Глобальная энергетическая и транспортная структура быстро меняется, а для возобновляемых источников энергии становятся доступны интеллектуальные технологии хранения. Топливные элементы станут важным компонентом интеллектуальной энергетической инфраструктуры, обеспечивающей локальное производство энергии для стационарных и мобильных комплексов. В транспортном секторе, в частности, электромобили, работающие на водородных топливных элементах, станут более распространенными и в скором времени смогут конкурировать с аккумуляторными электромобилями. В отличие от последних, которым необходимо не менее 30 минут для полной зарядки, транспортные средства на водородных топливных элементах не требуют времени на зарядку, что обеспечивает им преимущество. 

Кроме того, в электродных материалах для топливных элементов не используются токсичные вещества — чего нельзя сказать о современных литий-ионных аккумуляторных батареях.
 
Наши аналитические решения позволяют устранить многие проблемы при разработке и оптимизации топливных элементов, такие как стабильность полимеров в топливных элементах на основе протонообменных мембран (PEMFC), структурные изменения в топливных элементах на основе твердых оксидов (SOFC) в реальных условиях и эффективность катализаторов. В частности, наши приборы могут анализировать, как платина, поддерживаемая углеродом (платиновая чернь) и используемая в качестве катализатора электрохимических реакций в анодах и катодах PEMFC, влияет на эффективность топливных элементов. Критически важными параметрами, регулирующими эффективность топливных элементов для заданной загрузки платины, являются размер частиц платины, размер углеродных скоплений и состав каталитических чернил, что обеспечивает регулировку микроструктуры и макроструктуры слоя катализатора. Анализ этих факторов помогает производителям разрабатывать наиболее эффективные топливные элементы.

Как обеспечить высокую удельную активность катализатора топливного элемента?

Для топливных элементов PEMFC используются дорогостоящие платиновые катализаторы, как для реакций окисления водорода (HOR), так и для реакций на восстановление кислорода (ORR). Размер частиц платины, диспергированных на углеродной основе, напрямую влияет на каталитическую активность. Небольшие, хорошо диспергированные частицы платины имеют большую площадь поверхности и, следовательно, более высокую удельную активность и эффективность конверсии протона при заданной загрузке платины.

Тем не менее мелкие частицы могут становиться больше в случае использования топливных элементов при повышенных температурах из-за коалесценции посредством перемещения кристаллов или роста с помощью модифицированного процесса созревания Оствальда, в зависимости от микроструктуры поддерживающей углеродной матрицы. Микроструктура углеродных скоплений также играет важную роль в эффективном передвижении ионов. Следовательно, размер частиц платины и размер углеродных скоплений играют важную роль в оптимизации активности катализатора в электродах топливных элементов.

Как измерить размер частиц платины?

Для оценки размера частиц платины можно использовать измерения размеров кристаллитов, выполняемые с помощью рентгеновской дифракции (XRD). Это связано с тем, что в металлических наночастицах (обычно 1–10 нм), размер кристаллитов, скорее всего, будет равен размеру частиц. Это измерение может быть точно выполнено на компактном дифрактометре, например на нашем простом в эксплуатации приборе XRD Aeris. Aeris может использоваться для локального спекания, чтобы понять, как частицы платины укрупняются при температуре спекания, что позволяет более точно анализировать активность катализатора в элементах PEMFC.

Другим методом прямого измерения размера частиц платины является малоугловое рассеяние рентгеновского излучения (SAXS). SAXS отдельно или SAXS и XRD-анализ в сочетании с локальным спеканием могут быть выполнены при помощи нашей платформы рентгеновской дифракции (XRD) Empyrean, что позволит получить представление о том, как размер и укрупнение частиц платины влияют на эффективность работы топливных элементов.

Как измерить размер углеродных скоплений?

Углеродные частицы в катализаторах топливных элементов могут собираться в агломераты удлиненных форм до 0,5–5 мкм. Анализ этих форм помогает разработчикам топливных элементов максимально повышать эффективность. Для этого используется неразрушающий метод лазерной дифракции, который позволяет измерять частицы этих размеров и сравнивать распределение частиц по размерам в различных образцах. Наш прибор Mastersizer 3000 является ведущим в отрасли по стандартам измерения размера частиц с помощью лазерной дифракции. Для измерения можно использовать образцы сухих порошков или суспензий.

Другим методом измерения углеродных скоплений является динамическое рассеяние света (DLS). DLS измеряет размер частиц путем анализа броуновского движения частиц, диспергированных в жидкости. Крупные частицы движутся медленно, в то время как мелкие частицы движутся быстрее. DLS обеспечивает высокую точность для частиц углерода размером 1–1000 нм, которые не оседают под действием силы тяжести. Zetasizer — это идеальный инструмент для измерения размера углеродных скоплений в суспензии с помощью DLS. Помимо этого, Zetasizer может измерять дзета-потенциал для определения тенденции частиц к образованию больших скоплений.

Как измерить стабильность каталитических чернил?

В каталитических чернилах частицы платины, поддерживаемые углеродом, наряду с иономерами, диспергируются в жидкости и обычно имеют поверхностный заряд. Агломерация этих частиц может привести к неоднородному покрытию, что приведет к высокой устойчивости при передвижении ионов. Это можно проанализировать и предотвратить, измерив дзета-потенциал, который связан с поверхностным зарядом. Частицы с большим дзета-потенциалом (более 30 мВ) отталкиваются и менее склонны к образованию агломератов, что обеспечивает большую стабильность чернил. 

Zetasizer, в дополнение к измерению размера частиц, также может измерять дзета-потенциал. В частности, прибор подходит для измерения электропроводящих образцов, например каталитических чернил, с помощью специальной ячейки для измерения образцов с высокой концентрацией. Это позволяет разработчикам создавать более стабильные чернила, обеспечивая большую эффективность топливных элементов.

Наши решения

Expert solutions in топливные элементы. Contact us to discuss your challenges.
Связаться с отделом продаж Зарегистрируйтесь сейчас Загрузить брошюру