Мембранно-электродные блоки портативного топливного элемента для широкого диапазона условий эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Меншарапов Руслан Максимович
Меншарапов Руслан Максимович
кандидат наук
2025
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 194
Оглавление диссертации кандидат наук Меншарапов Руслан Максимович
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Топливный элемент с протонообменной мембраной (ПОМТЭ)
1.2. Основные компоненты ПОМТЭ
1.2.1. Биполярные и концевые пластины
1.2.2. Газодиффузионный слой
1.2.3. Каталитический слой
1.2.4. Протонообменная мембрана
1.3. Влияние внешних условий эксплуатации на компоненты ПОМТЭ
1.3.1. Стандартные условия эксплуатации ПОМТЭ
1.3.2. ПОМТЭ в условиях низкой влажности реагентов
1.3.3. ПОМТЭ в условиях высокой влажности реагентов
1.3.4. ПОМТЭ в условиях низких температур
1.3.5. ПОМТЭ в условиях повышенных температур
1.3.6. ПОМТЭ вне стандартных условий эксплуатации
1.4. Способы расширения диапазона условий эксплуатации ПОМТЭ
1.4.1. Стратегии с использованием вспомогательных устройств
1.4.2. Модифицирование компонентов ПОМТЭ
1.5. Выводы к Главе
Глава 2. Материалы и экспериментальные методы исследования ПОМТЭ
2.1. Методика синтеза композитных электрокатализаторов
2.2. Методика модифицирования протонообменных мембран
2.3. Методика изготовления мембранно-электродных блоков
2.4. Структурные методы исследования электрокатализаторов
2.4.1. Метод БЭТ
2.4.2. Электронная микроскопия
2.4.3. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
2.4.4. Рентгеноструктурный анализ
2.4.5. Рентгеноабсорбционная спектроскопия
2.5. Электрохимические методы исследования электрокатализаторов
2.5.1. Метод циклической вольтамперометрии
2.5.2. Метод ускоренного стресс-тестирования
2.5.3. Метод вращающегося дискового электрода
2.6. Методы исследования протонообменных мембран
2.6.1. Метод определения влагоемкости
2.6.2. Метод малоуглового рентгеновского рассеяния
2.6.3. Термогравиметрический анализ
2.6.4. Электронная микроскопия
2.6.5. Метод определения удельной проводимости
2.6.6. Исследование механических свойств протонообменных мембран
2.7. Электрохимические методы исследования мембранно-электродных блоков
2.7.1. Регистрация вольтамперных и потенциостатических характеристик
2.7.2. Импедансная спектроскопия
2.7.3. Методика проведения испытаний в широком диапазоне условий
Глава 3. Исследование стандартных и модифицированных компонентов
мембранно-электродных блоков ПОМТЭ
3.1. Структурные исследования стандартных и модифицированных электрокатализаторов
3.1.1. БЭТ анализ
3.1.2. Просвечивающая электронная микроскопия
3.1.3. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия
3.1.4. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
3.1.5. Рентгеноабсорбционная спектроскопия
3.1.6. Рентгеновская порошковая дифракция
3.2. Электрохимические исследования стандартных и модифицированных электрокатализаторов
3.2.1. Циклическая вольтамперометрия
3.2.2. Метод вращающегося дискового электрода
3.3. Структурные и электрохимические исследования стандартных и модифицированных протонообменных мембран Кайоп®
3.3.1. Результаты модифицирования мембран
3.3.2. Влагоемкость
3.3.3. Термогравиметрический анализ
3.3.4. Удельная проводимость
3.3.5. Электронная микроскопия и энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия
3.3.6. Метод малоуглового рентгеновского рассеяния
3.4. Электрохимические исследования ПОМТЭ со стандартными и модифицированными компонентами
3.4.1. ПОМТЭ с модифицированными SnO2 каталитическими слоями
3.4.2. ПОМТЭ с модифицированными SiO2 каталитическими слоями
3.4.3. ПОМТЭ с модифицированной протонообменной мембраной 122 Глава 4. Исследование влияния отрицательных температур на структурные
и электрохимические параметры ПОМТЭ со стандартными и модифицированными компонентами
4.1. Влияние низких температур на электрохимические свойства
компонентов мембранно-электродного блока
4.1.1. Активность электрокатализаторов в реакции восстановления кислорода
4.1.2 Протонная проводимость мембран
4.2. Влияние циклов замораживания-оттаивания на структуру и морфологию компонентов мембранно-электродного блока
4.2.1. Механические свойства мембран
4.2.2. Структура мембран: метод малоуглового рентгеновского рассеяния
4.2.3. Структура мембранно-электродного блока: метод сканирующей электронной микроскопии
4.3. Влияние циклов замораживания-оттаивания на электрохимические
характеристики ПОМТЭ
4.3.1. Вольтамперные характеристики в циклах замораживания-оттаивания
4.4. ПОМТЭ с модифицированными компонентами в условиях отрицательных температур
4.4.1. Структура мембранно-электродного блока с модифицированными компонентами: электронная микроскопия
4.4.2. Вольтамперные характеристики мембранно-электродного блока с модифицированными компонентами
4.4.3. Импедансная спектроскопия
4.3.2. Метод импедансной спектроскопии
Глава 5. Исследование влияния повышенных температур и низкой влажности на структурные и электрохимические параметры ПОМТЭ со стандартными и модифицированными компонентами
5.1. Стабильность электрокатализаторов ПОМТЭ
5.2. Моделирование и оптимизация параметров ПОМТЭ на основе теоретических расчётов
5.3. Электрохимические исследования ПОМТЭ с модифицированными каталитическими слоями
5.4. Электрохимические исследования ПОМТЭ с модифицированной протонообменной мембраной
Глава 6. Исследование влияния высокой влажности и концентрации кислорода на электрохимические параметры ПОМТЭ со стандартными и модифицированными компонентами
6.1. Модельные исследования ПОМТЭ в условиях повышенной влажности
6.2. Эксплуатация ПОМТЭ в условиях повышенной влажности
6.3. Эксплуатация ПОМТЭ при различной концентрации кислорода
Глава 7. Компоненты ПОМТЭ оптимизированного состава для широкого диапазона условий эксплуатации
7.1. Оптимизация состава и структуры электрокатализатора
7.2. Оптимизация состава и структуры протонообменной мембраны
7.3. Мембранно-электродный блок оптимизированного состава
Заключение
Список публикаций по теме диссертации
Список сокращений и условных обозначений
Благодарности
Приложение А
Список литературы
Введение
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Влияние метода синтеза и условий активации на состав, структуру и электрохимическое поведение PtCu/C катализаторов для катода топливного элемента с протонообменной мембраной2024 год, кандидат наук Павлец Ангелина Сергеевна
Получение и свойства перфторированных мембран, модифицированных платиной, для водородного топливного элемента2022 год, кандидат наук Кудашова Дарья Сергеевна
Методы повышения коррозионно-морфологической стабильности платиносодержащих электрокатализаторов для низкотемпературных топливных элементов2023 год, кандидат наук Могучих Елизавета Антоновна
Разработка научных основ технологии биполярных пластин для топливных элементов с протонобменной мембраной2023 год, кандидат наук Фаддеев Никита Андреевич
Электрохимические характеристики перфторполимеров в составе водородно-воздушного топливного элемента с биметаллическими PtCu/С катализаторами2024 год, кандидат наук Тицкая Екатерина Витальевна
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мембранно-электродные блоки портативного топливного элемента для широкого диапазона условий эксплуатации»
Актуальность работы
В настоящее время растущее потребление энергии в мире, а также ряд экологических проблем привели к развитию и расширению внедрения технологий возобновляемой энергетики. Мировое сообщество постепенно увеличивает долю альтернативных энергоносителей на энергетическом рынке, в частности, использование водорода. Одним из наиболее перспективных устройств для получения электроэнергии из водородного топлива является топливный элемент с протонообменной мембраной (ПОМТЭ). Основными преимуществами данного типа ТЭ являются быстрый запуск, малые габариты и масса на единицу генерируемой мощности, а также невысокая рабочая температура. Данные особенности делают ПОМТЭ подходящими генераторами электроэнергии для портативных устройств, транспортных средств, для систем резервного энергообеспечения, а также для автономных систем энергоснабжения удаленных регионов. Однако для эффективной эксплуатации ПОМТЭ и повышения рентабельности устройств на их основе необходимо обеспечение устойчивой работы ТЭ в широком диапазоне внешних условий: влажности реагентов и температуры окружающей среды. Ключевым компонентом ПОМТЭ является мембранно-электродный блок (МЭБ), состоящий из протонообменной мембраны (ПОМ), каталитических слоев (КС) и газодиффузионных слоев (ГДС). Состав и структура МЭБ определяет эффективность ПОМТЭ в целом, диапазон условий его эксплуатации и ресурсные характеристики.
В качестве ПОМ обычно применяют мембраны марки №!:юп® (DuPont, США), представляющие собой перфторированный полимер с функциональными сульфогруппами. В соответствии с кластерной моделью протонная проводимость мембран такого типа зависит от концентрации воды в ее объеме [1]. При более высоком содержании влаги в структуре ПОМ происходит образование большего количества ионных каналов, соединяющих противоположные стороны мембраны, и, соответственно, большее количество протонов может быть перенесено. Поэтому недостаток влаги в ПОМ приводит к увеличению ионного
сопротивления. Таким образом, концентрация воды в объеме компонентов МЭБ ПОМТЭ определяет эффективность и стабильность работы устройства.
Высокие температуры и низкая влажность входящих реагентов могут приводить к ускоренному осушению компонентов МЭБ и падению протонной проводимости мембраны и иономера в составе КС. В дополнение к влиянию внешних условий на концентрацию воды в МЭБ, в ходе работы ТЭ происходит сдвиг водного баланса в сторону катодного электрода в результате электроосмотического переноса молекул воды [2], что затрудняет перенос протонов с анодной стороны.
При высокой влажности реагентов возможна избыточная конденсация воды в порах ГДС и КС и, соответственно, уменьшение свободного объема пор [3,4]. Излишки влаги затрудняют подвод реагентов к активным центрам электрокатализатора, что приводит к снижению выходной мощности ПОМТЭ. Для предотвращения «затопления» ГДС и КС проводят гидрофобизацию материалов внедрением частиц фторсодержащих полимеров, в частности политетрафторэтилена [5]. Однако при использовании атмосферного воздуха в качестве реагента на катоде неизбежно происходит неконтролируемое изменение влажности, что требует более совершенных методов стабилизации водного баланса.
Температура внешней среды и реагентов является одним из главных факторов, определяющих эффективность и ресурс работы ПОМТЭ. В ходе эксплуатации в условиях изменяющихся температур происходит термическое изменение объема компонентов МЭБ, особенно существенно оно проявляется при использовании ТЭ в условиях отрицательных температур, что может сопровождаться образованием льда из избытка воды, содержащегося в объеме МЭБ [6-8]. С целью запуска ПОМТЭ при отрицательных температурах проводят процедуру «холодного пуска», которая заключается в нагреве ПОМТЭ от отрицательных температур до 0 °С. Таким образом, циклическое образование и таяние льда имеет место при повторяющейся остановке и «холодном пуске» ПОМТЭ при отрицательной температуре окружающей среды. В таких условиях
образование льда может приводить к механическому повреждению электродов и мембраны ТЭ [9-12]. Для ПОМ, помимо образования крупных дефектов, возможна также переорганизация наноструктуры ввиду подвижности коротких боковых цепей в ходе циклирования температур [13]. Также механическая деформация структуры и возникновение дополнительных напряжений при заморозке мембраны может ускорять ее деградацию [14].
Температура ТЭ оказывает влияние на эффективность протекания реакции на активных центрах электрокатализатора. Таким образом, необходимо учитывать снижение активности электрокатализаторов в условиях пониженных температур [15] при разработке стратегий «холодного пуска» ПОМТЭ.
Для стабилизации водного баланса в объеме компонентов МЭБ в составе КС и ПОМ могут применяться гидрофильные соединения, способные сорбировать воду при пониженной влажности реагентов и повышенной температуре, предотвращать деградацию ПОМТЭ при заморозке, а также сохранять влагу в ПОМ в условиях переменной влажности. В качестве наиболее популярных модифицирующих соединений выступают оксиды металлов, диоксид кремния, фосфат циркония. Частицы данных соединений за счет химической и физической адсорбции воды на их поверхности выполняют роль дополнительных центров связывания воды [16].
Таким образом, задачи исследования процессов, возникающих при эксплуатации ПОМТЭ в широком диапазоне внешних условий, оптимизация состава, структуры и методов модифицирования МЭБ и/или его компонентов являются актуальными при разработке высокоэффективного в различных условиях ПОМТЭ, обладают научной новизной, практической и фундаментальной значимостью, что характеризует актуальность представленной работы.
Степень разработанности темы исследования
Несмотря на значительное количество исследований по модифицированию компонентов МЭБ, ранее работы проводились в узких пределах внешних условий и не затрагивали широкие диапазоны температур ПОМТЭ и влажности реагентов.
В частности, уделено недостаточно внимания влиянию модификаторов на устойчивость ПОМТЭ к отрицательным температурам. Стоит отметить, что на сегодняшний день также отсутствуют работы по исследованию влияния модифицирования мембран на ее структуру и стабильность в ходе циклов замораживания-оттаивания. В случае частичного модифицирования компонентов МЭБ отсутствуют исчерпывающие данные по оптимальному положению модифицированного слоя в ТЭ. Также в опубликованных работах не проводились исследования по оптимизации положения и концентрации модификатора в слоях МЭБ, предназначенных для работы в широком диапазоне внешних условий, включая отрицательные температуры, повышенные температуры и низкие влажности реагентов, а также условия избытка влаги. Цели и задачи
Целью настоящей работы является исследование и оптимизация процессов, протекающих в мембранно-электродном блоке (МЭБ) портативного топливного элемента с протонообменной мембраной (ПОМТЭ), путем модифицирования его состава и структуры для широкого диапазона условий эксплуатации.
Для достижения целей были сформулированы следующие задачи:
1. Разработать и оптимизировать методы модифицирования компонентов МЭБ, провести структурные и электрохимические исследования полученных компонентов.
2. Исследовать влияние введения модификатора в компоненты МЭБ на стабильность структуры и электрохимических свойств МЭБ под действием низких температур (в условиях циклов замораживания-оттаивания).
3. Исследовать механизмы стабилизации водного баланса в объеме ПОМТЭ при добавлении модификатора в условиях повышенных температур и низкой влажности, оптимизировать положение модификатора с использованием численного моделирования и электрохимических исследований.
4. Оптимизировать состав и структуру модифицированного МЭБ для широкого диапазона условий эксплуатации.
Научная новизна
1. Разработан оригинальный метод синтеза композитных электрокатализаторов, модифицированных SnO2 и SiO2. Показано, что оптимальное содержание диоксида олова в составе электрокатализатора составило 10 мас. % (Pt20/SnO210/C), а диоксида кремния - 7 мас. % (Pt20/SiO2 Определены структурные и физико-химические параметры полученных электрокатализаторов.
2. Установлено, что участие диоксида олова в качестве сокатализатора платины в реакции восстановления кислорода обеспечивает высокую кинетическую активность электрокатализаторов в диапазоне температур от 0 °С до 50 °С.
3. Впервые показано влияние циклов замораживания-оттаивания на структуру модифицированной ПОМ, методом МУРР определено стабилизирующее действие наночастиц SiO2 в объемномодифицированной ПОМ.
4. Впервые предложен механизм повышения устойчивости МЭБ к циклам замораживания-оттаивания за счет введения частиц модификатора в состав его компонентов. Применение композитного электрокатализатора и ПОМ обеспечивает сорбцию избыточной влаги, а также позволяет снизить необходимое для стабильной работы ПОМТЭ количество свободной воды в объеме МЭБ. Установлено, что снижение количества жидкой воды в порах КС при использовании модифицированных компонентов увеличивает долговечность МЭБ в циклах замораживания-оттаивания.
5. Разработан МЭБ оптимизированного состава для широкого диапазона условий эксплуатации (температура ПОМТЭ от -35 ^ до 80 °С, влажность газов от 10 % до 100 %, содержание кислорода в катодном реагенте от 10 % до 100 %), включающий объемномодифицированную ПОМ с 5 мас. % SiO2 и анодный КС на основе электрокатализатора Pt20/SiO27/C.
Практическая значимость работы
Разработанные композитные материалы позволяют существенно расширить рабочий диапазон температур и влажностей входящих газов ПОМТЭ.
Использование Pt20/SiO27/C в качестве анодного КС и объемномодифицированной мембраны с 5 мас. % SiO2 может обеспечивать в 2 - 3 раза большую стабильность работы ТЭ в условиях относительной влажности входящих газов от 10 % до 100 % и температуры до 80 °С в сравнении со стандартным платиновым электрокатализатором Pt20/C. Разработанные электрокатализаторы Pt20/SnO2x/C и Pt20/SiO2y/C обладают высокой активностью в диапазоне температур от 0 °С до 50 °С, что, в частности, необходимо при запуске ПОМТЭ в условиях отрицательных температур после проведения стадии оттаивания. Использование композитных электрокатализаторов позволило в два раза снизить влияние низких температур на эффективность МЭБ, а также увеличить стабильность структуры компонентов МЭБ в ходе циклов замораживания-оттаивания (З-О в диапазоне температур от -35 °С до 20 °С). Объемное модифицирование мембраны №1:юп® наночастицами диоксида кремния обеспечило стабилизацию воды в мембране и снижение количество льда, образующегося на границе ПОМ/КС в ходе замораживания ПОМТЭ. Для оценки влияния добавления модификатора на распределение воды в объеме иономера в слоях МЭБ использовали численное моделирование. Полученные результаты позволили создать устойчивый к широкому диапазону условий эксплуатации ПОМТЭ, способный обеспечивать стабильную работу в изменчивых условиях окружающей среды (температуры от -35 до 80 °С, влажности от 10 до 100 %, содержание O2 в катодном реагенте от 10 до 100 %). Композитный МЭБ в составе ПОМТЭ может использоваться для ряда областей применения, включая стационарные автономные установки энергоснабжения удаленных регионов, в том числе Арктических территорий, водородный транспорт и малогабаритные устройства, в том числе беспилотные летательные аппараты.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Повышение долговечности и эффективности платиновых электрокатализаторов реакции восстановления кислорода в широком интервале температур за счет введения диоксидов кремния и олова в их состав.
2. Структурные характеристики объемномодифицированной мембраны: модифицирование приводит к уменьшению среднего размера немодифицированных ионных доменов.
3. Воздействие низких температур (циклов замораживания-оттаивания от -35 °С до 20 °0 на модифицированные компоненты и МЭБы на их основе: использование модификатора в качестве компонента анодного каталитического слоя и мембраны способствует повышению стабильности структуры и электрохимических характеристик на 50 %.
4. Воздействие низкой влажности входящих газов от 10 % и повышенных температур до 80 °С: МЭБ с модифицированным диоксидом кремния анодным электрокатализатором и протонообменной мембраной проявляет повышенную стабильность и эффективность.
5. Состав и конфигурация слоев мембранно-электродного блока портативного топливного элемента с протонообменной мембраной для широкого диапазона условий эксплуатации.
Личный вклад автора работы
Личный вклад автора был основным в выполнении физико-химических и электрохимических экспериментов по изучению свойств модифицированных электрокатализаторов и мембран, исследованию характеристик МЭБ в составе ПОМТЭ. Автором была проведена обработка и анализ полученных данных, были подготовлены публикации, отражающие результаты исследования.
Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается использованием современных физическо-химических и электрохимических методов исследования и высокоточного оборудования и приборов, анализом и обработкой результатов с помощью математических и статистических методов, а также взаимной согласованностью экспериментальных данных и используемых теоретических моделей, основанных на общепринятых представлениях.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на: Седьмой, Девятой и Десятой Всероссийских конференциях с международным участием «Топливные элементы
и энергоустановки на их основе»; XXVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика"; IV Российском конгрессе по катализу «РОСКАТАЛИЗ»; VIII и IX Международной конференции «Лазерные, плазменные исследования и технологии»; IX Всероссийского Молодежного научного Форума с международным участием "Open Science 2022"; XIX Российской конференции «Физическая химия и электрохимия расплавленных и твердых электролитов»; Всероссийской конференции по электрохимии с международным участием Электрохимия-2023;
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 7 публикаций в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ и включенные в базы данных Web of Science и Scopus.
Объем и структура работы
Диссертация включает введение, 7 глав, заключение, список цитируемой литературы, список сокращений. Общий объем составляет 194 страницы, включая 89 рисунков, 19 таблиц, приложение и список литературы из 210 наименований.
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Топливный элемент с протонообменной мембраной (ПОМТЭ)
Топливный элемент (ТЭ) - электрохимическое устройство, к электродам которого раздельно подводится топливо и окислитель, и в результате суммарной окислительно-восстановительной реакции на электродах устройства возникает электродвижущая сила. Как правило, ТЭ выделяют в группы по типу топлива, а также по типу электролита. Наиболее распространенным видом топлива ТЭ является водород, также помимо водорода в ряде ТЭ возможно использование легких углеводородов (природный газ) и спирта, обычно метанола. По типу электролита наибольшее распространение получили щелочные и кислотные ТЭ, а также ТЭ на основе ионопроводящей керамики (твердооксидные) и солей (карбонатов). Тип электролита накладывает ограничения на условия эксплуатации ТЭ, а также в большей степени определяет эффективность работы устройства. Наибольшей ионной проводимостью обладают сильные кислоты, ввиду высокой концентрации и подвижности переносчиков заряда - протонов. Основным недостатком использования кислот в качестве электролита ТЭ является их высокая коррозионная активность, приводящая к деградации и разрушению компонентов устройства, а также постепенное разбавление.
В 1960 гг. компанией DuPont был разработан образец иономера, обладающий высокой проводимостью, и лишенный ряда недостатков, присущих кислотам. Отличием такого электролита от жидкого является то, что ион положительного заряда (протон) является подвижным, в то время как ион отрицательного заряда включен в полимерную цепь и прочно зафиксирован в ней. На сегодняшний день данные протонообменные мембраны (ПОМ) широко известны под маркой №1:юп®. В качестве матричного полимера в них используется политетрафторэтилен с боковыми цепями, оканчивающимися сульфогруппами. Благодаря тому что сульфогруппы соединены с полимерной цепью и оказываются локализованы в объеме ПОМ, уменьшаются коррозионные
эффекты и повышается ресурс работы ТЭ. Наличие полимерной матрицы обуславливает механическую прочность мембраны и позволяет формировать пленки толщиной несколько десятков микрометров, при этом сохраняя высокую селективность и устойчивость к высоким давлениям.
Высокое значение проводимости ПОМ при сравнительно низких температурах (от 0 °С) и стабильность мембраны при температурах более 100 °С позволяет использовать ПОМТЭ в широком диапазоне температур, сохраняя при этом высокие значения выходной мощности. Благодаря низкой рабочей температуре, ПОМТЭ обладает возможностью быстрого запуска, а использование тонкой мембраны позволяет создавать компактные и легкие устройства для автономных и мобильных энергоустановок, в том числе для транспортных средств.
Принципиальная схема ПОМТЭ, представленная на рисунке 1, включает анод и катод, разделенные газонепроницаемой протонпроводящей мембраной. В качестве анода и катода выступает пористый электрод из электропроводящего материала, на поверхность которого со стороны ПОМ нанесен электрокаталитический слой. Система анод-мембрана-катод носит название мембранно-электродный блок (МЭБ). Топливо, в данном случае водород, поступает на анодную сторону ТЭ, где на анодном электрокатализаторе происходит его окисление с образованием двух протонов, адсорбированных на поверхности активных центров, и двух электронов, направленно движущихся по электропроводящему материалу электрода во внешнюю цепь. Таким образом, анодную полуреакцию можно представить в виде:
Н2 ^ 2Н+ + 2е- (1)
Благодаря наличию иономера в составе каталитического слоя электрода, происходит дальнейший транспорт протонов к мембране и через нее на катодную сторону ТЭ.
Рисунок 1 - Принципиальная схема работы водород-кислородного ПОМТЭ [17].
На катоде происходит обратный процесс транспорта протонов из ПОМ через иономер каталитического слоя к активным центрам электрокатализатора с последующей адсорбцией на них. Далее с участием кислорода, подводимого к катоду, электронов из внешней цепи и протонов, сорбированных электрокатализатором, протекает реакция восстановления кислорода (РВК) с образованием воды в виде пара и тепла (2):
1
/2 02 + 2Н+ + 2е~ ^H20 + Q
(2)
В результате суммарная реакция имеет вид:
1/202 + H2^H20 + Q (3)
Таким образов, в ходе работы ПОМТЭ происходит образование только воды и тепла, что делает данные устройства экологичным источником электричества.
Стандартный электродный потенциал РВК при атмосферном давлении и температуре 25 °С составляет 1.23 В, что определяет максимальную ЭДС единичной ячейки ПОМТЭ, но реальное значение обычно не превышает 1 В. Для получения большего выходного напряжения и мощности отдельные ячейки ТЭ собирают в батареи, представленные на рисунке 2. Батарея ТЭ состоит из МЭБ, биполярных пластин с газовыми каналами и концевых пластин. Концевые пластины, в свою очередь, при помощи стягивающих шпилек и уплотнителей обеспечивают герметичность и плотное прилегание компонентов батареи ТЭ.
Рисунок 2 - Схема конструкции батареи ПОМТЭ [18].
Подробное описание основных компонентов ПОМТЭ представлено в Пункте 1. 2.
1.2. Основные компоненты ПОМТЭ
1.2.1. Биполярные и концевые пластины
Биполярные пластины (БП) обеспечивают несколько функций: обеспечение электрического контакта между катодной стороной одной ячейки и анодной стороной другой; подвод реагентов и отвод воды вдоль газовых каналов БП; отведение избытка тепла. Материал БП должен обладать низким электросопротивлением, высокой теплопроводностью, коррозионной устойчивостью, механической прочностью [19]. В качестве материала пластин обычно использую нержавеющую сталь или титан, для увеличения коррозионной устойчивости также широко применяют защитные покрытия.
Стоит отметить, что в присутствии водорода возможно образование гидридов металлов, в результате чего происходит охрупчивание деталей, что накладывает ограничения на выбор материала биполярных и концевых пластин анода.
С катодной стороны ионы металлов, появляющиеся в результате коррозии материала биполярных и концевых пластин, могут катализировать разложение
Н2О2, образующегося в результате неполного электровосстановления кислорода, и приводить к образованию высокоактивного гидроксильного радикала, способного повреждать компоненты МЭБ, в частности иономер [20].
1.2.2. Газодиффузионный слой
Внешним слоем МЭБ, примыкающим к поверхности биполярной/концевой пластины является газодиффузионный слой (ГДС). Основными функциями данного компонента ПОМТЭ является обеспечение электрического контакта между каталитическим слоем и БП, а также подвод реагентов и отведение воды. Дополнительно ГДС участвует в отведении избытка тепла, образующегося в ходе экзотермической реакции восстановления кислорода, и выполняет структурную функцию, выступая в роли подложки для хрупкого каталитического слоя [21]. Таким образом, определяющими эффективность ГДС параметрами являются его пористость, электро- и теплопроводность, механическая прочность, смачиваемость и коррозионная стойкость.
Наиболее распространённым материалом для ГДС является углеродное волокно, обычно получаемое из полианилина или полиакрилонитрила методом экструзии с последующим пиролизом при температурах выше 1000 °С [21,22]. Из полученного углеродного волокна со средним размером 5 - 10 мкм формируют углеродную бумагу или ткань. Толщина ГДС обычно составляет 100 - 500 мкм, а пористость 60 - 90 %. В объеме ГДС преимущественно формируются макропоры (размером более 5 мкм), что необходимо для уменьшения сопротивления транспорту реагентов. Коммерческие образцы ГДС представлены углеродной тканью марки БЬЛТ®, Се-ТесИ®, Рапех®, а также углеродной бумагой Б1§гасе1®, ЛуСагЬ®, Тогау® и др.
В ходе работы ПОТМЭ на катодном каталитическом слое образуется вода в виде пара, который может конденсироваться в порах каталитического слоя/ГДС и блокировать транспорт газов. Схема катодного ГДС показана на рисунке 3. С целью более эффективного отведения воды на поверхность ГДС со стороны каталитического слоя наносят микропористый слой (МПС) [23]. В состав МПС обычно входит углеродная сажа и частицы гидрофобного полимера -
политетрафторэтилена. Размер пор МПС составляет порядка 10 нм, оптимальная толщина около 50 мкм [24]. Малый размер пор и высокая степень гидрофобности МПС по сравнению с ГДС способствует лучшему транспорту воды через электрод, а также препятствует образованию крупных капель на границе с каталитическим слоем, что увеличивает доступность активных центров и снижает активационные потери [23,24].
о © °
Рисунок 3 - Схема газодиффузионного слоя [22].
1.2.3. Каталитический слой
Каталитический слой (КС) располагается между ГДС/МПС и мембраной и во многом определяет эффективность ПОМТЭ. Толщина слоя в зависимости от плотности нанесения электрокатализатора варьируется от 10 до 50 мкм. Стандартный каталитический слой представляет собой трехкомпонентную систему, включающую в себя наночастицы металлического катализатора, углеродный носитель, на поверхности которого расположены данные частицы, а также иономер. Структура КС приведена на рисунке 4. Иономер в составе КС участвует в транспорте протонов от активных центров электрокатализатора (на аноде) или к активным центрам (на катоде), а также участвует в связывании электрокатализатора, увеличивая механическую целостность КС. Таким образом, протекание реакций окисления водорода (РОВ) и восстановления кислорода (РВК) преимущественно имеет место в области контакта активных центров электрокатализатора и иономера.
\ - у ПОМ Каталитический
слой
наночастица
Рисунок 4 - Схематическое изображение структуры каталитического слоя [25].
Основной функцией катализатора в ПОМТЭ является увеличение скорости протекания РОВ на аноде и РВК на катоде. В связи с этим, катализатор должен обладать следующими свойствами: высокая активность, электропроводность и коррозийная устойчивость. Особенно высокие требования предъявляются катодному катализатору, ввиду высокого энергетического барьера РВК, а также деградации электрокатализатора в присутствии кислорода.
Различают 3 типа электрокатализаторов: платиновые катализаторы, модифицированные металлами и иными соединениями композитные платиновые катализаторы и бесплатиновые электрокатализаторы на основе недрагоценных металлов или металлорганических соединений [26].
На сегодняшний день, несмотря на сравнительно высокую стоимость, более востребованными остаются электрокатализаторы на основе платины на углеродном носителе ввиду их высокой активности и стабильности. Однако платиновые частицы в составе электрокатализатора подвергаются ряду процессов, ухудшающих эффективность КС, таких как (1) растворение платиновых наночастиц, сопровождающееся повторным осаждением платины на более крупных частицах (т.н. созревание Оствальда), (2) агломерация платиновых наночастиц, (3) окисление носителя, (4) отрыв платиновых частиц от носителя (5) необратимая адсорбция СО на активных центрах платины [27,28]. Поэтому широко исследуются модифицированные различными соединениями платиновые
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Оптимизация состава и микроструктуры Pt/C и Pt-Cu/C электрокатализаторов с низким содержанием платины2017 год, кандидат наук Алексеенко Анастасия Анатольевна
“ Электрокатализаторы для топливных элементов и сенсоров на основе платинированных оксидных систем ”\n\n2015 год, кандидат наук Бельмесов Андрей Александрович
Оптимизация активного слоя электрода фосфорнокислотного топливного элемента с полимерной матрицей2015 год, кандидат наук Эльманович, Игорь Владимирович
Получение и физико-химические характеристики биметаллических полимерных нанокомпозитов2015 год, кандидат наук Лебедева, Марина Владимировна
Влияние полибензимидазолов на структуру трехфазной границы, протонную проводимость и механизмы деградации поверхности платины в активных слоях электродов фосфорнокислотных топливных элементов2013 год, кандидат наук Кондратенко, Михаил Сергеевич
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Меншарапов Руслан Максимович, 2025 год
Список литературы
1. Gebel G. Structural evolution of water swollen perfluorosulfonated ionomers from dry membrane to solution // Polymer. - 2000. - Vol. 41, - № 15. - P. 5829-5838.
2. Luo Z., Chang Z., Zhang Y., Liu Z., Li J. Electro-osmotic drag coefficient and proton conductivity in Nafion® membrane for PEMFC // International Journal of Hydrogen Energy. - 2010. - Vol. 35, - № 7. - P. 3120-3124.
3. Okonkwo P.C., Otor C. A review of gas diffusion layer properties and water management in proton exchange membrane fuel cell system // International Journal of Energy Research. - 2021. - Vol. 45, - № 3. - P. 3780-3800.
4. Li H., Tang Y., Wang Z., Shi Z., Wu S., Song D., Zhang J., Fatih K., Zhang J., Wang H., Liu Z., Abouatallah R., Mazza A. A review of water flooding issues in the proton exchange membrane fuel cell // Journal of Power Sources. - 2008. - Vol. 178, - № 1. - P. 103-117.
5. Mariani M., Basso Peressut A., Latorrata S., Balzarotti R., Sansotera M., Dotelli G. The Role of Fluorinated Polymers in the Water Management of Proton Exchange Membrane Fuel Cells: A Review // Energies. - 2021. - Vol. 14, - № 24. - P. 8387.
6. Lee S.-Y., Kim H.-J., Cho E., Lee K.-S., Lim T.-H., Hwang I.C., Jang J.H. Performance degradation and microstructure changes in freeze-thaw cycling for PEMFC MEAs with various initial microstructures // International Journal of Hydrogen Energy. - 2010. - Vol. 35, - № 23. - P. 12888-12896.
7. Al-Baghdadi M.A.S. Mechanical behaviour of membrane electrode assembly (MEA) during cold start of PEM fuel cell from subzero environment temperature // International Journal of Energy and Environment. - 2015. - Vol. 6, - № 2. - P. 107.
8. Ous T., Arcoumanis C. Degradation aspects of water formation and transport in Proton Exchange Membrane Fuel Cell: A review // Journal of Power Sources. -2013. - Vol. 240. - P. 558-582.
9. Zhan Z., Zhao H., Sui P.C., Jiang P., Pan M., Djilali N. Numerical analysis of ice-induced stresses in the membrane electrode assembly of a PEM fuel cell under sub-freezing operating conditions // International Journal of Hydrogen Energy. - 2018. -Vol. 43, - № 9. - P. 4563-4582.
10. Oh Y., Kim S.-K., Lim S., Jung D.-H., Peck D.-H., Shul Y. The effects of freeze-thaw cycling and gas purging on performance degradation in direct methanol fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. - 2012. - Vol. 37, - № 22. - P. 17268-17274.
11. Sabawa J.P., Bandarenka A.S. Degradation mechanisms in polymer electrolyte membrane fuel cells caused by freeze-cycles: Investigation using electrochemical impedance spectroscopy // Electrochimica Acta. - 2019. - Vol. 311. - P. 21-29.
12. Niu H., Ji C., Wang S., Liang C. Research on PEMFC resistance relaxation characteristics and degradation under thermal cycles with different residual water locations // International Journal of Hydrogen Energy. - 2022. - Vol. 47, - № 4. - P. 2662-2672.
13. McDonald R.C., Mittelsteadt C.K., Thompson E.L. Effects of deep temperature cycling on Nafion® 112 membranes and membrane electrode assemblies // Fuel Cells. - 2004. - Vol. 4, - № 3. - P. 208-213.
14. Kusoglu A., Calabrese M., Weber A.Z. Effect of mechanical compression on chemical degradation of Nafion membranes // ECS Electrochemistry Letters. - 2014.
- Vol. 3, - № 5.
15. Song W., Hou J., Yu H., Hao L., Shao Z., Yi B. Kinetic investigation of oxygen reduction reaction in sub-freezing acid media // International Journal of Hydrogen Energy. - 2008. - Vol. 33, - № 18. - P. 4844-4848.
16. Jalani N.H., Dunn K., Datta R. Synthesis and characterization of Nafion®-MO2 (M=Zr, Si, Ti) nanocomposite membranes for higher temperature PEM fuel cells // Electrochimica Acta. - 2005. - Vol. 51, - № 3. - P. 553-560.
17. Dharmalingam S., Kugarajah V., Sugumar M. Membranes for Microbial Fuel Cells // Microbial Electrochemical Technology. - 2019. - P. 143-194.
18. Sutharssan T., Montalvao D., Chen Y.K., Wang W.-C., Pisac C., Elemara H. A review on prognostics and health monitoring of proton exchange membrane fuel cell // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - Vol. 75. - P. 440-450.
19. Ghorbani M.M., Taherian R., Bozorg M. Investigation on physical and electrochemical properties of TiN-coated Monel alloy used for bipolar plates of proton exchange membrane fuel cell // Materials Chemistry and Physics. - 2019. -Vol. 238. - P. 121916.
20. Zaton M., Roziere J., Jones D.J. Current understanding of chemical degradation mechanisms of perfluorosulfonic acid membranes and their mitigation strategies: a review // Sustainable Energy Fuels. - 2017. - Vol. 1, - № 3. - P. 409-438.
21. Lee F.C., Ismail M.S., Ingham D.B., Hughes K.J., Ma L., Lyth S.M., Pourkashanian M. Alternative architectures and materials for PEMFC gas diffusion layers: A review and outlook // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2022. - Vol. 166. - P. 112640.
22. Satjaritanun P., Shimpalee S., Zenyuk I.V. Gas Diffusion Layers: Experimental and Modeling Approach for Morphological and Transport Properties // Acc. Mater. Res.
- 2022. - Vol. 3, - № 4. - P. 416-425.
23. Nanadegani F.S., Lay E.N., Sunden B. Effects of an MPL on water and thermal management in a PEMFC // Int J Energy Res. - 2019. - Vol. 43, - № 1. - P. 274296.
24. Nam J.H., Lee K.-J., Hwang G.-S., Kim C.-J., Kaviany M. Microporous layer for water morphology control in PEMFC // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2009. - Vol. 52, - № 11-12. - P. 2779-2791.
25. Osmieri L., Meyer Q. Recent advances in integrating platinum group metal-free catalysts in proton exchange membrane fuel cells // Current Opinion in Electrochemistry. - 2022. - Vol. 31. - P. 100847.
26. Barkholtz H.M., Liu D.-J. Advancements in rationally designed PGM-free fuel cell catalysts derived from metal-organic frameworks // Mater. Horiz. - 2017. - Vol. 4,
- № 1. - P. 20-37.
27. Rice C.A., Urchaga P., Pistono A.O., McFerrin B.W., McComb B.T., Hu J. Platinum Dissolution in Fuel Cell Electrodes: Enhanced Degradation from Surface Area Assessment in Automotive Accelerated Stress Tests // J. Electrochem. Soc. - 2015. -Vol. 162, - № 10. - P. F1175-F1180.
28. Sharma R., Gyergyek S., Li Q., Andersen S.M. Evolution of the degradation mechanisms with the number of stress cycles during an accelerated stress test of carbon supported platinum nanoparticles // Journal of Electroanalytical Chemistry. -2019. - Vol. 838. - P. 82-88.
29. Spasov, Ivanova, Pushkarev, Pushkareva, Presnyakova, Chumakov, Presnyakov, Grigoriev, Fateev. On the Influence of Composition and Structure of Carbon-Supported Pt-SnO2 Hetero-Clusters onto Their Electrocatalytic Activity and Durability in PEMFC // Catalysts. - 2019. - Vol. 9, - № 10. - P. 803.
30. Wang H., Yu H., Li Y., Yin S., Xue H., Li X., Xu Y., Wang L. Direct synthesis of bimetallic PtCo mesoporous nanospheres as efficient bifunctional electrocatalysts for both oxygen reduction reaction and methanol oxidation reaction // Nanotechnology. - 2018. - Vol. 29, - № 17. - P. 175403.
31. Schwammlein J.N., Harzer G.S., Pfandner P., Blankenship A., El-Sayed H.A., Gasteiger H.A. Activity and Stability of Carbon Supported Pt x Y Alloys for the ORR Determined by RDE and Single-Cell PEMFC Measurements // J. Electrochem. Soc. - 2018. - Vol. 165, - № 15. - P. J3173-J3185.
32. Cha B.-C., Jun S., Jeong B., Ezazi M., Kwon G., Kim D., Lee D.H. Carbon nanotubes as durable catalyst supports for oxygen reduction electrode of proton exchange membrane fuel cells // Journal of Power Sources. - 2018. - Vol. 401. - P. 296-302.
33. Grigoriev S.A., Fateev V.N., Pushkarev A.S., Pushkareva I.V., Ivanova N.A., Kalinichenko V.N., Yu. Presnyakov M., Wei X. Reduced graphene oxide and its modifications as catalyst supports and catalyst layer modifiers for PEMFC // Materials. - 2018. - Vol. 11, - № 8. - P. 1405.
34. Esfahani R.A.M., Gavidia L.M.R., Garcia G., Pastor E., Specchia S. Highly active platinum supported on Mo-doped titanium nanotubes suboxide (Pt/TNTS-Mo) electrocatalyst for oxygen reduction reaction in PEMFC // Renewable Energy. -2018. - Vol. 120. - P. 209-219.
35. Ogungbemi E., Wilberforce T., Ijaodola O., Thompson J., Olabi A.G. Review of operating condition, design parameters and material properties for proton exchange membrane fuel cells // Int J Energy Res. - 2021. - Vol. 45, - № 2. - P. 1227-1245.
36. Kanani H., Shams M., Hasheminasab M., Bozorgnezhad A. Model development and optimization of operating conditions to maximize PEMFC performance by response surface methodology // Energy Conversion and Management. - 2015. - Vol. 93. - P. 9-22.
37. Lucia U. Overview on fuel cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. -2014. - Vol. 30. - P. 164-169.
38. Zhao N., Chu Y., Xie Z., Eggen K., Girard F., Shi Z. Effects of Fuel Cell Operating Conditions on Proton Exchange Membrane Durability at Open-Circuit Voltage // Fuel Cells. - 2020. - Vol. 20, - № 2. - P. 176-184.
39. Peng X., Wu W., Zhang Y., Yang W. Determination of operating parameters for PEM fuel cell using support vector machines approach // Journal of Energy Storage. - 2017. - Vol. 13. - P. 409-417.
40. Futter G.A., Latz A., Jahnke T. Physical modeling of chemical membrane degradation in polymer electrolyte membrane fuel cells: Influence of pressure, relative humidity and cell voltage // Journal of Power Sources. - 2019. - Vol. 410411. - P. 78-90.
41. Arif M., Cheung S.C.P., Andrews J. A systematic approach for matching simulated and experimental polarization curves for a PEM fuel cell // International Journal of Hydrogen Energy. - 2020. - Vol. 45, - № 3. - P. 2206-2223.
42. Grimm M., Hellmann M., Kemmer H., Kabelac S. Water Management of PEM Fuel Cell Systems Based on the Humidity Distribution in the Anode Gas Channels // Fuel Cells. - 2020. - Vol. 20, - № 4. - P. 477-486.
43. Zhao J., Tu Z., Chan S.H. In-situ measurement of humidity distribution and its effect on the performance of a proton exchange membrane fuel cell // Energy. - 2022. -Vol. 239. - P. 122270.
44. Zhang J., Tang Y., Song C., Cheng X., Zhang J., Wang H. PEM fuel cells operated at 0% relative humidity in the temperature range of 23-120°C // Electrochimica Acta. - 2007. - Vol. 52, - № 15. - P. 5095-5101.
45. Xu Y., Chang G., Zhang J., Li Y., Xu S. Investigation of Inlet Gas Relative Humidity on Performance Characteristics of PEMFC Operating at Elevated Temperature: 3 // World Electric Vehicle Journal. - 2021. - Vol. 12, - № 3. - P. 110.
46. Trigg E.B., Gaines T.W., Maréchal M., Moed D.E., Rannou P., Wagener K.B., Stevens M.J., Winey K.I. Self-assembled highly ordered acid layers in precisely sulfonated polyethylene produce efficient proton transport // Nature materials. -2018. - Vol. 17, - № 8. - P. 725-731.
47. Vetter R., Schumacher J.O. Free open reference implementation of a two-phase PEM fuel cell model // Computer Physics Communications. - 2019. - Vol. 234. - P. 223-234.
48. Xing L., Das P.K., Song X., Mamlouk M., Scott K. Numerical analysis of the optimum membrane/ionomer water content of PEMFCs: The interaction of Nation® ionomer content and cathode relative humidity // Applied Energy. - 2015. - Vol. 138. - P. 242-257.
49. Chen L., Chen Y., Tao W.-Q. Schroeder's paradox in proton exchange membrane fuel cells: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2023. - Vol. 173. - P. 113050.
50. Yin C., Wang L., Li J., Zhou Y., Zhang H., Fang P., He C. Positron annihilation characteristics, water uptake and proton conductivity of composite Nafion membranes // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2017. - Vol. 19, - № 24. - P. 15953-15961.
51. Ogawa T., Kamiguchi K., Tamaki T., Imai H., Yamaguchi T. Differentiating Grotthuss Proton Conduction Mechanisms by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopic Analysis of Frozen Samples // Anal. Chem. - 2014. - Vol. 86, - № 19. - P. 9362-9366.
52. Wang Y., Si C., Zhang X., Wang X., He W. Electro-osmotic drag coefficient of Nafion membrane with low water Content for Proton exchange membrane fuel cells // Energy Reports. - 2022. - Vol. 8. - P. 598-612.
53. Rahbari A., Hartkamp R., Moultos O.A., Bos A., Van Den Broeke L.J.P., Ramdin M., Dubbeldam D., Lyulin A.V., Vlugt T.J.H. Electro-osmotic Drag and Thermodynamic Properties of Water in Hydrated Nafion Membranes from Molecular Dynamics // J. Phys. Chem. C. - 2022. - Vol. 126, - № 18. - P. 81218133.
54. Sdanghi G., Dillet J., Didierjean S., Fierro V., Maranzana G. Feasibility of Hydrogen Compression in an Electrochemical System: Focus on Water Transport Mechanisms // Fuel Cells. - 2020. - Vol. 20, - № 3. - P. 370-380.
55. Choi P., Jalani N.H., Datta R. Thermodynamics and Proton Transport in Nafion: II. Proton Diffusion Mechanisms and Conductivity // J. Electrochem. Soc. - 2005. -Vol. 152, - № 3. - P. E123.
56. Kreuer K.-D., Paddison S.J., Spohr E., Schuster M. Transport in Proton Conductors for Fuel-Cell Applications: Simulations, Elementary Reactions, and Phenomenology // Chem. Rev. - 2004. - Vol. 104, - № 10. - P. 4637-4678.
57. Ogawa T., Anilkumar G.M., Tamaki T., Ohashi H., Yamaguchi T. Low humidity dependence of proton conductivity in modified zirconium (IV)-hydroxy ethylidene diphosphonates // Materials Chemistry Frontiers. - 2022. - Vol. 6, - № 21. - P. 3271-3278.
58. Ogawa T., Aonuma T., Tamaki T., Ohashi H., Ushiyama H., Yamashita K., Yamaguchi T. The proton conduction mechanism in a material consisting of packed acids // Chemical Science. - 2014. - Vol. 5, - № 12. - P. 4878-4887.
59. Jang S.S., Molinero V., Qagin T., Goddard W.A. Nanophase-Segregation and Transport in Nafion 117 from Molecular Dynamics Simulations: Effect of Monomeric Sequence // J. Phys. Chem. B. - 2004. - Vol. 108, - № 10. - P. 31493157.
60. Sunda A.P., Singh S., Yadav S., Singh R.K. Atomistic Simulations of Hydrated Sulfonated Polybenzophenone Block Copolymer Membranes // ChemPhysChem. -2023. - Vol. 24, - № 16. - P. e202300104.
61. Yadav R., Fedkiw P.S. Analysis of EIS technique and Nafion 117 conductivity as a function of temperature and relative humidity // Journal of the Electrochemical Society. - 2012. - Vol. 159, - № 3. - P. B340.
62. Perez-Page M., Perez-Herranz V. Effect of the Operation and Humidification Temperatures on the Performance of a PEM Fuel Cell Stack // ECS Trans. - 2009. -Vol. 25, - № 1. - P. 733.
63. Ozen D.N., Timurkutluk B., Altinisik K. Effects of operation temperature and reactant gas humidity levels on performance of PEM fuel cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2016. - Vol. 59. - P. 1298-1306.
64. Dai W., Wang H., Yuan X.-Z., Martin J.J., Yang D., Qiao J., Ma J. A review on water balance in the membrane electrode assembly of proton exchange membrane fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. - 2009. - Vol. 34, - № 23. -P. 9461-9478.
65. Bozkurt K., Akyalçin L., Kjelstrup S. The thermal diffusion coefficient of membrane-electrode assemblies relevant to polymer electrolyte membrane fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. - 2023. - Vol. 48, - № 4. - P. 15011513.
66. Ijaodola O.S., El-Hassan Z., Ogungbemi E., Khatib F.N., Wilberforce T., Thompson J., Olabi A.G. Energy efficiency improvements by investigating the water flooding management on proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) // Energy. - 2019. -Vol. 179. - P. 246-267.
67. Sim J., Kang M., Min K. Effects of basic gas diffusion layer components on PEMFC performance with capillary pressure gradient // International Journal of Hydrogen Energy. - 2021. - Vol. 46, - № 54. - P. 27731-27748.
68. Fairweather J.D., Cheung P., St-Pierre J., Schwartz D.T. A microfluidic approach for measuring capillary pressure in PEMFC gas diffusion layers // Electrochemistry Communications. - 2007. - Vol. 9, - № 9. - P. 2340-2345.
69. Lim I.S., Lee Y.I., Kang B., Park J.Y., Kim M.S. Electrochemical performance and water management investigation of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) using gas diffusion layer with polytetrafluoroethylene (PTFE) content gradients in through-plane direction // Electrochimica Acta. - 2022. - Vol. 421. - P. 140509.
70. Wang X.R., Ma Y., Gao J., Li T., Jiang G.Z., Sun Z.Y. Review on water management methods for proton exchange membrane fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. - 2021. - Vol. 46, - № 22. - P. 12206-12229.
71. Sun X., Yu H., Zhou L., Gao X., Zeng Y., Yao D., He L., Shao Z. Influence of platinum dispersity on oxygen transport resistance and performance in PEMFC // Electrochimica Acta. - 2020. - Vol. 332. - P. 135474.
72. Zhang R., Min T., Chen L., Li H., Yan J., Tao W.-Q. Pore-scale study of effects of relative humidity on reactive transport processes in catalyst layers in PEMFC // Applied Energy. - 2022. - Vol. 323. - P. 119553.
73. Peng Y., Choi J.-Y., Tian L., Bai K., Zhang Y., Chen D., Zeng J., Banham D. Impact of Pt spatial distribution on the relative humidity tolerance of Pt/C catalysts for fuel cell applications // Journal of Power Sources. - 2022. - Vol. 545. - P. 231906.
74. Bi W., Sun Q., Deng Y., Fuller T.F. The effect of humidity and oxygen partial pressure on degradation of Pt/C catalyst in PEM fuel cell // Electrochimica Acta. -2009. - Vol. 54, - № 6. - P. 1826-1833.
75. Teliska M., O'Grady W.E., Ramaker D.E. Determination of O and OH Adsorption Sites and Coverage in Situ on Pt Electrodes from Pt L 23 X-ray Absorption Spectroscopy // J. Phys. Chem. B. - 2005. - Vol. 109, - № 16. - P. 8076-8084.
76. Yin Y., Li R., Bai F., Zhu W., Qin Y., Chang Y., Zhang J., Guiver M.D. Ionomer migration within PEMFC catalyst layers induced by humidity changes // Electrochemistry Communications. - 2019. - Vol. 109. - P. 106590.
77. Zhao J., Tu Z., Chan S.H. Carbon corrosion mechanism and mitigation strategies in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC): A review // Journal of Power Sources. - 2021. - Vol. 488. - P. 229434.
78. Paulus U.A., Schmidt T.J., Gasteiger H.A., Behm R.J. Oxygen reduction on a high-surface area Pt/Vulcan carbon catalyst: a thin-film rotating ring-disk electrode study // Elsevier. - 2001. - Vol. 495. - P. 134-145.
79. Jäger R., Härk E., Steinberg V., Lust E. Influence of Temperature on the Oxygen Electroreduction Activity at Nanoporous Carbon Support // ECS Trans. - 2015. -Vol. 66, - № 24. - P. 47.
80. Liu P., Xu S. Experimental Research on the Dynamic Characteristics and Voltage Uniformity of a PEMFC Stack under Subzero Temperatures: 9 // Energies. - 2022. -Vol. 15, - № 9. - P. 3062.
81. Lan H., Hao D., Hao W., He Y. Development and comparison of the test methods proposed in the Chinese test specifications for fuel cell electric vehicles // Energy Reports. - 2022. - Vol. 8. - P. 565-579.
82. Xie X., Wang R., Jiao K., Zhang G., Zhou J., Du Q. Investigation of the effect of micro-porous layer on PEM fuel cell cold start operation // Renewable Energy. -2018. - Vol. 117. - P. 125-134.
83. Yang Z., Jiao K., Wu K., Shi W., Jiang S., Zhang L., Du Q. Numerical investigations of assisted heating cold start strategies for proton exchange membrane fuel cell systems // Energy. - 2021. - Vol. 222. - P. 119910.
84. Yang X., Sun J., Meng X., Sun S., Shao Z. Cold start degradation of proton exchange membrane fuel cell: Dynamic and mechanism // Chemical Engineering Journal. - 2023. - Vol. 455. - P. 140823.
85. Rajbongshi B.M., Shaneeth M., Verma A. Investigation on sub-zero start-up of polymer electrolyte membrane fuel cell using un-assisted cold start strategy // International Journal of Hydrogen Energy. - 2020. - Vol. 45, - № 58. - P. 3404834057.
86. Yue L., Wang S., Zhu Y., Fan Y. Experimental study on cold start performance of PEMFC based on parallel flow channels // International Journal of Hydrogen Energy. - 2022. - Vol. 47, - № 1. - P. 540-550.
87. Kim S., Mench M.M. Physical degradation of membrane electrode assemblies undergoing freeze/thaw cycling: Micro-structure effects // Journal of Power Sources. - 2007. - Vol. 174, - № 1. - P. 206-220.
88. Yan Q., Toghiani H., Lee Y.W., Liang K., Causey H. Effect of sub-freezing temperatures on a PEM fuel cell performance, startup and fuel cell components // Journal of Power Sources. - 2006. - Vol. 160, - № 2 SPEC. ISS. - P. 1242-1250.
89. Ohtake T. Freezing points of H2SO4 aqueous solutions and formation of stratospheric ice clouds // Tellus B. - 1993. - Vol. 45, - № 2. - P. 138-144.
90. Thompson E.L., Capehart T.W., Fuller T.J., Jorne J. Investigation of Low-Temperature Proton Transport in Nafion Using Direct Current Conductivity and Differential Scanning Calorimetry // J. Electrochem. Soc. - 2006. - Vol. 153, - № 12. - P. A2351.
91. Hammer R., Schönhoff M., Hansen M.R. Comprehensive Picture of Water Dynamics in Nafion Membranes at Different Levels of Hydration // J. Phys. Chem. B. - 2019. - Vol. 123, - № 39. - P. 8313-8324.
92. Rice C.A. Subzero automotive fuel cells: Water fill tests vs cold-starts // Journal of The Electrochemical Society. - 2021. - Vol. 168, - № 4. - P. 044513.
93. Mendil-Jakani H., Davies R.J., Dubard E., Guillermo A., Gebel G. Water crystallization inside fuel cell membranes probed by X-ray scattering // Journal of Membrane Science. - 2011. - Vol. 369, - № 1. - P. 148-154.
94. Cheng R.-H., Cai H., Huang Y.-R., Cui X., Chen Z., Chen H.-Y., Ding S. A broad-range variable-temperature solid state NMR spectral and relaxation investigation of the water state in Nafion 117 // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2021. -Vol. 23, - № 18. - P. 10899-10908.
95. Vlasov V.A. Modeling of evaporation and condensation processes: a chemical kinetics approach // Heat and Mass Transfer. - 2019. - Vol. 55, - № 6. - P. 16611669.
96. Chandan A., Hattenberger M., El-Kharouf A., Du S., Dhir A., Self V., Pollet B.G., Ingram A., Bujalski W. High temperature (HT) polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC)-A review // Journal of Power Sources. - 2013. - Vol. 231. - P. 264278.
97. Li G., Kujawski W., Rynkowska E. Advancements in proton exchange membranes for high-performance high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFC) // Reviews in Chemical Engineering. - 2022. - Vol. 38, - № 3. - P. 327346.
98. Rosli R.E., Sulong A.B., Daud W.R.W., Zulkifley M.A., Husaini T., Rosli M.I., Majlan E.H., Haque M.A. A review of high-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) system // International Journal of Hydrogen Energy. - 2017. - Vol. 42, - № 14. - P. 9293-9314.
99. Wieser C. Novel Polymer Electrolyte Membranes for Automotive Applications -Requirements and Benefits // Fuel Cells. - 2004. - Vol. 4, - № 4. - P. 245-250.
100. Zhang J., Xie Z., Zhang J., Tang Y., Song C., Navessin T., Shi Z., Song D., Wang H., Wilkinson D.P. High temperature PEM fuel cells // Journal of power Sources. -2006. - Vol. 160, - № 2. - P. 872-891.
101. Lochner T., Kluge R.M., Fichtner J., El-Sayed H.A., Garlyyev B., Bandarenka A.S. Temperature Effects in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells // ChemElectroChem. - 2020. - Vol. 7, - № 17. - P. 3545-3568.
102. Zhou M., Frensch S., Liso V., Li N., Sahlin S.L., Cinti G., Simon Araya S. Modeling the Performance Degradation of a High-Temperature PEM Fuel Cell // Energies. - 2022. - Vol. 15, - № 15. - P. 5651.
103. Escorihuela J., Olvera-Mancilla J., Alexandrova L., del Castillo L.F., Compan V. Recent Progress in the Development of Composite Membranes Based on Polybenzimidazole for High Temperature Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell Applications: 9 // Polymers. - 2020. - Vol. 12, - № 9. - P. 1861.
104. Li Q., He R., Gao J.-A., Jensen J.O., Bjerrum N.J. The CO poisoning effect in PEMFCs operational at temperatures up to 200 C // Journal of the Electrochemical Society. - 2003. - Vol. 150, - № 12. - P. A1599.
105. Ren P., Pei P., Li Y., Wu Z., Chen D., Huang S. Degradation mechanisms of proton exchange membrane fuel cell under typical automotive operating conditions // Progress in Energy and Combustion Science. - 2020. - Vol. 80. - P. 100859.
106. Solano E., Dendooven J., Ramachandran R.K., Van De Kerckhove K., Dobbelaere T., Hermida-Merino D., Detavernier C. Key role of surface oxidation and reduction processes in the coarsening of Pt nanoparticles // Nanoscale. - 2017. -Vol. 9, - № 35. - P. 13159-13170.
107. Jahnke T., Futter G.A., Baricci A., Rabissi C., Casalegno A. Physical Modeling of Catalyst Degradation in Low Temperature Fuel Cells: Platinum Oxidation, Dissolution, Particle Growth and Platinum Band Formation // J. Electrochem. Soc. -2019. - Vol. 167, - № 1. - P. 013523.
108. Liu F., Gao Z., Su J., Guo L. An Experimental Investigation of the Effect of Platinum on the Corrosion of Cathode Carbon Support in a PEMFC // ChemSusChem. - 2022. - Vol. 15, - № 10. - P. e202102726.
109. Okonkwo P.C., Ige O.O., Uzoma P.C., Emori W., Benamor A., Abdullah A.M. Platinum degradation mechanisms in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) system: A review // International journal of hydrogen energy. - 2021. - Vol. 46, - № 29. - P. 15850-15865.
110. Lim K.H., Oh H.-S., Jang S.-E., Ko Y.-J., Kim H.-J., Kim H. Effect of operating conditions on carbon corrosion in polymer electrolyte membrane fuel cells // Journal of Power Sources. - 2009. - Vol. 193, - № 2. - P. 575-579.
111. Zaman S., Wang M., Liu H., Sun F., Yu Y., Shui J., Chen M., Wang H. Carbon-based catalyst supports for oxygen reduction in proton-exchange membrane fuel cells // TRECHEM. - 2022. - Vol. 4, - № 10. - P. 886-906.
112. Pajuste E., Reinholds I., Vaivars G., Antuzevics A., Avotina L., Sprngis E., Mikko R., Heikki K., Meri R.M., Kaparkalejs R. Evaluation of radiation stability of electron beam irradiated Nafion® and sulfonated poly(ether ether ketone) membranes // Polymer Degradation and Stability. - 2022. - Vol. 200. - P. 109970.
113. Dyantyi N., Parsons A., Barron O., Pasupathi S. State of health of proton exchange membrane fuel cell in aeronautic applications // Journal of Power Sources.
- 2020. - Vol. 451. - P. 227779.
114. Dafalla A.M., Wei L., Habte B.T., Guo J., Jiang F. Membrane Electrode Assembly Degradation Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells: A Review: 23 // Energies. - 2022. - Vol. 15, - № 23. - P. 9247.
115. Xing Y., Li H., Avgouropoulos G. Research Progress of Proton Exchange Membrane Failure and Mitigation Strategies: 10 // Materials. - 2021. - Vol. 14, - № 10. - P. 2591.
116. Wu J., Yuan X.Z., Martin J.J., Wang H., Zhang J., Shen J., Wu S., Merida W. A review of PEM fuel cell durability: Degradation mechanisms and mitigation strategies // Journal of Power Sources. - 2008. - Vol. 184, - № 1. - P. 104-119.
117. Fang M., Wan X., Zou J. Development of a fuel cell humidification system and dynamic control of humidity // Intl J of Energy Research. - 2022. - Vol. 46, - № 15.
- P. 22421-22438.
118. Rodosik S., Poirot-Crouvezier J.-P., Bultel Y. Impact of humidification by cathode exhaust gases recirculation on a PEMFC system for automotive applications // International Journal of Hydrogen Energy. - 2019. - Vol. 44, - № 25. - P. 1280212817.
119. Vasu G., Tangirala A.K., Viswanathan B., Dhathathreyan K.S. Continuous bubble humidification and control of relative humidity of H2 for a PEMFC system // International Journal of Hydrogen Energy. - 2008. - Vol. 33, - № 17. - P. 46404648.
120. Zhao J., Chang H., Luo X., Tu Z., Chan S.H. A novel type of PEMFC-based CCHP system with independent control of refrigeration and dehumidification // Applied Thermal Engineering. - 2022. - Vol. 204. - P. 117915.
121. Zhao J., Cai S., Luo X., Tu Z. Dynamic characteristics and economic analysis of PEMFC-based CCHP systems with different dehumidification solutions // International Journal of Hydrogen Energy. - 2022. - Vol. 47, - № 22. - P. 1164411657.
122. Kuhn R., Krüger Ph., Kleinau S., Dawson M., Geyer J., Roscher M., Manke I., Hartnig Ch. Dynamic fuel cell gas humidification system // International Journal of Hydrogen Energy. - 2012. - Vol. 37, - № 9. - P. 7702-7709.
123. Liu P., Xu S. A Progress Review on Heating Methods and Influence Factors of Cold Start for Automotive PEMFC System: SAE Technical Paper 2020-01-0852. -2020.
124. Gießgen T., Jahnke T. Assisted cold start of a PEMFC with a thermochemical preheater: A numerical study // Applied Energy. - 2023. - Vol. 331. - P. 120387.
125. Ríos G.M., Becker F., Vorndran A., Gentner C., Ansar S.A. Investigation of gas purging and cold storage impact on PEM fuel cell system performance for aeronautical applications // E3S Web Conf. - 2022. - Vol. 334. - P. 06004.
126. Kocher K., Kolar S., Ladreiter W., Hacker V. Cold start behavior and freeze characteristics of a polymer electrolyte membrane fuel cell // Fuel Cells. - 2021. -Vol. 21, - № 4. - P. 363-372.
127. Yang X., Sun J., Sun S., Shao Z. An efficient cold start strategy for proton exchange membrane fuel cell stacks // Journal of Power Sources. - 2022. - Vol. 542. - P. 231492.
128. Lei L., He P., He P., Tao W. Numerical Research on the Cold Start-up Strategy of a PEMFC Stack from -30°C // J. Therm. Sci. - 2023. - Vol. 32, - № 3. - P. 898910.
129. Voloshchenko G.N., Zasypkina A.A., Spasov D.D. Model Study of a Cold Start of a Power Plant Based on a PolymerElectrolyte Membrane Fuel Cells in the Conditionsof Arctic Temperatures // Nanotechnol Russia. - 2020. - Vol. 15, - № 36. - P. 326-332.
130. Knorr F., Sanchez D.G., Schirmer J., Gazdzicki P., Friedrich K.A. Methanol as antifreeze agent for cold start of automotive polymer electrolyte membrane fuel cells // Applied Energy. - 2019. - Vol. 238. - P. 1-10.
131. Montaner Rios G., Schirmer J., Becker F., Bleeck S., Gentner C., Kallo J. Automotive Cold Start of a PEMFC System by Using a Methanol Solution as Antifreeze // ECS Transactions. - 2020. - Vol. 98, - № 9. - P. 243-252.
132. Zhang C., Yu T., Yi J., Liu Z., Raj K.A.R., Xia L., Tu Z., Chan S.H. Investigation of heating and cooling in a stand-alone high temperature PEM fuel cell system // Energy Conversion and Management. - 2016. - Vol. 129. - P. 36-42.
133. Ghasemi M., Ramiar A., Ranjbar A.A., Rahgoshay S.M. A numerical study on thermal analysis and cooling flow fields effect on PEMFC performance // International Journal of Hydrogen Energy. - 2017. - Vol. 42, - № 38. - P. 2431924337.
134. Nbelayim P., Ashida Y., Maegawa K., Kawamura G., Muto H., Matsuda A. Preparation and Characterization of Stable and Active Pt@TiO2 Core-Shell Nanoparticles as Electrocatalyst for Application in PEMFCs // ACS Appl. Energy Mater. - 2020. - Vol. 3, - № 4. - P. 3269-3281.
135. Zhao X., Sasaki K. Advanced Pt-Based Core-Shell Electrocatalysts for Fuel Cell Cathodes // Acc. Chem. Res. - 2022. - Vol. 55, - № 9. - P. 1226-1236.
136. Ding C., Mao Z., Liang J.-S., Qin X., Zhang Q., Yang F., Li Q., Cai W.-B. Aqueous Phase Approach to Au-Modified Pt-Co/C toward Efficient and Durable Cathode Catalyst of PEMFCs // J. Phys. Chem. C. - 2021. - Vol. 125, - № 43. - P. 23821-23829.
137. Stuhmeier B.M., Schuster R.J., Hartmann L., Selve S., El-Sayed H.A., Gasteiger H.A. Modification of the Electrochemical Surface Oxide Formation and the Hydrogen Oxidation Activity of Ruthenium by Strong Metal Support Interactions // J. Electrochem. Soc. - 2022. - Vol. 169, - № 3. - P. 034519.
138. Malinowski M., Iwan A., Hreniak A., Tazbir I. An anode catalyst support for polymer electrolyte membrane fuel cells: application of organically modified titanium and silicon dioxide // RSC Advances. - 2019. - Vol. 9, - № 42. - P. 24428-24439.
139. Li S., Liu J., Liang J., Lin Z., Liu X., Chen Y., Lu G., Wang C., Wei P., Han J., Huang Y., Wu G., Li Q. Tuning oxygen vacancy in SnO2 inhibits Pt migration and agglomeration towards high-performing fuel cells // Applied Catalysis B: Environmental. - 2023. - Vol. 320. - P. 122017.
140. Wei X., Wang R.-Z., Zhao W., Chen G., Chai M.-R., Zhang L., Zhang J. Recent research progress in PEM fuel cell electrocatalyst degradation and mitigation strategies // EnergyChem. - 2021. - Vol. 3, - № 5. - P. 100061.
141. Vengatesan S., Kim H., Lee S., Cho E., Yongha H., Oh I., Hong S., Lim T. High temperature operation of PEMFC: A novel approach using MEA with silica in catalyst layer // International Journal of Hydrogen Energy. - 2008. - Vol. 33, - № 1. - P. 171-178.
142. Angayarkanni R., Ganesan A., Dhelipan M., Karthikeyan S., Mani N., Thiyagarajan P. Self-humidified operation of a PEM fuel cell using a novel silica composite coating method // International Journal of Hydrogen Energy. - 2022. -Vol. 47, - № 7. - P. 4827-4837.
143. Wang Y.-J., Fang B., Li H., Bi X.T., Wang H. Progress in modified carbon support materials for Pt and Pt-alloy cathode catalysts in polymer electrolyte membrane fuel cells // Progress in Materials Science. - 2016. - Vol. 82. - P. 445498.
144. Di Noto V., Lavina S., Negro E., Vittadello M., Conti F., Piga M., Pace G. Hybrid inorganic-organic proton conducting membranes based on Nafion and 5wt% of MxOy (M=Ti, Zr, Hf, Ta and W). Part II: Relaxation phenomena and conductivity mechanism // Journal of Power Sources. - 2009. - Vol. 187, - № 1. -P. 57-66.
145. Zheng L., Zeng Q., Liao S., Zeng J. Highly performed non-humidification membrane electrode assembly prepared with binary RuO2-SiO2 oxide supported Pt catalysts as anode // International Journal of Hydrogen Energy. - 2012. - Vol. 37, -№ 17. - P. 13103-13109.
146. Ganesan A., Narayanasamy M., Shunmugavel K. Self-humidifying manganese oxide-supported Pt electrocatalysts for highly-durable PEM fuel cells // Electrochimica Acta. - 2018. - Vol. 285. - P. 47-59.
147. A. I., Lin Y., Tang H., Pan M., Zhang H. Metal Oxides as Water Retention Materials For Low Humidity Proton Exchange Membrane Applications // New Developments in Metal Oxides Research. - 2013. - P. 81-108.
148. Blesa M.A., Weisz A.D., Morando P.J., Salfity J.A., Magaz G.E., Regazzoni A.E. The interaction of metal oxide surfaces with complexing agents dissolved in water // Coordination Chemistry Reviews. - 2000. - Vol. 196, - № 1. - P. 31-63.
149. Leao V.N.S., Araujo E.S. Metal Oxide Heteronanostructures Prepared by Electrospinning for the Humidity Detection: Fundamentals and Perspectives: 07 // Journal of Materials Science and Chemical Engineering. - 2019. - Vol. 07, - № 07.
- P. 43.
150. Wei X., Wang R.-Z., Zhao W., Chen G., Chai M.-R., Zhang L., Zhang J. Recent research progress in PEM fuel cell electrocatalyst degradation and mitigation strategies // EnergyChem. - 2021. - Vol. 3, - № 5. - P. 100061.
151. Cao M., Wu D., Cao R. Recent Advances in the Stabilization of Platinum Electrocatalysts for Fuel-Cell Reactions // ChemCatChem. - 2014. - Vol. 6, - № 1.
- P. 26-45.
152. Li S., Liu J., Liang J., Lin Z., Liu X., Chen Y., Lu G., Wang C., Wei P., Han J. Tuning oxygen vacancy in SnO2 inhibits Pt migration and agglomeration towards high-performing fuel cells // Applied Catalysis B: Environmental. - 2023. - Vol. 320. - P. 122017.
153. Wu Y., Zhao Y., Liu J., Wang F. Adding refractory 5d transition metal W into PtCo system: an advanced ternary alloy for efficient oxygen reduction reaction // J. Mater. Chem. A. - 2018. - Vol. 6, - № 23. - P. 10700-10709.
154. Ando F., Gunji T., Tanabe T., Fukano I., Abruna H.D., Wu J., Ohsaka T., Matsumoto F. Enhancement of the Oxygen Reduction Reaction Activity of Pt by Tuning Its d-Band Center via Transition Metal Oxide Support Interactions // ACS Catal. - 2021. - Vol. 11, - № 15. - P. 9317-9332.
155. Stuhmeier B.M., Schuster R.J., Hartmann L., Selve S., El-Sayed H.A., Gasteiger H.A. Modification of the Electrochemical Surface Oxide Formation and the Hydrogen Oxidation Activity of Ruthenium by Strong Metal Support Interactions // Journal of The Electrochemical Society. - 2022. - Vol. 169, - № 3. - P. 034519.
156. Pan C.-J., Tsai M.-C., Su W.-N., Rick J., Akalework N.G., Agegnehu A.K., Cheng S.-Y., Hwang B.-J. Tuning/exploiting Strong Metal-Support Interaction (SMSI) in Heterogeneous Catalysis // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. - 2017. - Vol. 74. - P. 154-186.
157. Xiong M., Gao Z., Qin Y. Spillover in Heterogeneous Catalysis: New Insights and Opportunities // ACS Catal. - 2021. - Vol. 11, - № 5. - P. 3159-3172.
158. Papakonstantinou G.D., Jaksic J.M., Labou D., Siokou A., Jaksic M.M. Spillover Phenomena and Its Striking Impacts in Electrocatalysis for Hydrogen and Oxygen Electrode Reactions // Advances in Physical Chemistry. - 2011. - Vol. 2011. - P. 122.
159. Takabatake Y., Noda Z., Lyth S.M., Hayashi A., Sasaki K. Cycle durability of metal oxide supports for PEFC electrocatalysts // International Journal of Hydrogen Energy. - 2014. - Vol. 39, - № 10. - P. 5074-5082.
160. Ioroi T., Siroma Z., Yamazaki S., Yasuda K. Electrocatalysts for PEM Fuel Cells // Advanced Energy Materials. - 2019. - Vol. 9, - № 23. - P. 1801284.
161. Wang Y.-J., Fang B., Li H., Bi X.T., Wang H. Progress in modified carbon support materials for Pt and Pt-alloy cathode catalysts in polymer electrolyte membrane fuel cells // Progress in Materials Science. - 2016. - Vol. 82. - P. 445498.
162. Xu G., Dong X., Xue B., Huang J., Wu J., Cai W. Recent Approaches to Achieve High Temperature Operation of Nafion Membranes: 4 // Energies. - 2023. - Vol. 16, - № 4. - P. 1565.
163. Zhang H., Shen P.K. Recent Development of Polymer Electrolyte Membranes for Fuel Cells // Chem. Rev. - 2012. - Vol. 112, - № 5. - P. 2780-2832.
164. Yin Y., Liu Y., Wu H., Cao L., He X., Zhang B., Wang C., Jiang Z. One-pot synthesis of silica-titania binary nanoparticles with acid-base pairs via biomimetic mineralization to fabricate highly proton-conductive membranes // J. Mater. Chem. A. - 2017. - Vol. 5, - № 35. - P. 18585-18593.
165. Nicotera I., Coppola L., Rossi C.O., Youssry M., Ranieri G.A. NMR Investigation of the Dynamics of Confined Water in Nafion-Based Electrolyte Membranes at Subfreezing Temperatures // J. Phys. Chem. B. - 2009. - Vol. 113, -№ 42. - P. 13935-13941.
166. Safronova E.Y., Lysova A.A., Voropaeva D.Y., Yaroslavtsev A.B. Approaches to the Modification of Perfluorosulfonic Acid Membranes // Membranes. - 2023. -Vol. 13, - № 8. - P. 721.
167. Porozhnyy M.V., Shkirskaya S.A., Butylskii D.Yu., Dotsenko V.V., Safronova E.Yu., Yaroslavtsev A.B., Deabate S., Huguet P., Nikonenko V.V. Physicochemical and electrochemical characterization of Nafion-type membranes with embedded silica nanoparticles: Effect of functionalization // Electrochimica Acta. - 2021. -Vol. 370. - P. 137689.
168. Zhu L.-Y., Li Y.-C., Liu J., He J., Wang L.-Y., Lei J.-D. Recent developments in high-performance Nafion membranes for hydrogen fuel cells applications // Petroleum Science. - 2022. - Vol. 19, - № 3. - P. 1371-1381.
169. Kim J., Park M., Kim S., Jeon M. Effect of ionic polymer membrane with multiwalled carbon nanotubes on the mechanical performance of ionic electroactive polymer actuators // Polymers. - 2020. - Vol. 12, - № 2. - P. 396.
170. Xu G., Wu Z., Wei Z., Zhang W., Wu J., Li Y., Li J., Qu K., Cai W. Nondestructive fabrication of Nafion/silica composite membrane via swelling-filling modification strategy for high temperature and low humidity PEM fuel cell // Renewable Energy. - 2020. - Vol. 153. - P. 935-939.
171. Jung U.H., Park K.T., Park E.H., Kim S.H. Improvement of low-humidity performance of PEMFC by addition of hydrophilic SiO2 particles to catalyst layer // Journal of Power Sources. - 2006. - Vol. 159, - № 1. - P. 529-532.
172. Li J., Fan K., Cai W., Ma L., Xu G., Xu S., Ma L., Cheng H. An in-situ nano-scale swelling-filling strategy to improve overall performance of Nafion membrane for direct methanol fuel cell application // Journal of Power Sources. - 2016. - Vol. 332. - P. 37-41.
173. Ng W.W., Thiam H.S., Pang Y.L., Chong K.C., Lai S.O. A State-of-Art on the Development of Nafion-Based Membrane for Performance Improvement in Direct Methanol Fuel Cells: 5 // Membranes. - 2022. - Vol. 12, - № 5. - P. 506.
174. Rahman I.A., Vejayakumaran P., Sipaut C.S., Ismail J., Bakar M.A., Adnan R., Chee C.K. An optimized sol-gel synthesis of stable primary equivalent silica particles // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. -2007. - Vol. 294, - № 1. - P. 102-110.
175. Perullini M., Calcabrini M., Jobbagy M., Bilmes S.A. Alginate/porous silica matrices for the encapsulation of living organisms: tunable properties for biosensors, modular bioreactors, and bioremediation devices // Open Material Sciences. - 2015. - Vol. 2, - № 1. - P. 3-12.
176. Xu G., Li S., Li J., Liu Z., Li Y., Xiong J., Cai W., Qu K., Cheng H. Targeted filling of silica in Nafion by a modified in situ sol-gel method for enhanced fuel cell performance at elevated temperatures and low humidity // Chemical Communications. - 2019. - Vol. 55, - № 38. - P. 5499-5502.
177. Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K.W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis // Nat Methods. - 2012. - Vol. 9, - № 7. - P. 671-675.
178. Petricek V., Dusek M., Palatinus L. Crystallographic Computing System JANA2006: General features // Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials. - 2014. - Vol. 229, - № 5. - P. 345-352.
179. Rehr J.J., Kas J.J., Vila F.D., Prange M.P., Jorissen K. Parameter-free calculations of X-ray spectra with FEFF9 // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2010. - Vol. 12, - № 21. - P. 5503-5513.
180. Newville M. IFEFFIT: interactive XAFS analysis and FEFF fitting // J Synchrotron Rad. - 2001. - Vol. 8, - № 2. - P. 322-324.
181. Zhu Z., Liu Q., Liu X., Shui J. Temperature Impacts on Oxygen Reduction Reaction Measured by the Rotating Disk Electrode Technique // J. Phys. Chem. C. -2020. - Vol. 124, - № 5. - P. 3069-3079.
182. Peters G.S., Zakharchenko O.A., Konarev P.V., Karmazikov Y.V., Smirnov M.A., Zabelin A.V., Mukhamedzhanov E.H., Veligzhanin A.A., Blagov A.E., Kovalchuk M.V. The small-angle X-ray scattering beamline BioMUR at the Kurchatov synchrotron radiation source // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2019. - Vol. 945. - P. 162616.
183. Hammersley A.P. FIT2D: a multi-purpose data reduction, analysis and visualization program // J Appl Cryst. - 2016. - Vol. 49, - № 2. - P. 646-652.
184. Breßler I., Kohlbrecher J., Thünemann A.F. SASfit: a tool for small-angle scattering data analysis using a library of analytical expressions // J Appl Cryst. -2015. - Vol. 48, - № 5. - P. 1587-1598.
185. Tsao C.-S., Chang H.-L., Jeng U.-S., Lin J.-M., Lin T.-L. SAXS characterization of the Nafion membrane nanostructure modified by radiation cross-linkage // Polymer. - 2005. - Vol. 46, - № 19. - P. 8430-8437.
186. Fernandez Bordin S.P., Andrada H.E., Carreras A.C., Castellano G.E., Oliveira R.G., Galvan Josa V.M. Nafion membrane channel structure studied by small-angle X-ray scattering and Monte Carlo simulations // Polymer. - 2018. - Vol. 155. - P. 58-63.
187. Kusoglu A., Weber A.Z. New Insights into Perfluorinated Sulfonic-Acid Ionomers // Chem. Rev. - 2017. - Vol. 117, - № 3. - P. 987-1104.
188. Kreuer K., Portale G. A Critical Revision of the Nano-Morphology of Proton Conducting Ionomers and Polyelectrolytes for Fuel Cell Applications // Adv Funct Materials. - 2013. - Vol. 23, - № 43. - P. 5390-5397.
189. Pushkarev A.S., Pushkareva I.V., Ivanova N.A., du Preez S.P., Bessarabov D., Chumakov R.G., Stankevich V.G., Fateev V.N., Evdokimov A.A., Grigoriev S.A. Pt/C and Pt/SnOx/C Catalysts for Ethanol Electrooxidation: Rotating Disk Electrode Study: 3 // Catalysts. - 2019. - Vol. 9, - № 3. - P. 271.
190. Esfahani R.A.M., Moghaddam R.B., Ebralidze I.I., Easton E.B. A hydrothermal approach to access active and durable sulfonated silica-ceramic carbon electrodes for PEM fuel cell applications // Applied Catalysis B: Environmental. - 2018. - Vol. 239. - P. 125-132.
191. Mason M.G. Electronic structure of supported small metal clusters // Phys. Rev. B. - 1983. - Vol. 27, - № 2. - P. 748-762.
192. Corcoran C.J., Tavassol H., Rigsby M.A., Bagus P.S., Wieckowski A. Application of XPS to study electrocatalysts for fuel cells // Journal of Power Sources. - 2010. - Vol. 195, - № 24. - P. 7856-7879.
193. Smirnov M.Y., Kalinkin A.V., Vovk E.I., Bukhtiyarov V.I. Analysis of the oxidation state of platinum particles in supported catalysts by double differentiation of XPS lines // Journal of Structural Chemistry. - 2016. - Vol. 57. - P. 1127-1133.
194. Katrib A., Stanislaus A., Yousef R.M. XPS investigations of metal—support interactions in Pt/SiO2, Ir/SiO2 and Ir/Al2O3 systems // Journal of molecular structure. - 1985. - Vol. 129, - № 1-2. - P. 151-163.
195. Huang H., Hu P., Huang H., Chen J., Ye X., Leung D.Y. Highly dispersed and active supported Pt nanoparticles for gaseous formaldehyde oxidation: Influence of particle size // Chemical Engineering Journal. - 2014. - Vol. 252. - P. 320-326.
196. Chen X., Cao H., Chen X., Du Y., Qi J., Luo J., Armbruster M., Liang C. Synthesis of Intermetallic Pt-Based Catalysts by Lithium Naphthalenide-Driven Reduction for Selective Hydrogenation of Cinnamaldehyde // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2020. - Vol. 12, - № 16. - P. 18551-18561.
197. Lewera A., Barczuk P.J., Skorupska K., Miecznikowski K., Salamonczyk M., Kulesza P.J. Influence of polyoxometallate on oxidation state of tin in Pt/Sn nanoparticles and its importance during electrocatalytic oxidation of ethanol-Combined electrochemical and XPS study // Journal of electroanalytical chemistry.
- 2011. - Vol. 662, - № 1. - P. 93-99.
198. Wan H., Qian L., Gong N., Hou H., Dou X., Zheng L., Zhang L., Liu L. Size-Dependent Structures and Catalytic Properties of Supported Bimetallic PtSn Catalysts for Propane Dehydrogenation Reaction // ACS Catal. - 2023. - Vol. 13, -№ 11. - P. 7383-7394.
199. Hussain S., Kongi N., Erikson H., Rahn M., Merisalu M., Matisen L., Paiste P., Aruvali J., Sammelselg V., Estudillo-Wong L.A., Tammeveski K., Alonso-Vante N. Platinum nanoparticles photo-deposited on SnO2-C composites: An active and durable electrocatalyst for the oxygen reduction reaction // Electrochimica Acta. -2019. - Vol. 316. - P. 162-172.
200. Mensharapov R.M., Spasov D.D., Ivanova N.A., Zasypkina A.A., Smirnov S.A., Grigoriev S.A. Screening of Carbon-Supported Platinum Electrocatalysts Using Frumkin Adsorption Isotherms // Inorganics. - 2023. - Vol. 11, - № 3. - P. 103.
201. Sun S., Zhang G., Geng D., Chen Y., Li R., Cai M., Sun X. A Highly Durable Platinum Nanocatalyst for Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Multiarmed Starlike Nanowire Single Crystal // Angewandte Chemie. - 2011. - Vol. 123, - № 2.
- p. 442-446.
202. Garsany Y., Singer I.L., Swider-Lyons K.E. Impact of film drying procedures on RDE characterization of Pt/VC electrocatalysts // Journal of Electroanalytical Chemistry. - 2011. - Vol. 662, - № 2. - P. 396-406.
203. Zhang N., Zhang S., Du C., Wang Z., Shao Y., Kong F., Lin Y., Yin G. Pt/Tin Oxide/Carbon Nanocomposites as Promising Oxygen Reduction Electrocatalyst with Improved Stability and Activity // Electrochimica Acta. - 2014. - Vol. 117. - P. 413-419.
204. Pinchuk O.A., Dundar F., Ata A., Wynne K.J. Improved thermal stability, properties, and electrocatalytic activity of sol-gel silica modified carbon supported Pt catalysts // International Journal of Hydrogen Energy. - 2012. - Vol. 37, - № 3. -P. 2111-2120.
205. Markovic N., Gasteiger H., Ross P.N. Kinetics of Oxygen Reduction on Pt(hkl) Electrodes: Implications for the Crystallite Size Effect with Supported Pt Electrocatalysts // J. Electrochem. Soc. - 1997. - Vol. 144, - № 5. - P. 1591-1597.
206. Deng Q., Moore R.B., Mauritz K.A. Nafion®/(SiO2, ORMOSIL, and dimethylsiloxane) hybrids viain situ sol-gel reactions: Characterization of fundamental properties // J. Appl. Polym. Sci. - 1998. - Vol. 68, - № 5. - P. 747763.
207. Plazanet M., Sacchetti F., Petrillo C., Demé B., Bartolini P., Torre R. Water in a polymeric electrolyte membrane: Sorption/desorption and freezing phenomena // Journal of membrane science. - 2014. - Vol. 453. - P. 419-424.
208. Islam J., Kim S.-K., Lee E., Park G.-G. Durability enhancement of a Pt/C electrocatalyst using silica-coated carbon nanofiber as a corrosion-resistant support // International Journal of Hydrogen Energy. - 2019. - Vol. 44, - № 8. - P. 41774187.
209. Bultel Y., Wiezell K., Jaouen F., Ozil P., Lindbergh G. Investigation of mass transport in gas diffusion layer at the air cathode of a PEMFC // Electrochimica Acta. - 2005. - Vol. 51, - № 3. - P. 474-488.
210. Ke C.-C., Li X.-J., Shen Q., Qu S.-G., Shao Z.-G., Yi B.-L. Investigation on sulfuric acid sulfonation of in-situ sol-gel derived Nafion/SiO2 composite membrane // International Journal of Hydrogen Energy. - 2011. - Vol. 36, - № 5. - P. 36063613.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.