Прямой этанольно-воздушный топливный элемент на основе протонпроводящей мембраны и модифицированных платиновых катализаторов | 2017 ИФХЭ РАН

Прямой этанольно-воздушный топливный элемент на основе протонпроводящей мембраны и модифицированных платиновых катализаторов

М.Р. Тарасевич, В.А. Богдановская, А.В. Кузов, О.В. Корчагин, К.М. Плетнев, В.Е. Баулин

Лаборатория электрокатализа и топливных элементов
Лаборатория новых физико-химических проблем

Топливные элементы с прямым окислением жидкого возобновляемого топлива, такого как этанол, являются экологически безопасными высокоперспективными источниками энергии для портативного и стационарного применения. При этом основной проблемой их разработки является создание высокоэффективных и стабильных катализаторов.

Разработаны высокотемпературный и полиольный методы синтеза модифицированных платиновых бинарных и тройных анодных катализаторов PtM1 и PtM1M21 =  Sn, Ru, Sb; M2 = Ni, Co) из простых солей на углеродных наноматериалах (сажи, углеродные нанотрубки и нановолокна). Оценку активности и стабильности полученных катализаторов проводят в модельных растворах (0.5 М H2SO4 + 1 М СН3СООН). Разработан эффективный анодный катализатор PtSn/ХС72 (3:1, 40 мас. % Pt), активность которого в реакции окисления этанола составляет около 40 мА/мгкат при потенциале 0.4 В (обратимый водородный электрод). Исследование глубины окисления этанола методами газо-жидкостной хроматографии для ряда катализаторов на основе платины показало, что среднее количество электронов при окислении молекулы этанола составляет 3–4 в случае PtМ катализаторов, при этом скорость реакции значительно выше по сравнению с моноплатиновым каталазатором.

Предложены методы синтеза новых катодных катализаторов на основе платины, модифицированной неметаллами (S, P, Bi), обладающих высокой активностью в реакции электровосстановления кислорода и толерантностью к этанолу, способному проникать через мембрану в результате кроссовер-эффекта. При использовании таких катализаторов в активных слоях катодов мембранно-электродных блоков напряжение разомкнутой цепи выше на 100–200 мВ по сравнению с мембранно-электродными блоками на основе платиновых катализаторов.

Разработаны конструкции электродов, методы изготовления и испытания мембранно-электродных блоков на основе предложенных катализаторов. Максимальная плотность мощности этанольно-кислородного топливного элемента на основе мембраны Nafion 117®, катодного катализатора Е-ТЕК (40 % Pt), 1.0 мгкат./см2 и анодного катализатора PtSn/ХС72 (3:1, 40 мас. % Pt) составляет 50 мВт/см2 при рабочей температуре 70 оС и концентрации этанола в топливной смеси 1 моль/л. Проведено масштабирование мембранно-этанольных блоков до 50 см2, испытана батарея  таких полномасштабных блоков. Проведены ресурсные испытания этанольно-кислородного топливного элемента при постоянной нагрузке 0.5 В общей мощностью 1.2 Вт, показавшего стабильную работу в течение 220 ч.

Изготовлены лабораторные образцы и проведены их ресурсные испытания.

Уровень исследований соответствует современным достижениям в этой области.

Соисполнитель: Российский  химико-технологический  университет
им. Д.И. Менделеева.


Версия для печати Версия для печати
 
 
shadow shadow
Яндекс.Метрика