Механизм деградации катализатора катода полимерного топливного элемента: исследование и моделирование

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлена математическая модель деградации активной поверхности платинового катализатора в составе водородно-воздушного (кислородного) топливного элемента с протонпроводящим полимерным электролитом. Математическая модель представляет собой систему интегро-дифференциальных уравнений, решаемых методом конечных разностей. Модель учитывает явления: электрохимическое растворение наночастиц платины, рост частиц (за счет осаждения и миграции, созревания по Оствальду, коалесценции наночастиц платины на поверхности углеродного носителя), диффузию ионов платины в иономере и их внедрение в мембрану. Расчеты проводили для платиновых катализаторов двух типов: коммерческой моноплатиновой системы, синтезированной на саже, и каталитической системы, синтезированной на углеродных нанотрубках. В результате моделирования получены данные по распределению частиц платины по размерам и значения площади электрохимически активной поверхности в зависимости от времени ускоренного стресс-тестирования. Выявлен преобладающий механизм деградации катализатора – коалесценция наночастиц платины. Модель позволяет прогнозировать срок службы топливного элемента.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Э. М. Кольцова

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: koltsova.e.m@muctr.ru
Россия, Москва

В. А. Василенко

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Email: koltsova.e.m@muctr.ru
Россия, Москва

А. В. Женса

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Email: koltsova.e.m@muctr.ru
Россия, Москва

В. А. Богдановская

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: koltsova.e.m@muctr.ru
Россия, Москва

М. В. Радина

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: koltsova.e.m@muctr.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Meshalkin V.P., Belyakov A.V., Butusov O.B., Burukhina T.F., Khodchenko S.M., Garabadzhiu A.V., Dovì V.G., Bobkov V.I. State of the art and research development prospects of energy and resource-efficient environmentally safe chemical process systems engineering // Mendeleev Commun. 2021. V. 31. № 5. P. 593.
  2. Jahnke T., Futter G., Latz A.; Malkow T., Papakonstantinou G., Tsotridis G., Schott P., Gérard M., Quinaud M., Quiroga M., Franco A.A., Malek K., Calle-Vallejo F., Ferreira de Morais R., Kerber T., Sautet P., Loffreda D., Strahl S., Serra M., Polverino P., Pianese C., Mayur M., Bessler W.G., Kompis C. Performance and degradation of proton exchange membrane fuel cells: state of the art in simulation from atomistic to system scale // J. Power Sources. 2016. V. 304. P. 207.
  3. Zhao J., Li X., Shum C., McPhee J. A review of physics-based and data-driven models for real-time control of polymer electrolyte membrane fuel cells // Energy and AI. 2021. V. 6. 100114.
  4. Arif M., Cheung S.C.P., Andrews J. Different approaches used for simulation and simulation of polymer electrolyte membrane fuel cells: A review // Energy Fuels. 2020. V. 34. № 10. P. 11897.
  5. Shao-Horn Y., Sheng W.C., Chen S., Ferreira P.J., Holby E.F., Morgan D. Instability of supported platinum nanoparticles in low-temperature fuel cells // Top. Catal. 2007. V. 46. P. 285.
  6. Franco A.A., Tembely M. Transient multiscale modeling of aging mechanisms in a PEFC cathode // J. Electrochem. Soc. 2007. V. 154. № 7. P. B712.
  7. Darling R.M., Meyers J.P. Kinetic model of platinum dissolution in PEMFCs // J. Electrochem. Soc. 2003. V. 150. № 11. P. A1523.
  8. Bi W., Fuller T.F. Modeling of PEM fuel cell Pt/C catalyst degradation // J. Power Sources. 2008. V. 178. № 1. P. 188.
  9. Ahluwalia R.K., Arisetty S., Peng J.-K., Subbaraman R., Wang X., Kariuki N., Myers D.J., Mukundan R., Borup R., Polevaya O. Dynamics of particle growth and electrochemical surface area loss due to platinum dissolution // J. Electrochem. Soc. 2014. V. 161. № 3. P. F291.
  10. Holby E.F., Sheng W., Shao-Horn Y., Morgan D. Pt nanoparticle stability in PEM fuel cells: influence of particle size distribution and crossover hydrogen // Energy Environ. Sci. 2009. V. 2. № 8. P. 865.
  11. Ferreira P.J., la O’ G.J., Shao-Horn Y., Morgan D., Makharia R., Kocha S., Gasteiger H.A. Instability of Pt∕C electrocatalysts in proton exchange membrane fuel cells: a mechanistic investigation // J. Electrochem. Soc. 2005. V. 152. № 11. P. A2256.
  12. Carlton C.E., Chen S., Ferreira P.J., Allard L.F., Shao-Horn Y. Sub-nanometer-resolution elemental mapping of “ Pt 3 Co” nanoparticle catalyst degradation in proton-exchange membrane fuel cells // J. Phys. Chem. Lett. 2012. V. 3. P. 161.
  13. Chen S., Gasteiger H.A., Hayakawa K., Tada T., Shao-Horn Y. Platinum-alloy cathode catalyst degradation in proton exchange membrane fuel cells: nanometer-scale compositional and morphological changes // J. Electrochem. Soc. 2010. V. 157. P. A82.
  14. Ao Y., Chen K., Laghrouche S., Depernet D. Proton exchange membrane fuel cell degradation model based on catalyst transformation theory // Fuel Cells. 2021. V. 21. P. 254.
  15. Kovtunenko V.A., Karpenko-Jereb L. Study of voltage cycling conditions on Pt oxidation and dissolution in polymer electrolyte fuel cells // J. Power Sources. 2021. V. 493. P. 229693.
  16. Li Y., Moriyama K., Gu W., Arisetty S., Wang C.Y. A one-dimensional Pt degradation model for polymer electrolyte fuel cells // J. Electrochem. Soc. 2015. V. 162. № 8. P. F834.
  17. Yang Y., Bai M., Su L., Lv J., Hu C., Gao L., Li Y., Li Y., Song Y. One-dimensional numerical simulation of Pt-Co alloy catalyst aging for proton exchange membrane fuel cells // Sustainability. 2022. V. 14. P. 11462.
  18. Tochigi S., Dowaki K. Environmental impact assessment of PEM fuel cell combined heat and power generation system for residential application considering cathode catalyst layer degradation // Energies. 2023. V. 16. P. 1985.
  19. Xin H.L., Mundy J.A., Liu Z.Y., Cabezas R., Hovden R., Kourkoutis L.F., Zhang J.L., Subramanian N.P., Makharia R., Wagner F.T., Muller D.A. Atomic-resolution spectroscopic imaging of ensembles of nanocatalyst particles across the life of a fuel cell // Nano Lett. 2012. V. 12. P. 490.
  20. Yu Y., Xin H.L., Hovden R., Wang D., Rus E.D., Mundy J.A., Muller D.A., Abruna H.D. Three-dimensional tracking and visualization of hundreds of Pt-Co fuel cell nanocatalysts during electrochemical aging // Nano Lett. 2012. V. 12. P. 4417.
  21. Mitrichev I., Vasilenko V., Scherbakov A., Koltsova E. Simulation of PEMFC with Pt/CNT nanostructured cathode catalyst // Chem. Eng. Trans. 2016. V. 52. P. 1003.
  22. Kol’tsova E.M., Bogdanovskaya V.A., Tarasevich M.R., Vasilenko V.A., Stankevich M.M., Filippova E.B., Khoroshavina A.A. Computer aided simulation of hydrogen–oxygen (air) fuel cell with regard to the degradation mechanism of platinum catalyst on the cathode // Russ. J. Electrochem. 2016. V. 52. № 1. P. 53. [Кольцова Э.М., Богдановская В.А., Тарасевич М.Р., Василенко В.А., Станкевич М.М., Филиппова Е.Б., Хорошавина А.А. Компьютерное моделирование водородо-кислородного (воздушного) топливного элемента с учетом механизма деградации платинового катализатора на катоде // Электрохимия. 2016. Т. 52. № 1. С. 62.]
  23. Koltsova E., Vasilenko V., Shcherbakov A., Fokina E., Bogdanovskaya V. Mathematical simulation of PEMFC platinum cathode degradation accounting catalyst’s nanoparticles growth // Chem. Eng. Trans. 2018. V. 70. P. 1303.
  24. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии. Энтропия и вариационные методы неравновесной термодинамики в задачах химической технологии. М.: Наука, 1988.
  25. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии: методы неравновесной термодинамики: монография / Под ред. Жаворонков Н.М. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Юрайт, 2021.
  26. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии: массовая кристаллизация: монография / ответственный редактор Н.М. Жаворонков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Юрайт. 2023.
  27. Bogdanovskaya V.A., Kol’tsova E.M., Tarasevich M.R., Radina M.V., Zhutaeva G.V., Kuzov A.V., Gavrilova N.N. Highly active and stable catalysts based on nanotubes and modified platinum for fuel cells // Russ. J. Electrochem. 2016. V. 52. № 8. P. 723. [Богдановская В.А., Кольцова Э.М., Тарасевич М.Р., Радина М.В., Жутаева Г.В., Кузов А.В., Гаврилова Н.Н. Высокоактивные и стабильные катализаторы на основе нанотрубок и модифицированной платины для топливных элементов // Электрохимия. 2016. Т. 52. № 8. С. 810.]
  28. Bogdanovskaya V.A., Kuzov A.V., Radina M.V., Filimonov V.Y., Sudarev G.M., Osina M.A. Stability against degradation and activity of catalysts with different platinum load synthesized at carbon nanotubes // Russ. J. Electrochem. 2020. V. 56. № 12. P. 969. [Богдановская В.А., Кузов А.В., Радина М.В., Филимонов В.Я., Сударев Г.М., Осина М.А. Устойчивость к деградации и активность катализаторов с различным содержанием платины, синтезированных на углеродных нанотрубках // Электрохимия. 2020. Т. 56. № 12. С. 1083.
  29. Kuzov A.V., Tarasevich M.R., Bogdanovskaya V.A., Modestov A.D., Tripachev O.V., Korchagin O.V. Degradation processes in hydrogen–air fuel cell as a function of the operating conditions and composition of membrane–electrode assemblies // Russ. J. Electrochem. 2016. V. 52. № 7. P. 705. [Кузов А.В., Тарасевич М.Р., Богдановская В.А., Модестов А.Д., Трипачев О.В., Корчагин О.В. Деградационные процессы в водородо-воздушном топливном элементе в зависимости от рабочих условий и состава мембранно-электродных блоков // Электрохимия. 2016. Т. 52. № 7. С. 790.]
  30. Avakov V.B., Aliev A.D., Beketaeva L.A., Bogdanovskaya V.A., Burkovskii E.V., Datskevich A.A., Ivanitskii B.A., Kazanskii L.P., Kapustin A.V., Korchagin O.V., Kuzov A.V., Landgraf I.K., Lozovaya O.V., Modestov A.D., Stankevich M.M., Tarasevich M.R., Chalykh A.E. Study of degradation of membrane-electrode assemblies of hydrogen-oxygen (air) fuel cell under the conditions of life tests and voltage cycling // Russ J Electrochem. 2014. V. 50. P. 773. [Аваков В.Б., Алиев А.Д., Бекетаева Л.А., Богдановская В.А., Бурковский Е.В., Дацкевич А.А., Иваницкий Б.А., Казанский Л.П., Капустин А.В., Корчагин О.В., Кузов А.В., Ландграф И.К., Лозовая О.В., Модестов А.Д., Станкевич М.М., Тарасевич М.Р., Чалых А.Е. Исследование деградации мембранно-электродных блоков водородо-кислородного (воздушного) топливного элемента в условиях ресурсных испытаний и циклирования напряжения // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 8. С. 858].
  31. Ascarelli P., Contini V., Giorgi R. Formation process of nanocrystalline materials from x-ray diffraction profile analysis: Application to platinum catalysts // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 7.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Сравнение значений активной поверхности катодного катализатора 20Pt/CNT+15% ХС72 (0.50 мгPt/см2), полученных по регрессионной модели и разработанной модели деградации : 1 – по регрессионной модели; 2 – по зависимости (33). Точки – эксперимент, линии – расчет.

Скачать (2KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение частиц по размерам после моделирования 2000 циклов при различных значениях потенциала катода (только механизм электрохимического растворения платины): 1 – 1.2 В; 2 – 1.25 В; 3 – 1.27 В; 4 – 1.28 В; 5 – 1.3 В.

Скачать (23KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение среднего размера частицы платины в процессе циклирования для различных значений потенциала катода: 1 – 1.2 В; 2 – 1.25 В; 3 – 1.27 В; 4 – 1.28 В; 5 – 1.3 В.

Скачать (19KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение доли активной поверхности катализатора в результате моделирования при различном значении константы коалесценции: 1 – 1 × 10–17; 2 – 1 × 10–18; 3 – 1 × 10–19.

Скачать (20KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Влияние диффузии кристаллитов платины на распределение частиц по размеру и координате х: а – после моделирования 20 циклов; б – после моделирования 100 циклов.

Скачать (19KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределение частиц по размерам катодного катализатора 20Pt/CNT+15% ХС72 (0.50 мгPt/см2) при разном количестве циклов. Кривые: 1 – 0 циклов; 2 – 100 циклов; 3 – 500 циклов; 4 – 1000 циклов; 5 – 2000 циклов.

Скачать (14KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изменение среднего размера частиц платины катодного катализатора 20Pt/CNT+15% ХС72 (0.50 мгPt/см2) в процессе циклирования потенциала.

Скачать (1KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».