Разработка и исследование наноструктурированных электрокатализаторов для низкотемпературных водородно-кислородных топливных элементов

При выполнении этапа №1 проведены анализ научно-технической литературы, патентные исследования, сравнительная оценка электрокаталитических свойств платины и платиносодержащих структур, нанесенных на углеродные или другие типы носителей. Разработана методика испытаний катализаторов ТЭ, подготовлены стенды (установок) для исследований. Выполнен расчет ориентировочной экономической эффективности от внедрения, разработанных в результате проведения НИР, новых катализаторов с улучшенными характеристиками. Составлен промежуточный отчет.

Наименование темы НИР: «Разработка и исследование наноструктурированных электрокатализаторов для низкотемпературных водородно-кислородных топливных элементов», в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» научно-исследовательские работы (далее – работы) по лоту «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения (мероприятие Программы 1.6)» шифр «2007-6-1.6-00-01-024»
Наименование этапа НИР: «Экспериментальные исследования катализаторов топливных элементов. Обобщение и оценка результатов исследований»
Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, д. 1.
Ключевые слова: топливные элементы, электрокатализ, твердополимерный электролит, электрохимические полуэлементы, электрохимические измерения, платина, сплавы платины, наночастицы, нанокатализаторы.
Отчет 90 стр., 9 ч., 20 рис., 11 табл., 25 источников, 3 прил.

На основе литературных данных, методических исследований и полученных экспериментальных данных в области синтеза и изучения структуры самоорганизующихся наноструктурированных платино-углеродных материалов-электрокатализаторов для реакций окисления водорода (чистого и технического) и восстановления кислорода, усовершенствованы и разработаны методики получения и получены высокоэффективные Pt/C, Pt-Ru/C и Pt-Ni/C наноструктурированные катализаторы предназначенные для использования в низкотемпературных ТЭ (топливные элементы с твердополимерным электролитом, фосфорнокислотные топливные элементы).
В ходе изучения характеристик полученных материалов и совершенствования методов управления их составом и структурой проведено исследование:
- кинетических закономерностей процессов электроокисления водорода на наноструктурированных электродах с высокой удельной производительностью;
- закономерностей процессов переноса ионных и молекулярных потоков в межэлектродном пространстве в системах с новой элементной базой, включая наносистемы;
- влияния природы растворителя и концентрации компонентов маточного раствора на процессы нуклеации платины и ее сплавов;
- влияния состава PtNi сплава на каталитические характеристики PtNi/C материалов в реакции электровосстановления кислорода;
- влияния газового состава на стабильность электрокаталитических характеристик композитных катализаторов окисления водорода;
В ходе реализации проекта была разработана методика и найдены условия жидкофазного синтеза, которые позволили получить наноструктурированные Pt-Ni/C материалы с различным соотношением компонентов сплава (от 1:1 до 4:1). Проведена сравнительная оценка электрокаталитической активности синтезированных и коммерческих нанокатализаторов в реакции восстановления кислорода. Модернизирован и использован для изучения электрохимических процессов, протекающих в ТЭ экспериментальный стенд.
Получены расчетные данные по влиянию электронной проводимости каталитического слоя мембранно-электродных блоков (МЭБ) и омического падения потенциала в полимерном электролите на параметры топливного элемента. С применением перколяционной теории образования кластеров проведено математическое моделирование макрокинетики электрохимических процессов в каталитическом слое мембранно-электродного блока и оптимизирована структура слоя в исследуемых мембранно-электродных блоках.
Показано, что параметры мембранно-электродных блоков на основе синтезированных катализаторов с пониженным содержанием платины не уступают, а в некоторых ксловиях и превосходят по своим характеристикам МЭБ, выполненные на основе промышленного катализатора Pt (40 масс.%) + VulkanХС72 фирмы Jonson Mattey (Pt HiSPEC 4000).
Предложена методика расчета ориентировочной экономической эффективности от внедрения разработанных в результате проведения НИР катализаторов с улучшенными характеристиками, на основе которой проведено технико-экономических исследование эффективности внедрения ТЭ с новыми катализаторами с улучшенными характеристиками в народное хозяйство. Показано, что в результате выполнения проекта может быть достигнуто существенное снижение стоимости электрохимических генераторов на основе топливных элементов с твердополимерным электролитом.
Сформулированы требования для технического задания на разработку ТЭ с новыми катализаторами
Опубликованы и направлены в печать пять статей. Подготовлена к защите диссертационная работа.