1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 1, 2021

Теплоэнергетика, 2021, № 1, стр. 21-29

Нанокомпозитные микромощные альтернативные источники энергии для электронной техники

А. П. Антропов a, А. В. Рагуткин a, М. В. Лебедева a, Н. А. Яштулов a, *

a МИРЭА – Российский технологический университет
119454 Москва, просп. Вернадского, д. 78, Россия

* E-mail: YashtulovNA@mail.ru

Поступила в редакцию 06.06.2019
После доработки 17.06.2020
Принята к публикации 24.06.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Современные технологические методы и подходы к получению функциональных электродных материалов позволяют конструировать альтернативные источники энергии, в частности топливные элементы, с высокими удельными характеристиками. Углеродные нанотрубки и пористый кремний благодаря своим уникальным свойствам являются наиболее перспективными материалами для создания микромощных источников тока. Подложки на основе пористого кремния обладают высокой коррозионной и механической устойчивостью, а также имеют большую площадь поверхности пор. В связи с этим актуальной технологической задачей энергетики и электронной техники становится поиск оптимальных составов матриц-носителей с высокой активной поверхностью и металлов-модификаторов при их минимальной загрузке. Использование металлических наночастиц в катализаторе позволяет увеличить каталитическую активность в электрохимических реакциях, протекающих в топливных элементах, а также их коррозионную стойкость. Исследования электрохимического окисления водорода и муравьиной кислоты в топливных элементах представляются наиболее практически значимыми вследствие широких возможностей применения данных типов топлив. В настоящей работе рассматривается формирование нанокомпозитных электродов с наночастицами металлов платиновой группы для топливных элементов в качестве микромощных автономных источников тока, применяемых в электронной технике. Описана технология формирования эффективных электродных материалов на основе пористого кремния и углеродных нанотрубок с наночастицами платины (Pt) и палладия (Pd) для низкотемпературных автономных источников энергии. Методами атомно-силовой, высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии исследованы параметры нанокомпозитных электродов в составе матриц-носителей. Приведены результаты испытаний макетов топливных элементов муравьиная кислота–воздух и водород–воздух. Установлены оптимальные значения загрузки металлов платиновой группы и размеры электродных нанокомпозитов для достижения максимальных значений удельной мощности и плотности тока.

Ключевые слова: альтернативная энергетика, топливные элементы, нанокомпозитные электроды, пористый кремний, углеродные нанотрубки, ватт-амперные характеристики

Энергоустановки нового поколения на базе альтернативных источников энергии (АИЭ), в том числе возобновляемых, которые интенсивно развиваются в последние десятилетия, вносят все больший вклад в генерацию электроэнергии с помощью водородсодержащих топлив и биомассы. В современном постиндустриальном обществе, согласно авторитетным экспертным оценкам, альтернативные источники энергии будут интенсивно развиваться, в том числе в виде малых гидро- и геотермальных электростанций, солнечных и портативных энергоустановок, биоэнергетических и ветровых комплексов, теплоснабжающих и аккумулирующих систем [1–28 ].

Разработками энергоустановок и материалов для их функционирования в нашей стране занимаются такие ведущие организации, как Институт сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН, Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии, лаборатория алюмоводородной энергетики ОИВТ РАН, Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”, Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Завод электрохимических преобразователей (ООО ЗЭП), ракетно-космическая корпорация “Энергия”, AT Energy, “ИнЭнерджи” и др. В МИРЭА – Российском технологическом университете проводятся работы по разработке технологий АИЭ для электронной техники по программам Минобрнауки РФ и Минпромторга РФ, ориентированные на решение задач развития ТЭК страны, сформулированных в энергетической стратегии РФ и решениях Правительства России [6, 7, 9, 10, 16–18].

Особая роль в развитии АИЭ и, в частности, возобновляемых источников энергии принадлежит топливным элементам (ТЭ) и энергоустановкам на их основе – электрохимическим генераторам (ЭХГ). Большое внимание уделяется картриджным возобновляемым элементам питания на основе ТЭ. Возобновляемый режим работы осуществляется заменой (или перезарядкой) топливных картриджей, что обеспечивает длительный срок эксплуатации таких источников тока.

В качестве одного из перспективных направлений развития АИЭ рассматривается разработка гибридных энергетических комплексов на основе возобновляемых источников энергии, совместимых с ТЭ. Топливо (например, водород) может генерироваться с помощью возобновляемых источников энергии (например, электролизом воды) в режиме аккумулирования энергии и дальнейшей конвертации энергии топлива в электроэнергию. К настоящему времени известно множество работ по конструированию ЭХГ на основе ТЭ [3, 5, 9, 10, 12–21]. Подобные генераторы обладают такими важными достоинствами, как высокий КПД, экологическая безопасность, возможность использовать различные виды топлива, совместное производство тепла и воды, быстрый монтаж и простота обслуживания. В настоящее время наиболее актуальными источниками тока для электронной аппаратуры являются микромощные, совместимые с кремниевыми микрочипами элементы питания, а именно водород–воздух и муравьиная кислота–воздух (рис. 1). Микромощные ТЭ представляют собой источники тока малых размеров с высокими удельными характеристиками (плотность тока, удельная мощность) [25–28]. По сравнению с другими источниками, например аккумуляторными батареями, они имеют более высокое напряжение, широкий температурный интервал и длительный срок эксплуатации, высокие значения плотности тока, удельной мощности и энергии.

Рис. 1.

Схема топливного элемента с прямым окислением муравьиной кислоты

Топливные элементы на основе прямого окисления муравьиной кислоты характеризуются рядом преимуществ по сравнению с другими видами установок на водородсодержащем топливе:

имеют более высокое значение напряжения разомкнутой цепи;

муравьиная кислота является нетоксичным жидким топливом;

в отличие от, например, метанола, возможно использование высококонцентрированной муравьиной кислоты в качестве топлива с высокой удельной энергией;

муравьиная кислота является электролитом, поэтому она может облегчить перенос протонов внутри анодного пространства [14, 20–24].

Разработка новых электродов с повышенной активностью и стабильностью, а также устойчивостью к отравляющему воздействию электрокаталитических ядов (например, монооксида углерода СО) является одной из важнейших задач для коммерциализации топливных элементов на основе водорода и муравьиной кислоты [5, 14, 20–24]. На платиновых электродах реакция электроокисления муравьиной кислоты происходит преимущественно с образованием монооксида углерода в качестве промежуточного продукта. Его молекулы блокируют активные центры платинового катализатора. К настоящему времени установлено, что в процессе работы топливных элементов с прямым окислением муравьиной кислоты (см. рис. 1) наночастицы палладия обладают более высокой электрокаталитической активностью и стабильностью по сравнению с аналогичными электродами на основе платины [14, 20–24].

Принципиально улучшить характеристики источников тока можно путем использования новейших достижений нанотехнологии с применением углеродных и пористых матриц-носителей с высокой площадью удельной поверхности, наноструктурированных твердополимерных мембран, пористого кремния и т.д., модифицированных наночастицами электрокатализаторов. Известно, что применение углеродных структур (графена, фуллеренов, углеродных нановолокон и нанотрубок) в качестве носителей катализаторов позволяет не только заметно повысить удельные характеристики источников тока, но и дополнительно снизить расход катализатора и увеличить срок его службы [10, 14–18, 29, 30 ] . В предыдущих работах авторского коллектива были сформированы композитные электродные материалы с катализаторами платины и палладия на полимерных носителях, а также на пористом кремнии [9, 10, 16–18]. Была предложена новая технология формирования и стабилизации электрокаталитически активных слоев платиновых металлов для конструирования мембранно-электродных блоков низкотемпературных ТЭ. Проведена оценка электрокаталитической активности и стабильности катализаторов платины и палладия в реакции окисления водорода и муравьиной кислоты [9, 10, 16–18].

Для одной из исследуемых матриц-носителей был выбран наноструктурированный пористый кремний (ПК) с высокоразвитой активной поверхностью. Его уникальные свойства позволяют разрабатывать автономные микромощные источники тока, совместимые с компонентами микрочипов электронной аппаратуры, обладающие высоким ресурсом работы, устойчивостью к вибрациям и радиационному воздействию [16, 17].

Цель данной работы состояла в проведении испытаний макетов топливных элементов муравьиная кислота–воздух и водород–воздух на базе композитных электродов с наночастицами платиновых металлов на пористом кремнии и углеродных нанотрубках.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Наночастицы платины и палладия были синтезированы с использованием анионного поверхностно-активного вещества (ПАВ) марки АОТ (С20H37SO7Na, Sigma Aldrich, США) методом восстановления тетрагидроборатом натрия NaBH4 (Merck, Германия) в растворах обращенных микроэмульсий [9, 10, 16, 17]. Методика приготовления растворов состояла в следующем: изготовители (Sigma Aldrich, США) готовили водно-органические растворы солей платины H2PtCl6 и палладия [Pd(NH3)2]Cl2. Для создания микроэмульсионной среды использовали раствор АОТ с концентрацией 0.15 моль/л в изооктане (Merck, Германия). Затем к данному раствору при ультразвуковом воздействии в течение 2–3 мин добавляли микроэмульсию аналогичного состава, содержавшую водный раствор восстановителя – соли NaBH4 с концентрацией 0.1 моль/л. Объемное соотношение было следующим, %: растворы солей металлов (или раствор восстановителя) : ПАВ : изооктан 30 : 15 : 55. Мольное соотношение вода/ПАВ (степень солюбилизации ω) в экспериментах варьировали от 1.5 до 8.0 (табл. 1).

Таблица 1.  

Концентрация платины и палладия в растворах обращенных микроэмульсий

Мольное соотношение ω Концентрация, моль/л
платины палладия
1.5 1.5 × 10–4 7.9 × 10–5
3.0 3.0 × 10–4 2.4 × 10–4
5.0 4.9 × 10–4 1.9 × 10–4
8.0 6.1 × 10–4 1.5 × 10–4

В целях предотвращения деструкции наночастиц под воздействием света растворы микроэмульсий хранили при комнатной температуре в темном помещении.

Матрицы пористого кремния со степенью пористости от 40 до 80% получали анодным электрохимическим травлением пластин из пористого кремния n- и p-типа. Плотность тока травления варьировалась от 20 до 60 мА/см2 [16, 17]. Диаметр каналов пор ПК p-типа составлял 5–20, n-типа – 10–40 нм. В качестве электролита применялся водно-спиртовой раствор плавиковой кислоты с массовым содержанием HF 25%.

Для формирования углеродных нанокомпозитов в работе применялись одностенные и многостенные углеродные нанотрубки (ОУНТ и МУНТ) (Sigma Aldrich, США). Диаметр одностенных нанотрубок составлял 1.3–2.3 нм, многостенных – 110–170 нм. Навеску углеродных нанотрубок (УНТ), предварительно солюбилизированных в воде, помещали в кювету с водно-органическим раствором наночастиц и подвергали ультразвуковому воздействию на диспергаторе Ultrasonis Cleaner UD 150SH-6L (Eumax, Германия) в течение 5 мин при температуре 25 ± 1°С. Для очистки электродов от следов ПАВ и растворителя образцы УНТ и ПК с наночастицами промывали в изооктане, этаноле и дистиллированной воде. Морфологию поверхности нанокомпозитов на ПК и УНТ исследовали методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (ВРПЭМ) на приборе Zeiss Libra 200FE (Carl Zeiss, Германия). Каталитическую активность и плотность тока оценивали методом циклической вольтамперометрии (ЦВА) на приборе IPC-PRO M (“Техноприбор”, Россия). Плотность тока  j, А/м2, которую определяют по соотношению $j = {I \mathord{\left/ {\vphantom {I S}} \right. \kern-0em} S}$ (где I – сила тока, S – площадь поверхности электрода), пропорциональна скорости электродной реакции. Потенциодинамические кривые снимали в смеси растворов HClO4 и HCOOH с концентрацией 0.5 моль/л. Ватт-амперные испытания сформированных электродных материалов проводили на установке Fuel Cell Test System 850C (Scribner Associates Inc., США).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Исследования размеров и форм наночастиц платины и палладия выполняли методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Наночастицы анализировали на слюде, которая является стандартной подложкой для подобных измерений. В табл. 2 представлена оценка размеров наночастиц платины и палладия в зависимости от степени солюбилизации ω. Наночастицы палладия имеют как эллипсовидную, так и сферическую форму (размер от 5 до 11 нм), а наночастицы платины – только сферическую (размер от 3 до 8 нм).

Таблица 2.  

Распределение по размерам, нм, наночастиц Pt и Pd, полученное методом атомно-силовой микроскопии

Наночастицы Степень солюбилизации ω
1.5 3.0 5.0 8.0
Pt 2.6–3.4 3.6–4.2 4.5–6.8 5.9–8.1
Pd 5.0–6.5 6.3–7.7 7.9–9.1 9.3–10.7

Методы получения наночастиц металлов в водно-органических растворах с последующим формированием нанокомпозитов на функциональных матрицах-подложках привлекают особое внимание благодаря возможности контроля и стабилизации размеров наночастиц на различных этапах синтеза. Углеродные нанотрубки имеют довольно большую площадь поверхности и поэтому являются наиболее эффективными матрицами-носителями для формирования композитных материалов с наночастицами металлов. На основе композитов платиновых металлов с УНТ конструируются источники тока с повышенными удельными характеристиками [10, 14, 15].

Нанокомпозиты платины и палладия на пористом кремнии и углеродных нанотрубках были сформированы в растворах микроэмульсий с анионным ПАВ (АОТ) при контакте с матрицей-носителем. В табл. 3 представлены данные по оценке размеров наночастиц платины и палладия в составе ПК, а также многостенных и одностенных углеродных нанотрубок методом ВРПЭМ. Поскольку диаметр одностенных углеродных нанотрубок меньше 2 нм, наночастицы концентрируются на поверхности. Для многостенных углеродных нанотрубок характерна фиксация частиц как на поверхности, так и в объеме углеродного носителя (рис. 2).

Таблица 3.  

Распределение по размерам, нм, нанокомпозитов на основе МУНТ, ОУНТ и пористого кремния (n‑типа) с наночастицами Pd и Pt при различных значениях ω

Подложка Наночастицы Степень солюбилизации ω
1.5 3.0 5.0 8.0
МУНТ Pd 5.4–6.9 7.0–8.3 8.4–9.7 9.8–11.2
ОУНТ 5.8–7.3 7.5–9.0 8.9–10.2 10.4–11.6
МУНТ Pt 3.1–4.2 4.4–5.0 5.3–7.4 6.6–7.9
ОУНТ 3.8–4.7 5.1–6.3 5.7–8.2 7.0–8.6
ПК Pd 5.0–6.5 6.3–7.7 7.9–9.1 9.3–10.7
ПК Pt 2.7–3.6 3.7–4.2 4.5–6.8 5.5–7.1
Рис. 2.

Микрофотография ВРПЭМ нанокомпозитов Pt/МУНТ, ω = 1.5

Таким образом, по данным табл. 3 можно сделать вывод, что минимальный размер наночастиц платины и палладия в составе как ПК, так и УНТ достигается при наименьшей степени солюбилизации ω = 1.5. Данный факт можно объяснить лучшей стабилизацией наночастиц в объеме МУНТ благодаря наличию нескольких углеродных слоев [10, 14, 15].

Для топливных элементов с прямым окислением муравьиной кислоты реакция электроокисления может протекать двумя путями: прямым окислением без образования монооксида углерода (реакция 1) и непрямым окислением с образованием промежуточного продукта – адсорбированных молекул СОадс (реакция 2):

(1)
$\begin{gathered} {\text{НСООН}} \to {\text{СООН}} + {{{\text{Н}}}^{ + }} + \bar {e} \to \\ \to \,\,{\text{С}}{{{\text{О}}}_{2}} + 2{{{\text{Н}}}^{ + }} + 2\bar {e}; \\ \end{gathered} $
(2)
${\text{НСООН}} \to {\text{С}}{{{\text{О}}}_{{{\text{адс}}}}} + {{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}} \to {\text{С}}{{{\text{О}}}_{2}} + 2{{{\text{Н}}}^{ + }} + 2\bar {e}.$

Процесс окислительной дегидрогенизации муравьиной кислоты (реакция 1) характерен, главным образом, для палладиевых катализаторов. Для катализаторов на основе платины преобладающим является непрямое окисление (реакция 2).

В настоящей работе были проведены испытания нанокомпозитных электродов на подложках из пористого кремния, а также многостенных и одностенных углеродных нанотрубок методом ЦВА. По полученным данным была построена зависимость плотности тока от степени солюбилизации ω (рис. 3). Из этого рисунка видно, что максимальная плотность тока характерна для электродов, сформированных на ПК при степени солюбилизации ω = 1.5.

Рис. 3.

Плотность тока в зависимости от степени солюбилизации ω для нанокомпозитов Pd (загрузка 2 мг/см2) в реакции окисления муравьиной кислоты (данные получены методом циклической вольтамперометрии). Нанокомпозит: 1 – ПК n-типа; 2 – ПК р-типа; 3 – МУНТ; 4 – ОУНТ

Для анализа энергетических характеристик композитов были проведены испытания макетов источников энергии муравьиная кислота–воздух на основе композитов на углеродных нанотрубках и пористом кремнии, модифицированных наночастицами палладия. Мембранно-электродный блок состоял из полимерной мембраны Нафион-115, спрессованной при температуре 85°С между анодом (на основе палладия) и катодом (на основе платины) на базе УНТ и ПК [16, 17]. Макеты исследовались при температуре 30 ± 1°С. На анод подавалась НСООН с концентрацией 5 моль/л (3 мл/мин). Скорость подачи воздуха на катод составляла 300 мл/мин. Вольтамперограммы регистрировались в интервале напряжения от 0.05 до 0.6 В со скоростью сканирования 20 мВ/с.

Исследование ватт-амперных характеристик композитов на основе палладия в условиях работы ТЭ муравьиная кислота–воздух

Для исследования ватт-амперных зависимостей на основе УНТ были изготовлены макеты четырех типов с концентрацией муравьиной кислоты 5 моль/л при варьируемой загрузке катализаторов, разной степени солюбилизации и различном типе УНТ (табл. 4).

Таблица 4.  

Характеристики макетов для исследования ватт-амперных зависимостей при концентрации мур-авьиной кислоты 5 моль/л

Номер макета Содержание катализатора (палладия), мг/см2 Средний диаметр наночастиц, нм Подложка
1 2.0 5–7 МУНТ
2 1.3 7–8
3 2.0 6–7 ОУНТ
4 1.3 7–9

В табл. 5 и на рис. 4 представлены результаты определения ватт-амперных характеристик макетов № 1–4. В этой же таблице приведены параметры образцов на ПК для электродов ТЭ муравьиная кислота–воздух при концентрации топлива 5 моль/л.

Таблица 5.  

Характеристики ТЭ муравьиная кислота–воздух (при комнатной температуре)

Номер макета Подложка Диаметр наночастиц, нм Максимальная удельная мощность, мВт/cм2 Плотность тока, мА/cм2
1 МУНТ 5–7 71.5 138
2 7–8 58.3 122
3 ОУНТ 6–7 37.1 120
4 7–9 35.0 90
5 ПК 5–6 89.0 146
Рис. 4.

Ватт-амперные характеристики лабораторных макетов № 1–4 мембранно-электродных блоков топливных элементов муравьиная кислота–воздух на основе электродов из углеродных носителей с палладием. Номера линий соответствуют номерам макетов

Из этих данных следует, что макеты № 3 и 4 обладают наименьшими удельными характеристиками по сравнению с макетами № 1 и 2, разработанными на основе многостенных углеродных нанотрубок. Подобное различие в энергетических параметрах может быть объяснено разной электронной структурой ОУНТ и МУНТ, а именно степенью локализации в них π-электронов, которые играют важную роль при взаимодействии углеродных структур с наночастицами платиновых металлов [10, 14, 15]. В этих работах установлено, что в матрице МУНТ наблюдается более высокая степень делокализации π-электронов по сравнению с ОУНТ. Повышенная делокализация электронной плотности усиливает связь МУНТ с металлами-катализаторамии и увеличивает удельные характеристики катализаторов. Таким образом, наилучшие энергетические характеристики из макетов четырех вариантов топливных элементов на УНТ были получены при использовании электродов на базе МУНТ и загрузке платиновых катализаторов 2 мг/см2. Максимальная плотность тока составила 135–145 мА/см2 в диапазоне рабочих напряжений 0.4–0.6 В.

Из рис. 4 также видно, что с увеличением плотности тока наблюдается максимум удельной мощности для всех четырех макетов мембранно-электродных блоков топливных элементов. При этом максимальная удельная мощность электродов на базе МУНТ составила 71 ± 2 мВт/см2 при плотности тока 133 ± 5 мА/см2. С увеличением плотности тока до 100 мА/см2 происходило резкое снижение удельной мощности, связанное с увеличением поляризационных потерь, характерных для топливных ячеек с прямым окислением муравьиной кислоты [21, 23].

При увеличении загрузки катализаторов до значения 2.1 мг/см2 наблюдается рост каталитической активности в реакции окисления муравьиной кислоты, что отражается как на плотности тока (она повышается), так и на мощности топливных элементов. Дальнейшее увеличение загрузки катализаторов на углеродных нанотрубках более 2.4 мг/см2 приводит к росту размера наночастиц палладия до 15 нм и вызывает существенное уменьшение плотности тока и мощности.

Как видно из данных табл. 5, наивысшими удельными значениями мощности и плотности тока обладают электроды, сформированные именно на пористом кремнии (макет № 5), что объясняется большой площадью активной поверхности данной подложки. Нанопористая структура кремния ограничивает агломерацию наночастиц палладия в соответствии с размером нанопор, выполняя функцию стабилизатора, что способствует достижению повышенных параметров активности и стабильности данных материалов.

Проведение ватт-амперных испытаний композитов на основе платины в условиях работы ТЭ водород–воздух

Испытания макетов водородно-воздушных топливных элементов на основе полученных композитных электродов на пористом кремнии с платиной проводились при температуре 30 ± 1°С, давлении водорода 0.1 МПа (1 атм) и влажности 100%. Анодом и катодом служили электроды с наночастицами платины. Для проведения лабораторных испытаний были изготовлены четыре макета на ПК n-типа (загрузка платинового катализатора составляла 0.2 мг/см2) (табл. 6).

Таблица 6.  

Характеристики макетов для исследования ватт-амперных зависимостей мембранно-электродных блоков топливных элементов водород–воздух на основе электродов из пористого кремния с платиной (загрузка платинового катализатора составляла 0.2 мг/см2, мембрана – Нафион 115)

Номер макета Степень пористости кремния, % Средний диаметр наночастиц платины, нм
6 64 3–4
7 42 3–4
8 64 4–5
9 42 4–5

Результаты испытаний представлены на рис. 5. Из этого рисунка можно сделать вывод, что при увеличении плотности тока удельная мощность проходит через максимум для макетов топливных элементов всех четырех вариантов. Наилучшие энергетические характеристики получены при использовании электродов на базе ПК n-типа со степенью пористости 64% и температуре 25°С. Максимальная удельная мощность макета № 5 составила 88 ± 3 мВт/см2 при плотности тока 275 ± 10 мА/см2. При повышении плотности тока более 280 мА/см2 удельная мощность этого макета резко снижается, вероятно, вследствие существенного увеличения поляризационных потерь, что характерно при использовании водорода в качестве топлива.

Рис. 5.

Ватт-амперные характеристики водородно-воздушных лабораторных макетов № 5–8 мембранно-электродных блоков топливных элементов водород–воздух на основе электродов из пористого кремния с платиной. Номер макета: 1 – 5; 2 – 6; 3 – 7; 4 – 8

Таким образом, выбор оптимального содержания катализатора при функционировании мембранно-электродного блока водород–воздух и муравьиная кислота–воздух и уменьшение размеров наночастиц металлов платиновой группы способствует увеличению удельной мощности топливного элемента при данной плотности тока.

ВЫВОДЫ

1. Для топливных элементов муравьиная кислота–воздух на основе пористого кремния максимальная мощность составила 89 ± 5 мВт/см2 при плотности тока 146 ± 7 мА/cм2, а для макетов, исследованных в условиях работы водородно-воздушного топливного элемента из пористого кремния с платиной, была получена максимальная удельная мощность 88 ± 3 мВт/см2 при плотности тока 275 ± 10 мА/см2.

2. Представленные характеристики макетов топливных элементов на пористом кремнии и углеродных нанотрубках позволяют сделать заключение о перспективности конструирования на их основе микромощных источников тока для электронной техники с повышенными удельными характеристиками.

Список литературы

  1. Mudryk K., Werle S. Renewable energy sources: engineering, technology, innovation. Springer, 2018.

  2. Zerrahn A., Schill W.-P., Kemfert C. On the economics of electrical storage for variable renewable energy sources // European Econ. Rev. 2018. V. 108. P. 259–279. https://doi.org/10.1016/j.euroecorev.2018.07.004

  3. Попель О.С., Тарасенко А.Б., Филиппов С.П. Энергоустановки на основе топливных элементов: современное состояние и перспективы // Теплоэнергетика. 2018. № 12. С. 5–23. https://doi.org/10.1134/S004036361812007X

  4. Филиппов С.П. Новая технологическая революция и требования к энергетике // Форсайт. 2018. Т. 12. № 4. С. 20–33.

  5. Dicks A., Rand D.A.J. Fuel cell systems explained. L.: Wiley, 2018.

  6. Сигов А.С., Матюхин В.Ф., Мельников В.М. Космические солнечные лазерные электростанции для энергоснабжения северных регионов России // Энергетическая политика. 2016. № 4. С. 65–73.

  7. Кудж С.А., Цветков В.Я., Фролов В.В. Многоуровневая подготовка специалистов в области энергосбережения и энергоэффективности // Дистанционное и виртуальное обучение. 2014. № 12 (90). С. 13–22.

  8. Дильман М.Д., Филиппов С.П. Требования к топливной эффективности перспективных когенерационных установок // Изв. РАН. Энергетика. 2017. № 5. С. 102–111.

  9. Antropov A.P., Ragutkin A.V., Yashtulov N.A. Micropower composite nanomaterials based on porous silicon for renewable energy sources // Int. J. Elect. Comp. Energ. Electron. Commun. Eng. 2016. V. 10. P. 1346–1349. https://doi.org/10.5281/zenodo.1127490

  10. The electrode materials based on carbon nanotubes and polymer matrix modified with platinum catalysts for chemical power sources / M.V. Lebedeva, A.P. Antropov, A.V. Ragutkin, N.A. Yashtulov // Int. J. App. Eng. Res. 2018. V. 13. № 24. P. 16774–16777.

  11. Малышенко С.П., Счастливцев А.И. Анализ системы водородного аккумулирования электроэнергии в сравнении с другими системами аккумулирования // ТВТ. 2015. Т. 53. № 4. С. 538–543.

  12. Попель О.С., Тарасенко А.Б. Сравнительный анализ систем длительного аккумулирования энергии для источников резервного и аварийного питания, а также энергоустановок на возобновляемых источниках энергии // Теплоэнергетика. 2012. № 11. С. 61–68.

  13. Системные свойства гибридных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии / В.С. Афонин, А.Г. Васьков, Г.В. Дерюгина, М.Г. Тягунов, Т.А. Шестопалова // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 2. С. 20–27.

  14. A novel central composite design based response surface methodology optimization study for the synthesis of Pd/CNT direct formic acid fuel cell anode catalyst / A. Caglar, T. Sahan, M.S. Cogenli, A.B. Yurtcan, N. Aktas, H. Kivrak // Int. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43. P. 11002–11011. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.04.208

  15. An ascorbate fuel cell with carbon black nanoparticles as anode and cathode / O. Muneeb, I. Chino, A. Saenz, J.L. Haan // J. Power Sources. 2019. V. 413. P. 216–221. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.12.042

  16. Электродные материалы на основе пористого кремния с наночастицами платины для химических источников тока / Н.А. Яштулов, М.В. Лебедева, А.В. Рагуткин, Н.К. Зайцев // Журн. прикладной химии. 2018. Т. 91. Вып. 2. С. 232–237.

  17. Функциональные характеристики электродов на основе пористого кремния для микромощных источников тока / Н.А. Яштулов, А.В. Рагуткин, С.Е. Смирнов, М.В. Лебедева // Цветные металлы. 2017. № 5. С. 58–63.

  18. Яштулов Н.А., Лебедева М.В. Водородная энергетика возобновляемых источников тока // Рос. технол. журн. 2017. Т. 5. № 3. С. 58–73.

  19. Wang J., Wang H., Fan Y. Techno-economic challenges of fuel cell commercialization // Energy 2018. V. 4. Is. 3. P. 352–360. https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.007

  20. Performance of a direct formic acid fuel cell fabricated by ultrasonic spraying / A.M. Zainoodin, T. Tsujiguchi, M.S. Masdar, S.K. Kamarudin, Y. Osaka, A. Kodama // Int. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43. Is. 12. P. 6413–6420. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.02.024

  21. Stable palladium hydride as a superior anode electrocatalyst for direct formic acid fuel cells / J. Zhang, M. Chen, H. Li, Y. Li, J. Ye, Z. Cao, M. Fang, Q. Kuang, J. Zheng, Z. Xie // Nano Energy. 2018. V. 44. P. 127–134. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.11.075

  22. Mert S.O., Reis A. Exergoeconomic analysis of a direct formic acid fuel cell system // Int. J. Hydrogen Energy. 2016. V. 41. P. 2981–2986. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.029

  23. Size-controllable synthesis of dendritic Pd nanocrystals as improved electrocatalysts for formic acid fuel cells’ application / T. Ma, C. Li, T. Liu, Q. Yuan // J. Saudi Chem. Soc. 2018. V. 22. Is. 7. P. 846–854. https://doi.org/10.1016/j.jscs.2018.01.007

  24. A complementary study on novel PdAuCo catalysts: synthesis, characterization, direct formic acid fuel cell application, and exergy analysis / H. Kivrak, D. Atbas, O. Alal, M.S. Çögenli, A. Bayrakceken, S.O. Mert, O. Sahin // Int. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43. Is. 48. P. 21886–21898. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.09.135

  25. Arsalis A. A comprehensive review of fuel cell-based micro-combined-heat-and-power systems // Renewable Sustainable Energy Rev. 2019. V. 105. P. 391–414. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.02.013

  26. Bachmann T.M., Carnicelli F., Preiss P. Life cycle assessment of domestic fuel cell micro combined heat and power generation: exploring influential factors // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. Is. 7. P. 3891–3905. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.12.076

  27. Liu J., Choi H.J., Meng L.-Y. A review of approaches for the design of high-performance metal/graphene electrocatalysts for fuel cell applications // J. Indust. Eng. Chem. 2018. V. 64. P. 1–15. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2018.02.021

  28. Ultralow Pt loading on CVD graphene for acid electrolytes and PEM fuel cells / M.S. Yazici, M.A. Azder, O. Salihoglu, B.F.G. San // Int. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43. Is. 40. P. 18572–18577. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.020

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал