Улучшение характеристик топливных элементов за счет стерического эффекта углеводорода

Том 12 научных докладов, номер статьи: 14001 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1869 г.

1 Цитаты

Подробности о метриках

В этом исследовании сульфированный полиэфирсульфон, имеющий флуоренильные группы кардо-типа (FL-SPES), был исследован в качестве катодного связующего для улучшения характеристик топливных элементов за счет увеличения диффузии кислорода в катоде. Максимальная плотность мощности, достигнутая при использовании мембранно-электродного блока (МЭА), изготовленного из ФЛ-СПЭС с низкой ионообменной емкостью (МЭК) 1,31 мэкв/г, составила 520 мВт/см2, что более чем в два раза превышает аналогичный показатель БП-СПЭС (210 мВт/см2), имеющий типичные бифенильные группы с аналогичным МЭК. При высоком IEC 1,55 мэкв/г плотность мощности, полученная с помощью BP-SPES, улучшилась до 454 мВт/см2, но осталась ниже, чем у FL-SPES. Кроме того, хотя МЭК, степень набухания и удельное сопротивление были схожи, газопроницаемость ФЛ-СПЭС была улучшена примерно в три раза по сравнению с БП-СПЭС. Стерическая структура FL-SPES типа cardo увеличивает свободный объем между основными цепями полимера, что приводит к увеличению газообмена. Следовательно, на катоде усилилась диффузия кислорода, что привело к улучшению характеристик топливного элемента.

Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) привлекли внимание как транспортные, распределенные и портативные источники энергии нового поколения из-за их высокой плотности энергии, быстрого запуска и реагирования, а также превосходной долговечности. Нафион®, представитель перфторсульфоновой кислоты (PFSA), демонстрирует превосходную химическую и механическую стабильность и высокую ионную проводимость и широко используется в качестве связующего электрода-катализатора, а также мембраны для PEMFC1,2,3. Однако PFSA обладают существенными недостатками, такими как недостаточная термомеханическая стабильность, высокая стоимость, опасность для окружающей среды и ограниченные температурные окна эксплуатации. Поэтому было проведено множество исследований по разработке материалов на основе углеводородов в качестве альтернативы PFSA4.

Среди многих перспективных углеводородных полимеров5,6,7,8,9,10,11 сульфированный поли(эфирсульфон) (СПЭС) является дешевым благодаря простому методу синтеза, имеет низкую газопроницаемость из-за своей плотной и жесткой структуры. структуру и обладает превосходной термической стабильностью по сравнению с Нафионом6,7,8. Хотя значительный прогресс был достигнут в изучении использования электролитов из углеводородных полимеров в качестве мембран9,10, мало исследований было проведено о роли связующих веществ в слоях катализатора11,12,13,14, поскольку углеводородные полимеры обладают более низкими коэффициентами проницаемости для кислорода, чем PFSA13,14. , 15. Поскольку реакция восстановления кислорода (ORR), происходящая на катоде, протекает медленнее, чем реакция окисления водорода (HOR) на аноде, ORR на катоде является основной причиной потери поляризации и ключевым фактором, контролирующим скорость электрохимической реакции в PEMFC. операция14,15,16. Поэтому было проведено несколько исследований для улучшения скорости ORR с использованием связующего SPES в катодном слое катализатора, таких как улучшение диффузии кислорода за счет контроля микроструктуры катализатора, оптимизации загрузки связующего, добавления фосфорной кислоты и использования мультиблок-сополимеров в качестве функциональных групп12. ,13,17,18.

В этом исследовании мы сосредоточились на увеличении диффузии кислорода на катоде путем создания стерических структур, таких как флуоренильные группы кардо-типа (FL-SPES)19,20,21 вместо плоских структур бифенильных групп (BP-SPES), чтобы увеличить свободный объем в химической структуре SPES. Кроме того, мы определили, как диффузия кислорода влияет на производительность топливного элемента, проведя испытание одиночного элемента и сравнив МЭА с BP-SPES и FL-SPES в качестве катодного связующего.

BP-SPES (с бифенильными группами) и FL-SPES (с флуоренильными группами) были синтезированы поликонденсацией с 4,4'-дигидроксилбифенилом (DHBP) и 9,9-бис(4-гидроксифенилфлуореном)(HPFL) соответственно, как сообщалось ранее4 . Чтобы устранить влияние структурных различий и внутренних свойств, таких как IEC иономеров, BP-SPES и FL-SPES были синтезированы с аналогичными IEC и сгруппированы. Например, иономеры с низкими IEC 1,25 ± 0,05 мэкв/г были сгруппированы и обозначены BP1 и FL1, тогда как иономеры с высокими IEC 1,5 ± 0,05 мэкв/г были названы BP2 и FL2. Анодное связующее готовили путем смешивания Pt/C (40 мас.%, Vulcan XC-72, США), 5 мас.% раствора иономера Нафион и IPA смешивали с соответствующим количеством деионизированной воды во флаконе. Растворы катодного связующего готовили с использованием иономера Nafion в качестве эталона и полимеров BP-SPES и FL-SPES, таких как BP1, BP2, FL1 и FL2, после их протонирования. Кроме того, углеводородную мембрану (HCM) готовили с использованием коммерческого сульфированного поли(эфирсульфона) (SPES), приобретенного у Yanjin. Этот сульфированный полимер содержит бифенильные группы и степень его сульфирования составляет 50%. Мембрану изготавливали толщиной примерно 47 мкм, что аналогично толщине коммерческой мембраны Nafion212 (около 50 мкм). Дополнительная информация представлена ​​в Дополнительной информации (СИ).