Theoretical Foundations of Chemical EngineeringTheoretical Foundations of Chemical EngineeringТеоретические основы химической технологии0040-35713034-6053The Russian Academy of Sciences68127810.31857/S0040357124060035VJENHSArticlesСтатьиResearch ArticleМеханизм деградации катализатора катода полимерного топливного элемента: исследование и моделированиеМеханизм деградации катализатора катода полимерного топливного элемента: исследование и моделированиеКольцоваЭ. М.
Russian Federation
koltsova.e.m@muctr.ruВасиленкоВ. А.
Russian Federation
koltsova.e.m@muctr.ruЖенсаА. В.
Russian Federation
koltsova.e.m@muctr.ruБогдановскаяВ. А.
Russian Federation
koltsova.e.m@muctr.ruРадинаМ. В.
Russian Federation
koltsova.e.m@muctr.ruРоссийский химико-технологический университет имени Д.И. МенделееваИнститут физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН1512202458669070229052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0040-3571/article/view/681278

Представлена математическая модель деградации активной поверхности платинового катализатора в составе водородно-воздушного (кислородного) топливного элемента с протонпроводящим полимерным электролитом. Математическая модель представляет собой систему интегро-дифференциальных уравнений, решаемых методом конечных разностей. Модель учитывает явления: электрохимическое растворение наночастиц платины, рост частиц (за счет осаждения и миграции, созревания по Оствальду, коалесценции наночастиц платины на поверхности углеродного носителя), диффузию ионов платины в иономере и их внедрение в мембрану. Расчеты проводили для платиновых катализаторов двух типов: коммерческой моноплатиновой системы, синтезированной на саже, и каталитической системы, синтезированной на углеродных нанотрубках. В результате моделирования получены данные по распределению частиц платины по размерам и значения площади электрохимически активной поверхности в зависимости от времени ускоренного стресс-тестирования. Выявлен преобладающий механизм деградации катализатора – коалесценция наночастиц платины. Модель позволяет прогнозировать срок службы топливного элемента.

Представлена математическая модель деградации активной поверхности платинового катализатора в составе водородно-воздушного (кислородного) топливного элемента с протонпроводящим полимерным электролитом. Математическая модель представляет собой систему интегро-дифференциальных уравнений, решаемых методом конечных разностей. Модель учитывает явления: электрохимическое растворение наночастиц платины, рост частиц (за счет осаждения и миграции, созревания по Оствальду, коалесценции наночастиц платины на поверхности углеродного носителя), диффузию ионов платины в иономере и их внедрение в мембрану. Расчеты проводили для платиновых катализаторов двух типов: коммерческой моноплатиновой системы, синтезированной на саже, и каталитической системы, синтезированной на углеродных нанотрубках. В результате моделирования получены данные по распределению частиц платины по размерам и значения площади электрохимически активной поверхности в зависимости от времени ускоренного стресс-тестирования. Выявлен преобладающий механизм деградации катализатора – коалесценция наночастиц платины. Модель позволяет прогнозировать срок службы топливного элемента.

математическое моделированиетопливный элементмембранно-электродный блокактивный слой катодадеградация катализатораThe work was carried out within the framework of the development program of the D.I. Mendeleyev Russian Chemical Technology University “Priority-2030”.Работа выполнена в рамках программы развития РХТУ им. Д.И. Менделеева “Приоритет–2030”.Meshalkin V.P., Belyakov A.V., Butusov O.B., Burukhina T.F., Khodchenko S.M., Garabadzhiu A.V., Dovì V.G., Bobkov V.I. State of the art and research development prospects of energy and resource-efficient environmentally safe chemical process systems engineering // Mendeleev Commun. 2021. V. 31. № 5. P. 593.Jahnke T., Futter G., Latz A.; Malkow T., Papakonstantinou G., Tsotridis G., Schott P., Gérard M., Quinaud M., Quiroga M., Franco A.A., Malek K., Calle-Vallejo F., Ferreira de Morais R., Kerber T., Sautet P., Loffreda D., Strahl S., Serra M., Polverino P., Pianese C., Mayur M., Bessler W.G., Kompis C. Performance and degradation of proton exchange membrane fuel cells: state of the art in simulation from atomistic to system scale // J. Power Sources. 2016. V. 304. P. 207.Zhao J., Li X., Shum C., McPhee J. A review of physics-based and data-driven models for real-time control of polymer electrolyte membrane fuel cells // Energy and AI. 2021. V. 6. 100114.Arif M., Cheung S.C.P., Andrews J. Different approaches used for simulation and simulation of polymer electrolyte membrane fuel cells: A review // Energy Fuels. 2020. V. 34. № 10. P. 11897.Shao-Horn Y., Sheng W.C., Chen S., Ferreira P.J., Holby E.F., Morgan D. Instability of supported platinum nanoparticles in low-temperature fuel cells // Top. Catal. 2007. V. 46. P. 285.Franco A.A., Tembely M. Transient multiscale modeling of aging mechanisms in a PEFC cathode // J. Electrochem. Soc. 2007. V. 154. № 7. P. B712.Darling R.M., Meyers J.P. Kinetic model of platinum dissolution in PEMFCs // J. Electrochem. Soc. 2003. V. 150. № 11. P. A1523.Bi W., Fuller T.F. Modeling of PEM fuel cell Pt/C catalyst degradation // J. Power Sources. 2008. V. 178. № 1. P. 188.Ahluwalia R.K., Arisetty S., Peng J.-K., Subbaraman R., Wang X., Kariuki N., Myers D.J., Mukundan R., Borup R., Polevaya O. Dynamics of particle growth and electrochemical surface area loss due to platinum dissolution // J. Electrochem. Soc. 2014. V. 161. № 3. P. F291.Holby E.F., Sheng W., Shao-Horn Y., Morgan D. Pt nanoparticle stability in PEM fuel cells: influence of particle size distribution and crossover hydrogen // Energy Environ. Sci. 2009. V. 2. № 8. P. 865.Ferreira P.J., la O’ G.J., Shao-Horn Y., Morgan D., Makharia R., Kocha S., Gasteiger H.A. Instability of Pt∕C electrocatalysts in proton exchange membrane fuel cells: a mechanistic investigation // J. Electrochem. Soc. 2005. V. 152. № 11. P. A2256.Carlton C.E., Chen S., Ferreira P.J., Allard L.F., Shao-Horn Y. Sub-nanometer-resolution elemental mapping of “ Pt 3 Co” nanoparticle catalyst degradation in proton-exchange membrane fuel cells // J. Phys. Chem. Lett. 2012. V. 3. P. 161.Chen S., Gasteiger H.A., Hayakawa K., Tada T., Shao-Horn Y. Platinum-alloy cathode catalyst degradation in proton exchange membrane fuel cells: nanometer-scale compositional and morphological changes // J. Electrochem. Soc. 2010. V. 157. P. A82.Ao Y., Chen K., Laghrouche S., Depernet D. Proton exchange membrane fuel cell degradation model based on catalyst transformation theory // Fuel Cells. 2021. V. 21. P. 254.Kovtunenko V.A., Karpenko-Jereb L. Study of voltage cycling conditions on Pt oxidation and dissolution in polymer electrolyte fuel cells // J. Power Sources. 2021. V. 493. P. 229693.Li Y., Moriyama K., Gu W., Arisetty S., Wang C.Y. A one-dimensional Pt degradation model for polymer electrolyte fuel cells // J. Electrochem. Soc. 2015. V. 162. № 8. P. F834.Yang Y., Bai M., Su L., Lv J., Hu C., Gao L., Li Y., Li Y., Song Y. One-dimensional numerical simulation of Pt-Co alloy catalyst aging for proton exchange membrane fuel cells // Sustainability. 2022. V. 14. P. 11462.Tochigi S., Dowaki K. Environmental impact assessment of PEM fuel cell combined heat and power generation system for residential application considering cathode catalyst layer degradation // Energies. 2023. V. 16. P. 1985.Xin H.L., Mundy J.A., Liu Z.Y., Cabezas R., Hovden R., Kourkoutis L.F., Zhang J.L., Subramanian N.P., Makharia R., Wagner F.T., Muller D.A. Atomic-resolution spectroscopic imaging of ensembles of nanocatalyst particles across the life of a fuel cell // Nano Lett. 2012. V. 12. P. 490.Yu Y., Xin H.L., Hovden R., Wang D., Rus E.D., Mundy J.A., Muller D.A., Abruna H.D. Three-dimensional tracking and visualization of hundreds of Pt-Co fuel cell nanocatalysts during electrochemical aging // Nano Lett. 2012. V. 12. P. 4417.Mitrichev I., Vasilenko V., Scherbakov A., Koltsova E. Simulation of PEMFC with Pt/CNT nanostructured cathode catalyst // Chem. Eng. Trans. 2016. V. 52. P. 1003.Kol’tsova E.M., Bogdanovskaya V.A., Tarasevich M.R., Vasilenko V.A., Stankevich M.M., Filippova E.B., Khoroshavina A.A. Computer aided simulation of hydrogen–oxygen (air) fuel cell with regard to the degradation mechanism of platinum catalyst on the cathode // Russ. J. Electrochem. 2016. V. 52. № 1. P. 53. [Кольцова Э.М., Богдановская В.А., Тарасевич М.Р., Василенко В.А., Станкевич М.М., Филиппова Е.Б., Хорошавина А.А. Компьютерное моделирование водородо-кислородного (воздушного) топливного элемента с учетом механизма деградации платинового катализатора на катоде // Электрохимия. 2016. Т. 52. № 1. С. 62.]Koltsova E., Vasilenko V., Shcherbakov A., Fokina E., Bogdanovskaya V. Mathematical simulation of PEMFC platinum cathode degradation accounting catalyst’s nanoparticles growth // Chem. Eng. Trans. 2018. V. 70. P. 1303.Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии. Энтропия и вариационные методы неравновесной термодинамики в задачах химической технологии. М.: Наука, 1988.Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии: методы неравновесной термодинамики: монография / Под ред. Жаворонков Н.М. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Юрайт, 2021.Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Кольцова Э.М. Системный анализ процессов химической технологии: массовая кристаллизация: монография / ответственный редактор Н.М. Жаворонков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Юрайт. 2023.Bogdanovskaya V.A., Kol’tsova E.M., Tarasevich M.R., Radina M.V., Zhutaeva G.V., Kuzov A.V., Gavrilova N.N. Highly active and stable catalysts based on nanotubes and modified platinum for fuel cells // Russ. J. Electrochem. 2016. V. 52. № 8. P. 723. [Богдановская В.А., Кольцова Э.М., Тарасевич М.Р., Радина М.В., Жутаева Г.В., Кузов А.В., Гаврилова Н.Н. Высокоактивные и стабильные катализаторы на основе нанотрубок и модифицированной платины для топливных элементов // Электрохимия. 2016. Т. 52. № 8. С. 810.]Bogdanovskaya V.A., Kuzov A.V., Radina M.V., Filimonov V.Y., Sudarev G.M., Osina M.A. Stability against degradation and activity of catalysts with different platinum load synthesized at carbon nanotubes // Russ. J. Electrochem. 2020. V. 56. № 12. P. 969. [Богдановская В.А., Кузов А.В., Радина М.В., Филимонов В.Я., Сударев Г.М., Осина М.А. Устойчивость к деградации и активность катализаторов с различным содержанием платины, синтезированных на углеродных нанотрубках // Электрохимия. 2020. Т. 56. № 12. С. 1083.Kuzov A.V., Tarasevich M.R., Bogdanovskaya V.A., Modestov A.D., Tripachev O.V., Korchagin O.V. Degradation processes in hydrogen–air fuel cell as a function of the operating conditions and composition of membrane–electrode assemblies // Russ. J. Electrochem. 2016. V. 52. № 7. P. 705. [Кузов А.В., Тарасевич М.Р., Богдановская В.А., Модестов А.Д., Трипачев О.В., Корчагин О.В. Деградационные процессы в водородо-воздушном топливном элементе в зависимости от рабочих условий и состава мембранно-электродных блоков // Электрохимия. 2016. Т. 52. № 7. С. 790.]Avakov V.B., Aliev A.D., Beketaeva L.A., Bogdanovskaya V.A., Burkovskii E.V., Datskevich A.A., Ivanitskii B.A., Kazanskii L.P., Kapustin A.V., Korchagin O.V., Kuzov A.V., Landgraf I.K., Lozovaya O.V., Modestov A.D., Stankevich M.M., Tarasevich M.R., Chalykh A.E. Study of degradation of membrane-electrode assemblies of hydrogen-oxygen (air) fuel cell under the conditions of life tests and voltage cycling // Russ J Electrochem. 2014. V. 50. P. 773. [Аваков В.Б., Алиев А.Д., Бекетаева Л.А., Богдановская В.А., Бурковский Е.В., Дацкевич А.А., Иваницкий Б.А., Казанский Л.П., Капустин А.В., Корчагин О.В., Кузов А.В., Ландграф И.К., Лозовая О.В., Модестов А.Д., Станкевич М.М., Тарасевич М.Р., Чалых А.Е. Исследование деградации мембранно-электродных блоков водородо-кислородного (воздушного) топливного элемента в условиях ресурсных испытаний и циклирования напряжения // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 8. С. 858].Ascarelli P., Contini V., Giorgi R. Formation process of nanocrystalline materials from x-ray diffraction profile analysis: Application to platinum catalysts // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 7.