Электродные материалы и активные слои топливных элементов с протонпроводящей мембраной: технология, методы исследования

• Автор: Нечитайлов, Андрей Алексеевич
• Шифр специальности: 05.16.09
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 290 с. : ил.

Оглавление
Введение
ГЛАВА 1 Теоретический анализ факторов, определяющих эффективность топливного элемента и обоснование схемы исследования
1.1 Особенности электродного катализа воздушно-водородных топливных элементов с протонпроводящей мембраной

1.2 Две концепции активных слоев, требования и подходы

1.3 Методы и подходы при исследовании электродных материалов, активных слоев и процессов их функционирования

Выводы по главе

ГЛАВА 2 Экспериментальная часть

ГЛАВА 3 Разработка методов экспрессной оценки активности электродных материалов

3.1 Метод сравнительной оценки электрокаталитической активности электродных материалов топливных элементов
3.2 Возможности метода динамических разрядных кривых при исследовании топливных элементов для воздушно-водородного источника тока
Выводы по главе
ГЛАВА 4 Система а-СЛЧ
4.1 Научно-технологические основы двумерных (топких) активных слоев системы а-С-РЦ получаемых методом магнетронного сораспыления платины и углерода
4.1.1 Развитие метода магнетронного сораспыления в технологии электродного материала а-С-Р
4.1.2 Методы исследования структурных и физических характеристик топких слоев а-С-Р
4.1.3 Спектрофотометрический неразрушающий метод исследования магнетронно сораспыленных пленок а-С - Р(
4.1.4 Электрокаталитические характеристики тонких активных слоев а-С-Р
4.2 Физико-химические характеристики и стабильность электродного материала системы а-С-Рг
4.3 Научно-технологические основы активных слоев системы а-С-Р1 с трехмерной архитектурой
4.3.1 Особенности использования материала системы а-С-Р/ в активных слоях с трехмерной архитектурой
4.3.2 Оценка каталитической активности образцов электродного материала системы а-С-Р( традиционными методами
4.3.3 Модификация протонной проводимости и структуры электродного материала системы а-С-Р
Выводы по главе

ГЛАВА 5 Технологические аспекты электродов топливных элементов на основе макропористого кремния
5.1 О пористом кремнии
5.2 Современный взгляд на механизмы порообразования в технологии макропористого кремния
5.3 Разработка технологии кремнепористых электродов
5.4 Метод окислительной порометрии
5.4.1 Некоторые соотношения
Выводы по главе
ГЛАВА 6 Система Pt/C-(Red-Ox)/yHM
6.1 Технология и физико-химические характеристики электродных материалов
6.1.1 УНТ типа Плазмас
6.1.2 УНТ типа Таунит
6.1.3 Одностепные УНТ
6.1.4 УНМ, модифицированные полианилином
6.2 Электрохимическое поведение
6.2.1 Особенности циклических вольтамперограмм УНМ
6.2.2 Динамика характеристик при длительном электрохимическом воздействии
6.2.3 Кинетика восстановления кислорода на платиносодержащих композитах
6.3 Оценка перспективности использования электродных материалов в АС МЭБ
6.4 Стабильность системы Pt/C-УНТпри электрохимическом и термическом воздействии
6.5 Механизм влияния Red-Ox активатора на катодную реакцию
6.6 Массотранспортные характеристики и механизм влияния структурирующей добавки УНТ
Выводы по главе
ГЛАВА 7 Топливная ячейка - конструкция, материалы, особенности функционирования
7.1 Топливная ячейка
7.2 Мембранно-электродные блоки - технология активных слоев
7.3 Особенности функционирования мембранно-электродного блока в составе воздушноводородного топливного элемента
Выводы по главе
Заключение
Список литературы
Приложение

Введение
Актуальность темы диссертации
В силу своих особенностей, воздушно-водородные ТЭ являются перспективными устройствами, как для массового потребления, так и для специального назначения. Они малошумные, имеют высокий КПД, водород имеет высокую удельную энергоемкость. Открытие в 1838 году кислородно-водородного топливного элемента (ТЭ) принадлежит английскому ученому У. Грову. История ТЭ характерна взлетами и падениями интереса общества к ним. Это обусловлено как техническими и технологическими прорывами, так и социально-политическими причинами.
Одним из таких достижений в технологии (и конструкции) ТЭ является создание в 1960 гт. протонпроводящей мембраны Nafion (Walther Grot, DuPont), позволившей существенно уменьшить размеры мембранно-электродного блока (МЭБ) и повысить удобство эксплуатации ТЭ.
Создание нового типа электродных материалов — дисперсная платина на углеродном носителе взамен платиновой черни, используемой в начале развития ТЭ, позволило говорить о возможности массового использования ТЭ в качестве источников электроэнергии.
При жесткой конкуренции источников электропитания и высоких требованиях, предъявляемых к ним, для внедрения устройств на основе ТЭ в повседневный быт необходимо проделать большой путь. Он состоит из набора ключевых задач, без решения которых невозможно на данное время изготовить ТЭ с конкурентной себестоимостью н надлежащими техническими и эксплуатационными характеристиками. Необходимо обеспечить требования надежности, безопасности, длительности работы, энергоемкости, эффективности преобразования энергии.
Большая группа задач концентрируется в области электродных материалов и активных слоев (АС), так как от их эффективности зависят такие важные параметры как стабильность работы МЭБ, удельная мощность, эффективность электрокатализа, удельная загрузка платины, долгосрочность работы.
Фактическим стандартом на данное время являются электродные материалы, состоящие из платинированной углеродной сажи и нафиона. Разряд кислорода и водорода происходит на поверхности активной составляющей — платины, транспорт электронов осуществляется по углеродной составляющей, транспорт протонов по протонпроводящему полимеру нафиону, транспорт реагентов (кислород, водород), продукта электрохимической реакций (вода), сопутствующих веществ (азот, углекислый газ и пр.) по пористой системе материала.

наблюдаемая зависимость мало зависит от содержания платины в катализаторе в интервале 20-25 %.
мА/мг
Рисунок 4 - Разрядные и мощностные характеристики МЭБ (приведенные к 1 мг К в активном слое) на основе исследованных катализаторов при температуре 23-24 °С; о - Р1/С; □ — Р^Со/С;
Д - Р13№/С
300 350 400
Е, кДж/моль
Рисунок 5 - Зависимость удельной мощности МЭБ от энергии активации и температуры окисления углерода в металлуглеродном катализаторе;
• - температурная зависимость мощности; ■ - активационная зависимость мощности