Плазменные Наноматериалы для топливных элементов
Использование ФУМСНТ «ПЛАЗМАС» в топливных элементах
Совместно с ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН
Актуальность работы
Повышение эффективности катализа в электрохимических устройствах преобразования энергии позволит решить ряд важнейших задач альтернативной энергетики и приблизит желанный момент коммерционализации научных разработок и выхода таких устройств как ТЭ на рынок массового потребления. Работы в этом направлении ведутся во многих ведущих научных центрах мира, например Horizon fuel cells (Сингапур — Китай), Angstrom Power Inc (Канада), Toshiba (Япония), Samsung (Южная Корея), MTI MicroFuel Cells, Hitachi Maxell (Япония), DoCoMo – Aquafairy (Япония), Neah Power Systems (США), СEA (Франция), Fraunhofer Institut (Германия), в том числе и в ФТИ им. А.Ф. Иоффе
Предметная область
Устройства прямого преобразования энергии на основе твердополимерных топливных элементов (ТПТЭ). Наноструктурированные композиты на основе функционализированных углеродных нанотрубок для низкотемпературного электрокатализа в ТПТЭ. Портативные источники электроэнергии на базе ТПТЭ.
Основная идея
Повышение эффективности преобразования энергии в электрохимических системах. Разработка технологии материалов и исследование их свойств с целью создания электрокатализаторов ТПТЭ с повышенной эффективностью катализа
Полимерные нанокомпозиты с ФУМСНТ
Тонкие, легкие, гибкие электропроводящие пленки. Содержание УМСНТ до 99% масс. Электрическое сопротивление от 1 Ом/см до n ⋅100 кОм/см. Толщина 10 мкм — n ⋅100 мкм. Масса 1-2 мг/см².
Использование ФУМСНТ. Катализаторы в топливных элементах
Материал
ФУМСНТ Плазмас
МСУНТ Таунит
| Катализатор | Удельная плотность диффузионного тока, mA/cm² (истинной поверхности Pt) | Удельная плотность кинетического тока, mA/cm² (истинной поверхности Pt) | |
|---|---|---|---|
| 100 mV | 450 mV | 550 mV | |
| E-TEK | 0.17 | 0.052 | 0.024 |
| E-TEK+ Плазмас 1:1 | 0.90 | 0.091 | 0.060 |
| E-TEK+,Плазмас (HNO₃)1:1 | 1.8 | 0.22 | 0.060 |
| E-TEK+Плазмас (HNO₃+H₂SO₄)1:1 | 0.96 | 0.057 | 0.024 |
Плотность тока (mA/cm²) процесса восстановления кислорода на разных композитных катализаторах при разных потенциалах. Эффект сокатализа!
Выбран ФУМСНТ Плазмас по критериям:
- Эффективная технология
- Высокая диспергируемость
- Низкая себестоимость
- Производство СПб, Россия
Экспериментальная работа
Технология
1. Получение МСУНТ
Метод электродугового разряда в среде жидких ароматических углеводородов
↓
2. Плазмохимическая обработка
Плазменный разряд в среде Ar + O2 + N2 в равных долях при остаточном давлении 0.5 Торр, удельной мощности электрического разряда 0.05 Вт/см3 и частоте 40 МГц. Обработку осуществляли в течение 450 с
↓
3. Функционализация
| Метод функционализации | Содержание поверхностных соединений, % |
|---|---|
| ПХО | 3.8 |
| Термическое окисление | 0.42 |
| HNO3 + H2SO4 | 5.4 |
| HNO3 | 9.0 |
↓
4. Приготовление каталитических чернил
Pt/C + Nafion
↓
5. Изготовление МЭБ
Формирование КС
Готовый МЭБ
Исследование электрических характеристик МЭБ
E-TEK
Композит E-TEK + ФМСУНТ (HNO₃)ФМСУНТ – 11 %Pt/C – 69 %Nafion – 20 %
Скорость развертки 10 мВ/с, температура 24 С, воздух-водород
Скорость развертки 10 мВ/с, Температура 80 С, кислород-водород
Результат
Композит с ФМСУНТ PLASMAS показали удельную мощность в 2,2 раза выше, чем коммерческий катализатор E-TEK, а МКА Pt (массовая каталитическая активность Pt в ФМСУНТ PLASMAS) — выше в 4 раза !
Предлагается
- Проведение исследовательских работ по заказам
- Проведение совместных научно-исследовательских работ
- Разработка различных типов, видов модификации, функционализации материалов
- Разработка и изготовление лабораторного, опытного, промышленного оборудования для плазменной модификации материалов по согласованным параметрам
- Организация новых производств для плазменной модификации материалов