Новая конструкция топливных элементов с высокой мощностью обеспечивает улучшенные характеристики и долговечность.

Рифленая конструкция электродов обеспечивает эффективность благодаря инновационной архитектуре

Новая многообещающая технология водородных топливных элементов имеет производительность на 50 выше, чем нынешняя современная технология, а также повышенную долговечность. Усовершенствованная конструкция электродов с канавками может помочь оптимизировать технологию топливных элементов следующего поколения для обеспечения безэмиссионного транспорта средней и большой мощности.

«У нас была теория, согласно которой, переосмыслив конструкцию электродов, мы могли бы добиться повышения их производительности», сказал Джейкоб Спенделоу, ученый-материаловед из команды Лос-Аламосской национальной лаборатории, который описал свои результаты в журнале Nature Energy «Один из наших главных выводов заключается в том, что новые материалы не единственный путь к улучшению производительности. Не менее важным может быть и способ соединения материалов.

a , Схема рабочего механизма рифленых электродов: гребни с высоким содержанием иономера способствуют усиленному транспорту H ⁺ (оранжевый), а канавки обеспечивают эффективный транспорт O ₂ (зеленый), что позволяет улучшить характеристики топливного элемента. b . Схема, показывающая транспорт O ₂ через плоский (вверху) и рифленый (нижний) электроды, подчеркивающая причину пониженного сопротивления транспортировке O ₂ в рифленых электродах. c — евклидово расстояние от внутренней части электрода до поверхности. Средние расстояния до поверхности для плоских электродов и электродов с канавками с расстоянием между канавками 12 мкм и 3 мкм составляют 6,0 мкм, 2,5 мкм и 0,73 мкм соответственно. г — реконструированная наноразмерная компьютерная рентгеновская томограмма рифленого электрода. e : изображение HAADF-STEM (вверху) и элементная карта STEM-EDS (внизу) электрода размером 1 мкм/3 мкм (I/C = 1,2). Красный, Пт; зеленый, F. Масштабные полосы, 5 мкм.

«Все, что мы сделали, это взяли обычные коммерчески доступные материалы и изменили способ их соединения, чтобы изменить микромасштабную архитектуру, и это привело к значительному повышению производительности».

Водородные топливные элементы и, в частности, версия технологии, называемая топливными элементами с протонообменной мембраной, представляют собой конструкцию двигателя без выбросов, в которой в качестве топлива используется водород. Топливные элементы могут изменить транспортный сектор средней и большой грузоподъемности, декарбонизировать который пока сложно.

Дизайн способствует эффективности и долговечности
В устройстве топливного элемента водород и кислород вступают в электрохимическую реакцию с образованием электрического тока, способного питать внешнее устройство, например электродвигатель. Электрохимические реакции происходят внутри электродов топливных элементов, которые включают катализатор на основе платины, обеспечивающий реакцию, и ионопроводящий полимер (иономер) для транспортировки протонов, необходимых для завершения реакции.

Спенделоу и его коллеги из лаборатории разработали конструкцию электрода с желобками, которая повышает эффективность транспортировки кислорода и протонов через устройство. Команда изготовила устройство в Центре интегрированных нанотехнологий Лаборатории, используя фотолитографию и глубокое реактивное ионное травление в масштабе микрометра (одна тысячная миллиметра) для создания шаблонов на кремниевых шаблонах для изготовления электродов. Полученный электрод состоит из гребней катализатора с высоким содержанием иономеров, разделенных пустыми канавками, которые протоны и кислород используют в качестве путей для более эффективного перемещения по системе.

Диагностика команды в сочетании с мультифизическим моделированием продемонстрировала улучшение транспорта кислорода. Машинное обучение также дало возможность управлять расчетами мультифизического моделирования, экономя вычислительное время. Примечательно, что рифленые электроды также повышают долговечность даже после углеродной коррозии.

История инноваций
Использование рифленых электродов одна из нескольких новых конструкций топливных элементов, к реализации которых приступила программа топливных элементов в Лос-Аламосе.

«Первоначальный мембранно-электродный блок топливного элемента был изобретен в Лос-Аламосе более 30 лет назад, но конструкция топливного элемента, используемая сегодня, практически не изменилась», сказал Спенделоу. «Этот рифленый электрод является одним из первых альтернативных электродов, которые могут заменить исторический электрод из Лос-Аламоса».

Команда разработчиков топливных элементов продолжит разработку конструкции рифленых электродов, особенно стремясь участвовать в исследованиях и разработках, ориентированных на производство. Долгосрочной целью является расширение масштабов производства для его внедрения на предприятии по производству рулонов с высокой скоростью и низкими затратами.

Источник: «Розовчатые электроды для топливных элементов с высокой плотностью мощности», Nature Energy. DOI: 10.1038/s41560-023-01263-2

About Author

VOST

See author's posts