Разработка и получение катализаторов для водородных топливных элементов в Институте инноваций топливных элементов (NRC Canadа)

УДК 66-936.43

С. Г. Смердова, В. Небурчилов, О. Ю. Каргина

РАЗРАБОТКА И ПОЛУЧЕНИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ИНСТИТУТЕ ИННОВАЦИЙ ТОПЛИВНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ

Ключевые слова: топливный элемент, катализаторы, тонкие пленки.

Использование «чистой энергии» от водородных технологий и переход на экологически чистые источники энергии в странах с высокоразвитой экономикой является в настоящее время стратегической политикой. Канада занимает лидирующее положение по разработке и внедрению топливных элементов. В Лаборатории низкотемпературных топливных элементов Института инноваций топливных элементов (NRC Canada) занимаются разработкой топливных элементов, подложек и катализаторов, методов получения наноструктурированных катализаторов, технологий осаждения катализаторов в виде пленок и нанопо-рошков контролируемых размеров.

Обмен опытом и развитие отношений, безусловно, будут содействовать развитию направлений в разработке новых методов получения тонких пленок с целью использования их в различных производствах, в том числе в качестве катализаторов.

Keywords: fuel cell, catalysts, thin films.

Development and use of hydrogen technologies in the context of clean energy is a viable strategy in many developed countries in their pursuit to transition to environmentally friendly energy sources. Canada is a recognised world leader in development and commercialization of fuel cells.

A Laboratory ofLow Temperature Fuel Cells at the Institute for Fuel Cell Innovation of the National Research Council of Canada is dealing with development of fuel cells membrane electrode assemblies (MEAs), catalysts and catalyst supports. In particular, researchers are developing methods of formation of nano-structured catalysts, methods of precipitation of catalysts in the form offilms and nano-powders of controlled particle size.

Collaborative research and scientific exchange stimulate development of novel methods for thin films production that could be utilized in various industrial applications, including nano-catalysis.

Во время моей стажировки в Университете Виктория состоялся визит в г. Ванкувер в Канадский Национальный Совет по научным исследованиям (NRC Canada).

NRC - это государственное учреждение, которое занимается вопросами исследования и внедрения научных разработок, сотрудничает с университетами, государственными и частными компаниями, а также рассматривает результаты деятельности частных компаний с целью рекомендации государственного финансирования.

NRC включает несколько институтов, в том числе Институт топливных элементов, который был образован в 2002 году. Первым в мире демонстрационным транспортным средством, работающим исключительно за счет водородного топливного элемента, был междугородный автобус, разработанный в 1993 году [1]. Успех данного проекта доказал, что топливные элементы и вспомогательные компоненты могут функционировать как система. Все эти разработки способствуют признанию Канады, как мирового лидера водородных топливных элементов и являются базой для реализации Ванкуверской программы транспорта на топливных элементах.

Институт топливных элементов включает пять ведущих (основных) лабораторий:

- низкотемпературных топливных элементов;

- высокотемпературных топливных элементов;

- моделирования топливных элементов;

- испытаний и демонстрации топливных элементов;

- изучения коррозии и износа добывающего оборудования [2].

Наиболее крупная из перечисленных -это лаборатория низкотемпературных топливных элементов, состоящая из нескольких научных групп, которые занимаются следующими проблемами: разработкой катализаторов, мем-бранно-электродных блоков, топливных ячеек, сенсоров и диагностического оборудования.

Особо стоит отметить наличие лаборатории испытаний и демонстрации топливных элементов, которая позволяет проводить полный цикл промышленных испытаний разработанных топливных элементов с последующим их внедрением. Эта лаборатория включает стационарные тестовые установки для топливных элементов и батарей, климатическую камеру, пять мощных испытательных станций и вибрационную установку. Испытательные станции позволяют протестировать и оценить работу топливных элементов при различных температурах от -60 до +140оС. В Институте используются различные газы для тестирования, включая Н2, О2, N2, С02, СН4, С3Н8 и природный газ. Источники топлив хранятся при определенных условиях в малоразмерных емкостях и танках.

Во время моего пребывания в Институте я посетила лабораторию низкотемпературных топливных элементов, где состоялась беседа и обсуждение проблем катализа с доктором Владимиром Небурчиловым, научным сотрудником этой лаборатории. В лаборатории разрабатывают помимо топливных элементов,

сенсоров, также и катализаторы [3]. Институт является одним из основных разработчиков катализаторов и подложек для катализаторов водородных топливных элементов и батарей. В беседе рассматривался спектр вопросов исследований этой лаборатории, включая методы получения наноструктурированных катализаторов. Электрокатализатор является наиболее дорогим компонентом топливных элементов и батарей из-за использования дорогостоящий платины. В лаборатории разрабатываются различные технологии осаждения катализатора путем термического пиролиза, электростатического распыления, восстановления-импрегнирования, микроволнового метода с импульсным нагревом, резистивного термонапыления и другие.

Наиболее производительным и универсальным является метод резистивного термонапыления пленок или нанопорошков при сжигании металлорганических и металлнеорганических соединений, растворенных в толуоле, на различные подложки, дающий возможность осаждения пленок и образования нанопорошков с контролируемыми размерами, морфологией и кристалличностью.

Водородный топливный элемент с полимерной протонообменной мембраной Nafion, представляет собой блок, имеющий катод, анод, мембрану, токоподводы, графитовые газораспределители для водорода и кислорода (или воздуха), биполярные пластины, сенсоры влажности и температуры, нагреватели водорода. Несколько единичных топливных элементов обычно собираются в батарею (fuel cell stack).

Для получения анода и катода обычно используется углеродная подложка, имеющая наиболее развитую поверхность. Анод и катод имеют одинаковую конструкцию: на пористые углеродные листы различными методами напыляются катализаторы Pt и Pt-сплавы, соответственно, размеры частиц которых составляют 3-7 нм.

В лаборатории низкотемпературных топливных элементов были разработаны и запатентованы новые пористые углеродные подложки для катализаторов. Подложку, состоящую из углеродных частиц, имеющих сферическую форму, получают методом ультразвукового распыления органического соединения в воде с последующим его пиролизом при высоких температурах (УРП). Этот метод обеспечивает контролируемую пористость (от микро до макропор), высокую чистоту, удельная поверхность составляет 200-2000 м2/г, и стоимость в 5 раз ниже по сравнению с известными используемыми углеродными порошками.

В Институте также разрабатывают неуглеродные подложки для замены некоррози-онностойкого углерода в топливных водородных элементах. Основные методы их синтеза основаны на термогидролизе органических соединений переходных металлов таких как титaн, тантал, ниобий с последующим частичным восстановлением образованных оксидов

Основной составной частью топливного элемента является мембрана покрытая катализатором (catalyst coated membrane CCM), TOTOpaa в комбинации с импрегнированными тефлоном газодиффузионными углеродными листами (GDL) образуют мембранную электродную атешблею (membrane electrode accem-bly MEA). Процесс изготовления MEA заключается в следующем: мембрану, покрытую катализатором и два углеродных газодиффузионых листа по обеим сторонам сжимают с помощью термопресса при температуре 300-320оС, а затем каждый такой блок ис-пытывается с помощью испытательной станции для топливных элементов (Fuel Cell test station).

этих металлов в водороде при Т=600-800°С.

erW"!

Рецеркуляция использованного топлива

Кокпус

Электрод (Анод) пропускающий газ

Катализатор

Тепло

Водяное или воздушное

охлаждение

) Пары воды и воздуха

Кокпус

Электрод (Катод) пропускающий газ

Катализатор

Мембрана обмена Протонами

Рис. 1 - Водородный топливный элемент

Водород подается через газораспределитель (с различным дизайном газовых каналов) на анод, где протекает реакция окисления водорода с последующим образованием протонов, проходящих через протонообмен-ную мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. Кислород или воздух подается на катод, где происходит процесс восстановления кислорода с использованием внешних электронов и соединение с прошедшими через мембрану протонами. Единственным продуктом этой реакции является вода, что определяет топливный элемент как экологически чистый источник электроэнергии. Водород для таких систем получают в процессе ри-форминга углеводородного сырья, а затем его очищают до определенной степени. Важной проблемой при использовании водородных топливных элементов является получение водорода высокой чистоты.

За прошедшие два десятилетия правительство Канады вложило значительные инвестиции в производство топливных элементов (150 млн.$). Переход объек-

тов промышленности и транспорта на экологически чистые источники энергии во всем мире является в настоящее время актуальной задачей и стратегической политикой.

Литература

1. http:|//www.energy-units.ru/world-situation.php

2. http://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/ibp/ifci/about/organizational-chart.html

3.

http://fuelcell.su/index.php?Itemid=49&option=com_zo o&view=category&cat1egory_id=11

4. Юсупов, Р.А. Методика рентгенофлуоресцентного анализа остаточной концентрации иона металла в рамках оптимизации синтеза оксидов металлов / Р.А. Юсупов, Р.Ф. Абзалов, С.А. Бахтеев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009 - №2 - С.56-59.

© С. Г. Смердова - канд. хим. наук, доцент кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, sgsm2003@rambler.ru; В. Небурчилов - PhD, научный сотрудник Института инноваций топливных элементов при Национальном исследовательском совете Канады (Institute for Fuel Cell Innovation, National Research Council, NRC Canada); О. Ю. Каргина - PhD, MBA, советник по промышленным технологиям программы содействия проведению научно-исследовательских работ на Канадских предприятиях при Национальном исследовательском совете Канады (Industrial Research Assistance Program, NRC-IRAP, Canada).