Katalyzátory pro palivové články: směrování elektrokatalytické aktivity pro efektivní SOFC a PEM palivové články

Solid oxide fuel cells use a solid oxide electrolyte to conduct negative oxygen ions from the fuel cell cathode to the anode. Fuel cell devices are often composed of multiple fuel cells connected in series to form a stack, which increases the total amount of generated electricity. Each individual fuel cell contains three primary components: two electrodes (anode and cathode) and a conductive electrolyte. In the case of PEM fuel cells, each electrode is comprised of a porous, high-surface area material impregnated with an electrocatalyst, typically platinum or a platinum alloy. For fuel cells operating on pure H2, hydrogen gas is split into protons and electrons at the anode. The protons are conducted through the electrolyte membrane, and the electrons flow around the membrane, generating an electrical current. Platinum exhibits high activity for hydrogen oxidation and continues to be a frequently used electrocatalyst material. One major area of fuel cell research has been the reduction in platinum content without a concurrent decrease in cell performance, giving rise to an overall increase in cost effectiveness for the device. This is achievable through the use of engineered catalysts fabricated from platinum nanoparticles supported on conductive carbon (738581, 738549, and 738557). Pt-containing alloys are useful for devices operating on specialized fuel sources, such as methanol or reformate (H2, CO2, CO, and N2). Pt/Ru alloys, for example, have shown increased performance relative to pure Pt electrocatalysts with respect to methanol oxidation and carbon monoxide poisoning. Pt3Co is another catalyst of interest (particularly for PEMFC cathodes) and has demonstrated enhanced performance for the oxygen reduction reaction as well as high stability. Vulcan® XC72 is a mesoporous carbon black, used as a catalyst support. Several key requirements are considered when selecting a fuel cell electrolyte. Desirable properties include high proton conductivity, high chemical and thermal stability, and low gas permeability. Aquivion® D79-25BS is a perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer dispersion used in the fabrication of PEM separator membranes and as a component in heterogeneous catalysts.

Related ResourcesArticle: Materials for Thin Film Solid Oxide Fuel Cells (TF-SOFCs)Thin film solid oxide fuel cells offer technical advantages; review of TF-SOFC deposition methods for electrolyte thin films.Article: Advances in Materials for Solid Oxide Fuel CellsAs with all types of fuel cells, a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is capable of efficiently transforming chemical energy into electrical energy. Alternativní zdroje energie zaznamenávají během posledních let obrovský rozvoj. Nárůst výroby solární a větrná energie ale přináší i mnoho problémů vzhledem velmi omezeným možnostem regulace výroby elektřiny. To vede k přetěžování energetických soustav v důsledku akumulace energetických přebytků. Výroba elektrické energie z vodíku pomocí palivových článků představuje takovou alternativu. Palivové články s polymerní membránou (proton exchange membrane fuel cells PEMFC) se vyznačují provozem při nízké teplotě, nízkou hmotností a vysokou rychlostí změn výkonu. Proto jsou vhodné pro mobilní aplikace (auta na vodíkový pohon, zdroje k mobilním elektronickým systémům), jako lehké zdroje pro lokální vytápění s možností dálkově řízené regulace výkonu a v neposlední řadě v kombinaci s elektrolyzéry k uchovávání přebytků energie (energy storage) v procesu elektřina-vodík-elektřina. PEMFs jsou napájeny buď plynným vodíkem, anebo kapalnými médii s vysokou energetickou hodnotou (např. metanol). Srdcem článku je katalyzátor, který rozkládá palivo na protony a elektrony (anoda). Protony procházejí iontově vodivou membránou a jsou následovány elektrony vytvářejícími elektrický proud a na druhé straně membrány reagují na katodovém katalyzátoru s kyslíkem ze vzduchu na vodu. Katalyzátory, jsou v současné době tvořeny nanopráškovou platinou, což celý systém velmi prodražuje. Na našem pracovišti jsme vyvinuli zcela nový typ katalyzátoru chráněný americkými a japonskými patenty, který v podobě nanostrukturních tenkých vrstev oxidu ceru dopovaných malým množstvím Pt iontů vytvářenými v plazmatu deponujeme magnetronovým naprašováním na nanoporézní uhlíkové nosiče (uhlíkové nanotrubky nebo porézní vrstvy).

Podrobnosti o nových materiálech lze najít např na iFORUM UK. V současné době je další výzkum podporován především Evropským projektem "Design of Thin-Film Nanocatalysts for On-Chip Fuel Cell Technology" a projektem GAČR "Nové materiály pro planární palivové články". První testy ukázaly, že cena na jednotku výkonu je až 100 x nižší než v případě čisté platiny. Využití techniky depozice tenkých vrstev umožňuje kombinovat růst vrstev s planárními technologiemi známými z polovodičového průmyslu a tak připravit miniaturní mikročlánky integované na křemíkových čipech (viz projekt chipCAT) pro přímé napájení elektronických obvodů. Navrhovaná bakalářská práce bude zaměřena na studium chemických a strukturních vlastností katalytických vrstev Pt-CeOx pomocí pokročilých metod povrchové analýzy a mikroskopie s vysokým rozlišením. Cílem práce bude pochopení vlivu parametrů růstu vrstev na jejich fyzikálně chemické vlastnosti a aktivitu v PEMFC. Experimentální metody studia budou především fotoelektronová spektroskopie XPS, řádkovací elektronová mikroskopie SEM s chemickou analýzou EDX a řádkovací mikroskopie atomárních sil AFM a EDX analýza lamel připravených metodou fokusovaného iontového svazku FIB - SEM.

1. 11. 7. Opravdu musíme jezdit stále na benzin? Přestože se okolní svět tváří, jako by nebylo zbytí, některé alternativy již existují. Avšak s docházejícími světovými zásobami ropy, uhlí a zemního plynu se bude zřejmě muset světová energetika přehodnotit od základů.
2. Jak ale je možné energii uloženou ve vodíku uvolnit? Čtenáře jistě napadne vodík spálit, čímž by se uvolnila energie alespoň v podobě tepla. Nešlo by to ale nějak chytřeji?
3. Palivový článek je zařízení, které přeměňuje palivo za účasti oxidačního činidla přímo na elektrickou energii. Základním oxidačním činidlem je kyslík, ale často se používá rovnou vzduch. Pokud je palivem čistý vodík, používá se termín „vodíkový článek“.

Palivové články s roztavenými uhličitany patří do skupiny vysokoteplotních palivových článků. Tomu odpovídá rozsah pracovních teplot 600 - 700 °C. Jako elektrolyt se používá roztavená směs alkalických uhličitanů. Zpravidla se jedná o směs uhličitanů lithia, draslíku a sodíku, která je umístěna v tuhé porézní keramické matrici na bázi Li2OAl2O3. Tento typ vyžaduje spolu s kyslíkem přivádění oxidu uhličitého CO2 na katodu článku, kde je elektrochemicky přeměňován na ionty CO32-. Tyto ionty se pak pohybují roztaveným elektrolytem směrem k anodě, kde reagují s přiváděným palivem za vzniku vody a CO2. Jako palivo lze používat vodík či oxid uhelnatý CO, v praxi se používá zpravidla směs obou plynů. Ta vzniká například reformací metanu vodní parou.

Pro platinové katalyzátory na anodě bývá používána rutheniová modifikace, která zabraňuje otravě platiny meziprodukty vzniklými během reakce. DMFC představují alternativu k PEM, především v mobilních aplikacích. Výhodou je snadné ukládání paliva s vysokou hustotou energie a jednoduchá konstrukce článku. Při startu vyžaduje vysokoteplotní typy startovací vyhřátí. V praxi existují stacionární generátory o výkonu až 100 kW až 11 MW s palivovým článkem, který pracuje při teplotě okolo 100 °C a může být doprovázen konvenčním kotlem pro špičkové zatížení.

Vytápěcí systémy s palivovými články nabízejí významně vyšší celkovou účinnost KVET a nižší ztráty při přenosu energie, protože energie se využívá na místě. Vitovalor PT2 je příkladem energetického centra pro moderní rodinný dům, které kombinuje modul palivového článku, reformer a měnič s možností integrace systému uchovávání energie Vitocharge. PEM palivové články vyžadují membrány typu Nafion nebo ekvivalenty; jejich hydratace je kritická pro vodní management. Selhání membrán vede ke snížení vodivosti a degradaci výkonu. Pro mobilní aplikace a trakční systémy se vyvíjejí levnější katalyzátory a alternativní elektrolyty.

Typy palivových článků zahrnují AFC, PEMFC/PEFC, PAFC, DMFC, MCFC a SOFC. AFC využívají alkalický elektrolyt a mohou fungovat bez drahých platinových katalyzátorů; hlavní nevýhoda je citlivost na CO2. PEM/PEMFC využívají polymerní membrány a vyžadují platinové katalyzátory; výhody zahrnují flexibilitu pro mobilní aplikace, nevýhodou je citlivost na methanol crossover u DMFC. PAFC a MCFC pracují při vyšších teplotách a umožňují využití odpadního tepla, avšak vyžadují robustní materiály. SOFC pracují při vysoké teplotě a umožňují přímou konverzi uhlíkatých paliv, ale vyžadují dlouhé zahřívací cykly a zvládnutí materiálového namáhání.

Inovace v katalyzátorech mohou snížit cenu palivových článků a otevřít cestu k masové adopci. Příkladem jsou nano-rozptýlené železo-vázané katalyzátory na uhlíkových nosičích, které mohou dosáhnout srovnatelné aktivity s Pt-katalyzátory. Transmetalace a novelní způsoby syntézy umožňují zamezit tvorbě shluků železa a zlepšit stabilitu aktivních center. Tyto přístupy mají potenciál rozšířit použití palivových článků i na jiné procesy, využívající kyslík z vzduchu a levnější katalyzátory.

V závěru vývoje jsou klíčovými tématy redukce nákladů na katalyzátory, zlepšení nosičů katalyzátorů a řízení vodního managementu. Modifikace nosičů uhlíku, povrchové úpravy a analýza velikosti částic katalyzátorů umožňují optimalizovat aktivitu a stabilitu v PEMFC a dalších typech palivových článků. Katalyzátory na bázi Fe-NC s transmetalací představují slibnou cestu k levnějším systémům, které dosahují výkonu blízkého platině, s širokým potenciálem využití v různých procesech a technologických platformách.

tags: #katalyzatory #pro #palivove #clanky