Studium elektrokatalyzátorů na membráně pro palivové články

Student: Fuka Šimon
Vedoucí: Doc. Mgr. Iva Matolínová, Dr.
Konzultant: Mgr. M. Václavů
Stav práce: obhájená

Abstrakt:

V posledních letech se klade stále větší důraz na výzkum alternativních zdrojů energie za účelem nahrazení konvenčních fosilních paliv a řešení tak energetické otázky budoucnosti. Jedním takovým řešením je využití vodíkových článků a elektrolyzérů s polymerní membránou, které mohou být použity jako zdroje elektrické energie pro mobilní zařízení nebo budovy. V kombinaci se solárními panely a větrnými elektrárnami mohou být využity i k ukládání elektrické energie ve formě vodíku během nadprodukce.

V palivovém článku je polymerní membrána (PEM), nejčastěji Nafion©, o tloušťce několika desítek mikronů pokryta z obou stran katalyzátorem anody a katody (MEA). Na anodě vznikají rozkladem vodíku protony, které difundují skrz membránu ke katodě, kde se reagují s kyslíkem na vodu, viz obr. 1. Jedním z důležitých faktorů určujícím účinnost systému je vytvoření vhodných rozhraní mezi nanostrukturními katalyzátory, tvořeným nanočásticemi o velikosti jednotek až desítek nm, a membránou. Studium těchto rozhraní za použití běžných analytických metod velmi obtížné, protože se jedná o sendvičovou strukturu a rozhraní katalyzátor - PEM se nachází uvnitř struktury.

Metoda řádkovací elektronové mikroskopie (SEM) kombinovaná s metodou fokusovaného iontového svazku (FIB) spolu s EDX představuje ideální a prakticky jediný nástroj, umožňující studium vnitřní části MEA, včetně procesů, které jsou pro funkci MEA zásadní, především difúzi materiálu katalyzátoru do membrány a chemické a morfologické změny na rozhraní, které mají vliv na životnost článku. Příklad studia difúze platiny, v důsledku elektrochemického cyklování MEA, do polymerní membrány MEA je uveden na obrázku 2, převzato z [3].

Použité experimentální metody studia budou především SEM-FIB, EDX, případně cyklická voltametrie.

Obr. 1.

Obr. 2.

Dílčí úkoly:
1. Bibliografická rešerše.
2. Zvládnutí práce s mikroskopem SEM vybaveným FIB, GIS a EDX.
3. Vytváření mikrootvorů do struktur MEA metodou FIB.
4. Studium chemického složení profilů rozhraní PEM-katalyzátor metodou EDX.
5. Studium struktury profilů rozhraní PEM-katalyzátor metodou SEM.
6. Simulace stárnutí membrány metodou cyklické voltametrie.
7. Vyhodnocení změn rozhraní katalyzátor - PEM v důsledku stárnutí.
8. Vyhodnocení výsledků a sepsání bakalářské práce.

Literatura
1. PEM Fuel Cell Diagnostic Tool, edited by Haijiang Wang, CRC Press, 2012.
2. Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Zhingang Qi, CRC Press 2013.
3. L. Dubau et al., Fuel Cells, 12 (2012), 188–198.
4. Focused Ion Beam System, edited by Nan Yao, Cambridge University Press, 2007.