым полимерным электролитом//Укр. хим. журн. 1988. — Т.54. -N7. — С.709
- Ticianelli Е.А., Berry J.G., Srinivasan S. Dependence of performance of solid polymer electrolyte fuel cells with low platinum loading on morphologic characteristics of the electrodes//! Appl. Electrochem. 1991. — Vol. 21. — P. 597−605
- Ye S., Vijh A.K., Dao L.H. A new Fuel Cell Electrocatalyst based on Highly Porous Carbonized Polyacrylonitrile Foam with Very Low Platinum Loading//! Electrochem. Soc. 1996.- Vol. 143. -No.l. P. L7-L9
- Ralf T.R. Proton Exchange Membrane Fuel Cells//Platinum Metal Rev. 1997. — Vol. 41. -No.3. -P. 102−113
- Taylor E.J., Anderson E.B., Vilambi N.R.K. Preparation of High-Platinum-Utilization Gas Diffusion Electrodes for Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells//! Electrochem. Soc. 1992. -Vol. 139. -No.5. — P. L45-L46
- Tamizhmani G., Capuano G.A. Improved Electrocatalytic Oxygen Reduction Performance at Platinum Ternary Alloy-Oxide in Solid Polymer Electrolyte Fuel Cells//! Electrochem. Soc. -1994. Vol. 141. -No.4. — P. 968−975
- Mukeijee S., Srinivasan S. Enhanced electrocatalysis of oxygen reduction on platinum alloys in proton exchange membrane fuel cells//! Electroanal. Chem. 1993. — Vol. 357. — P. 201−224
- Tamizhmani G., Capuano G.A. Life test of carbon-supported Pt-Cr-Cu electrocatalysts in Solid Polymer Fuel Cell//! Electrochem. Soc. 1994. — Vol. 141. -No.9. — P. L132-L134
- Lalande G., Guay D., Dodelet J.P., Majetich S.A., McHenry M.E. Electroreduction of Oxygen in Polymer Electrolyte Fuel Cells by Activated Carbon Coated Cobalt Nanocrystallites Produced by Electric Arc Discharge//Chem. Mater. 1997. — No.9. — P. 784−790
- Brito P. S.D., Sequeira C.A.C. Cathodic oxygen reduction on noble metal and carbon electrodes//! Power Sources. 1994. — Vol. 52. — P. 1−16
- Staiti P., Poltarzewski Z., Aldericci V., Maggio G., Giordano N., Fasulo A. Influence of electrodic properties on water management in a solid polymer electrolyte fuel cell//! Appl. Electrochem. 1992. — Vol. 22.-P. 663−667
- Mosdale R., Stevens P. New electrodes for hydrogen/oxygen solid polymer electrolyte fuel cell//Solid State Ionics. 1993. — Vol. 61. — P. 251−255
- Цыпкин M.A., Лютикова E.K., Фатеев B.H., Русанов В. Д. Каталитические слои для обратимой ячейки электролизер топливный элемент на основе твердого полимерного электролита//Электрохимия. — 2000. — Т.36. — N5. — С. 613−617
- E-TEK. Gas Diffusion Electrode and Catalyst Materials. 1995 Catalogue. -Natick, MA, USA: E-TEK, Inc., 1995. 52 p.
- Капица M. С. Синтез и исследование электрокаталитических композиций на основе платины: Автореф. дис. канд. хим. наук. Минск., 1990. — 20 с.
- Фатеев В., Арчаков О., Лютикова Е. Электролиз воды в системах с твердым полимерным электролитомЮлектрохимия. 1993. — Т.29. -N6. — С. 702.
- Арчаков О.В., Фатеев В. Н., Боброва Л. П. Способ изготовления мембранно-электродного блока. А.с. 1 429 594. — СССР. — 1981
- Капица М.С., Лютикова Е. К., Фатеев В. Н. и др. Получение электрокаталитических покрытий методом магнетронно-ионного распыления//Вопросы атомной науки и техники. -1987. N 2. — С.45−46
- Владимиров Б.Г., Гусева М. И., Куликова Л. Н., Фатеев В. Н. Способ изготовления электродов. А.с.125 183. — СССР. — 1986
- Пахомов В.П., Фатеев В. Н. Электролиз воды с твердым полимерным электролитом. М.: ИАЭ им. И. В. Курчатова, 1990. — с.29
- Флошин М.Я., Родионова Н. А., Авруцкая И. А. и др. Электролиз с твердым полимерным электролитом//Труды Моск. хим. техн. института им. Д. И. Менделеева. 1984. — Вып. 131. -С.12−13
- Yamguchi М., Shinohara Т., Taniguchi Н. Development of 2500 cm² solid polymer electrolyte water electrolyzer in WE-NET: Proc. of 12th World Hydrogen Energy Conference. Buenos Aires., 1998.-Vol.1.-P. 747−755
- Wakizoe M., Velev O.A., Srinivasan S. Analysis of proton exchange membrane fuel cell performance with alternate membranes/ZElectrochim. Acta 1995. — Vol. 40. — No.3. — P. 335−344
- Moore M., Martine C. Morphology and chemical properties of the Dow Perfluorosulfonate Ionomers//! Electrochem. Soc. 1989. — Vol. 22. -No.9. — P. 3594
- Ticianelli E.A., Derouin C.R., Redondo A., Srinivasan S. Methods to Advance Technology of Proton Exchange membrane Fuel Cells//! Electrochem. Soc. 1988. — Vol. 135. — No.9. — P. 22 092 214
- Raistrick !D. Modified gas diffusion electrodes for proton exchange membrane fuel cells: Ext. Abstr. 169th Meeting Electrochem. Soc. 1986. — Vol. 86−1. — P. 60
- Raistrick I.D. US Patent No 4 876 115. 1989. — P.4
- Wilson M.S., Gottesfeld S. Thin-film catalyst layers for polymer electrolyte fuel cell electrodes//! Appl. Electrochem. 1992. — Vol. 22. — P. 1−7
- Wilson M.S., Gottesfeld S. Thin-film gas diffusion electrodes//! Electrochem. Soc. 1992. -Vol. 139.-P.L28
- Wilson M.S., Valerio J.A., Gottesfeld S. Low Platinum loading electrodes for polymer electrolyte fuel cells fabricated using thermoplastic ionomers/ZElectrochim. Acta. 1995. — Vol. 40. -No.3.-P. 355−363
- Kumar G.S., Raja M., Parthasarathy. High performance electrodes with very low platinum loading electrodes for polymer electrolyte fuel cell//Electrochim. Acta. 1995. — Vol. 40. — No.3. -P. 285−290
- Sasikumer G., Parthasarathy S. Патент Индии № 264/MAS/93. 1993. — P.9
- Plzak V, Rohland В., Wendt H. Advanced Electrochemical Hydrogen Technologies//Modern Aspects of Electrochemistry. 1994. — No 26. — P. 13 5−13 8
- Taylor E.J., Anderson E.B., Vilambi N.R.K. Preparation of High-Platinum-Utilization Gas Diffusion Electrodes for Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells//! Electrochem. Soc. 1992. -Vol. 139. — No.5. — P. L45-L46
- Verbugge M.W. Selective Electrodeposition of Catalyst within Membrane-Electrode Structures//!. Electrochem. Soc. 1994. — Vol. 141. -No.l. -P. 46−53
- Millet P., Durand R, Dartyge E., Tourillon G., Fontaine A. Precipitation of Metallic Pt into Nafion ionomer Membranes//! Electrochem. Soc. 1993. — Vol. 140. -No.5. — P. 1373−1380
- Amadelli R, Fateev V. Solid Polymer Electrolyte based electrodes. Preparation, Electrochemistry and Application. M.: Издательство РНЦ «Курчатовский институт» IAE-5768/13, 1994.-43 с.
- Millet P., Durand R., Pineri M. Preparation of New Solid Polymer Electrolyte Composites for Water Electrolysis/Ant. J. Hydrogen Energy. 1990. — Vol. 15. — No.4. — P. 245−253
- Bevers D., Wagner N, Von Bradke M. Innovative Production Procedure for Low Cost PEFC Electrodes and Electrode/Membrane Structures//Int. J. Hydrogen Energy. 1998. — Vol. 23. — No. 1. -P. 57−63
- Nutall L.J. Development progress on solid polymer electrolyte fuel cells with various reactant sources. Electrochemical Energy Conversion Programs. General Electric Report. — 1982. — P. 78
- Chludzinski P.J., Danzig I.F., Fickett A.P., Craft D.W. Reversible fuel cells. General Electric Company Technical Report AFAPL-TR-73−34. General Electric Report. — 1973. — P.21
- Mahlendorf F., Peinecke V., Heinzel A., Ledjeff K. Reversible solid polymer fuel cell. Proceeding of 18th International Power Sources Symposium. Stratford-upon-Avon, 1993. — P.273−280
- Mitlitsky F., Myers В., Weisberg A.H. Regenerative Fuel Cell Systems/ZEnergy & Fuels. -1998.-No. 12.-P. 56−71
- Ahn J., Holze R. В? functional electrodes for an integrated water-electrolysis and fuel cell with a solid polymer electrolyte//J. Appl. Electrochem. 1992. — Vol. 22. — P. 1167−1174
- Капица M.C., Фатеев B.H. Закономерности синтеза платинового электрокатализатора в матрице твердого полимерного электролита//Электрохимия. 1993. — Т.29. — N 4. — С.547−550
- Пшеничников А.Г., Журавлева В. Н. К вопросу о структуре пористых газовых электродов//Электрохимия. 1970. — Т.6 — N 7. — С.998−1002
- Лидоренко Н.С., Мучник Г. Ф. Электрохимические генераторы. -М.: Энергоиздат, 1982. -С.83
- Шкловский Б.И., Эфрос А. Л. Электронные свойства легированных полупроводников. -М.: Наука, 1979. С. 121.
- Водород//Химическая энциклопедия. М., 1988. — Т. 1. — С. 775
- Fischer A., Jindra J., Wendt Н. Porosity and catalyst utilization of thin layer cathodes in air operated PEM-fuel cells//J. App! Electrochem. 1998. — Vol. 28. — P. 277−282
- Тарасевич M.P. Электрохимия углеродных материалов. M.: Наука, 1984. — 253 с.
- Lawson D.R., Whiteley L.D., Martin C.R., Szentirmay M.N., Song J.I. Oxygen reduction at Nafion film-coated platinum electrodes: transport and kinrtics//J. Electrochem. Soc. 1988. -Vol.135.-P. 2247
- Appleby A.J., Baker B.S. Oxygen reduction on platinum in thrifluoromethane sulfuric acid//J. Electrochem. Soc. 1978. — Vol. 125. — P. 404
- Parthasarathy A., Martin C.R., Srinivasan S. Investigations of the O2 Reduction Reaction at the Platinum/Nafion Interface Using a Solid-State Electrochemical Cell//! Electrochem. Soc. — 1991. — Vol. 138. -No.4.-P. 916−921
- Uribe F.A., Springer Т.Е., Gottesfeld S. Kinetics of oxygen reduction in Nafion coated electrodes//! Electrochem. Soc. 1992. — Vol. 139. — P. 765
- Ogumi Z., Takehara Z., Yosizawa S. Gas permeation in SPE method//! Electrochem. Soc. -1984.-Vol. 131.-P. 765
- Hsueh K.-L., Gonzalez E.R., Srinivasan S. Electrolyte Effects on Oxygen Reductions Kinetics at Platinum: a Rotating Ring-Disk Electrode Analysis/ZElectroChem. Acta. 1983. — Vol. 28. — No. 5.-P. 691−697 154
- Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby A. J., Electrode kinetics of oxygen reduction at carbon-supported and unsupported platinum microcrystallite/Nafion interfaces//!. Electroanal. Chem. -1992.-No.339.-P. 101−121
- Park W.K., Springer Т.Е., Srinivasan S. Kinetics of Fuel Cell at Platinum/Solid Polymer Electrolyte Interface//! Electrochem. Soc. 1989. — Vol. 136. — No.3. — P. 644−649
- Морозов А., Порембский В., Розенкевич M. Изотопные эффекты при электролизе воды в ячейке с твердым полимерным электролитом//Журн. физ. химии. 1989. — Т. 64. — С. 18.
- Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1969. — С.327.
- Фатеев В., Фридман А., Баранов И. Модель электрокаталитического слоя с твердополимерным электролитом//Электрохимия. 1994. — Т. 30. — С. 1256.
- Fateev V., Pachlova Е., Baranov I. et al. Mathematical model of SPE electrolyzer electrocatalytic layer. Proc. of the 11th World Hydrogen Energy Conference. Stuttgart: Schon and Wetzel, 1996. — V. 3. -P.2727.155