Исследование влияния содержания платины на характеристики мембранно-электродных блоков топливного элемента с твердо-полимерным электролитом
DOI:
https://doi.org/10.26577/RCPh20259435Ключевые слова:
fuel cells, catalyst, membrane-electrode assembly (MEA), voltage, platinumАннотация
В данной работе представлен анализ влияния ключевых параметров, таких как содержание платины, температура и концентрация кислорода, на характеристики мембранно-электродных блоков (МЭБ), используемых в топливных элементах. Основной целью исследования является разработка рекомендаций по оптимизации состава катализаторов для достижения баланса между производительностью и экономичностью. Моделирование выполнено для трёх типов катализаторов: чистой платины (Pt), платины с добавлением никеля (Pt-Ni) и платины с добавлением кобальта (Pt-Co). Исследованы зависимости напряжения, мощности и эффективности от плотности тока с учётом активационных, омических и массовых потерь. Для оценки стабильности работы катализаторов использовался параметр изменения напряжения (ΔV) в диапазоне рабочих нагрузок. Результаты исследования демонстрируют, что содержание платины оказывает наиболее значительное влияние на производительность МЭБ. Оптимальное содержание платины составляет 1.0 усл. ед., при котором достигаются максимальные значения мощности и эффективности. Однако легированные катализаторы (Pt-Ni и Pt-Co) проявляют стабильность при меньших затратах, что делает их перспективными для применения. Также выявлена зависимость характеристик от температуры и концентрации кислорода, что подчёркивает важность контроля условий эксплуатации.
Библиографические ссылки
Tellez-Cruz M.M., Escorihuela J., Solorza-Feria O., Compañ V. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs): Advances and challenges // Polymers. – 2021. – Vol.13. – P.3064.
Pan M., Pan C., Li C., Zhao J. A review of membranes in proton exchange membrane fuel cells: Transport phenomena, performance and durability // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2021. – Vol.141. – P.110771.
Hua Z., Zheng Z., Pahon E., Péra M.C., Gao F. A review on lifetime prediction of proton exchange membrane fuel cells system // Journal of Power Sources. – 2022. – Vol.529. – P.231-256.
Wang X.R., Ma Y., Gao J., Li T., Jiang G.Z., Sun Z.Y. Review on water management methods for proton exchange membrane fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol.46(22). – P.12206-12229.
Jawad N. H., Yahya A.A., Al-Shathr A.R., Salih H.G., Rashid K.T., Al-Saadi S., Alsalhy Q.F. Fuel cell types, properties of membrane, and operating conditions: A review // Sustainability. – 2022. – Vol.14(21). – P.14653.
Jiao K., Xuan J., Du Q., Bao Z., Xie B., Wang B., Guiver M.D. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells // Nature. – 2021. – Vol.595(7867). – P.361-369.
Haider R., Wen Y., Ma Z.F., Wilkinson D.P., Zhang L., Yuan X., Zhang J. High temperature proton exchange membrane fuel cells: progress in advanced materials and key technologies // Chemical Society Reviews. – 2021. – Vol.50(2). – P.1138-1187.
Okonkwo P.C., Ige O.O., Uzoma P.C., Emori W., Benamor A., Abdullah A.M. Platinum degradation mechanisms in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) system: A review // International journal of hydrogen energy. – 2021. – Vol.46(29). – P.15850-15865.
Osmieri, L., Meyer, Q. Recent advances in integrating platinum group metal-free catalysts in proton exchange membrane fuel cells // Current Opinion in Electrochemistry. – 2022. – Vol.31. – P.100847.
Litkohi H.R., Bahari A., Gatabi M.P. Improved oxygen reduction reaction in PEMFCs by functionalized CNTs supported Pt–M (M= Fe, Ni, Fe–Ni) bi-and tri-metallic nanoparticles as efficient electrocatalyst // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol.45(43). – P.23543-23556.
Belenov S., Alekseenko A., Pavlets A., Nevelskaya A., Danilenko M. Architecture evolution of different nanoparticles types: relationship between the structure and functional properties of catalysts for PEMFC // Catalysts. – 2022. – Vol.12(6). – P.638.
Pavlets A.S., Alekseenko A.A., Tabachkova N.Y., Safronenko O.I., Nikulin A.Y., Alekseenko D.V., Guterman V.E. A novel strategy for the synthesis of Pt–Cu uneven nanoparticles as an efficient electrocatalyst toward oxygen reduction // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol.46(7). – P.5355-5368.
Xiao F., Wang Q., Xu G. L., Qin X., Hwang I., Sun C. J., Shao M. Atomically dispersed Pt and Fe sites and Pt–Fe nanoparticles for durable proton exchange membrane fuel cells // Nature Catalysis. – 2022. – Vol.5(6). – P.503-512.
