stringtranslate.com

Протонообменная мембрана

Протонообменная мембрана , или полимерно-электролитная мембрана ( ПЭМ ), представляет собой полупроницаемую мембрану, обычно изготавливаемую из иономеров и предназначенную для проведения протонов, одновременно выступая в качестве электронного изолятора и барьера для реагентов, например, для кислорода и водорода . [1] Это их основная функция при включении в мембранно-электродную сборку (МЭБ) топливного элемента с протонообменной мембраной или электролизера с протонообменной мембраной : разделение реагентов и транспорт протонов при блокировании прямого электронного пути через мембрану.

PEM могут быть изготовлены либо из чистых полимерных мембран, либо из композитных мембран, где другие материалы встроены в полимерную матрицу. Одним из наиболее распространенных и коммерчески доступных материалов PEM является фторполимер ( PFSA) [2] Nafion , продукт DuPont . [3] Хотя Nafion является иономером с перфторированной основой, как Teflon , [4] существует много других структурных мотивов, используемых для изготовления иономеров для протонообменных мембран. Многие используют полиароматические полимеры, в то время как другие используют частично фторированные полимеры.

Протонообменные мембраны в первую очередь характеризуются протонной проводимостью (σ), проницаемостью для метанола ( P ) и термической стабильностью. [5]

В топливных элементах PEM используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластиковая пленка), которая проницаема для протонов, когда она насыщена водой, но не проводит электроны.

История

Леонард Нидрах (слева) и Томас Грабб (справа), изобретатели технологии протонообменных мембран.

Ранняя технология протонообменных мембран была разработана в начале 1960-х годов Леонардом Нидрахом и Томасом Граббом, химиками, работавшими в компании General Electric . [6] Значительные государственные ресурсы были направлены на изучение и разработку этих мембран для использования в программе космических полетов NASA Project Gemini . [7] Ряд технических проблем заставил NASA отказаться от использования протонообменных мембранных топливных элементов в пользу батарей как менее емкой, но более надежной альтернативы для миссий Gemini 1–4. [8] Улучшенное поколение топливных элементов PEM компании General Electric использовалось во всех последующих миссиях Gemini, но было оставлено для последующих миссий Apollo . [9] Фторированный иономер Nafion , который сегодня является наиболее широко используемым материалом для протонообменных мембран, был разработан химиком по пластику компании DuPont Вальтером Гротом. Грот также продемонстрировал его полезность в качестве электрохимической разделительной мембраны. [10]

В 2014 году Андре Гейм из Манчестерского университета опубликовал первые результаты по монослоям графена и нитрида бора атомной толщины , которые пропускали через материал только протоны, что делало их потенциальной заменой фторированных иономеров в качестве материала PEM. [11] [12]

Топливный элемент

PEMFC имеют некоторые преимущества по сравнению с другими типами топливных элементов, такими как твердооксидные топливные элементы (SOFC). PEMFC работают при более низкой температуре, они легче и компактнее, что делает их идеальными для таких применений, как автомобили. Однако есть и некоторые недостатки: рабочая температура ~80 °C слишком низкая для когенерации, как в SOFC, и электролит для PEMFC должен быть насыщен водой. Однако некоторые автомобили на топливных элементах, включая Toyota Mirai , работают без увлажнителей, полагаясь на быстрое образование воды и высокую скорость обратной диффузии через тонкие мембраны для поддержания гидратации мембраны, а также иономера в слоях катализатора.

Высокотемпературные PEMFC работают в диапазоне от 100 °C до 200 °C, потенциально предлагая преимущества в кинетике электродов и управлении теплом, а также лучшую устойчивость к примесям в топливе, особенно к CO в риформате. Эти улучшения потенциально могут привести к повышению общей эффективности системы. Однако эти достижения еще предстоит реализовать, поскольку мембраны золотого стандарта из перфторированной сульфоновой кислоты (PFSA) быстро теряют функцию при 100 °C и выше, если гидратация падает ниже ~100%, и начинают ползти в этом температурном диапазоне, что приводит к локальному истончению и общему сокращению срока службы системы. В результате новые безводные протонные проводники, такие как протонные органические ионные пластиковые кристаллы (POIPC) и протонные ионные жидкости , активно изучаются для разработки подходящих PEM. [13] [14] [15]

Топливом для PEMFC является водород, а носителем заряда — ион водорода (протон). На аноде молекула водорода расщепляется на ионы водорода (протоны) и электроны. Ионы водорода проникают через электролит к катоду, в то время как электроны протекают по внешней цепи и производят электроэнергию. Кислород, обычно в виде воздуха, подается на катод и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. Реакции на электродах следующие:

Анодная реакция:
2Н 2 → 4Н + + 4e −
Катодная реакция:
О 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 О
Общая реакция клетки:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + тепло + электрическая энергия

Теоретический экзотермический потенциал составляет в целом +1,23 В.

Приложения

Основное применение протонообменных мембран — топливные элементы PEM. Эти топливные элементы имеют широкий спектр коммерческих и военных применений, включая аэрокосмическую, автомобильную и энергетическую промышленность. [9] [16]

Ранние применения топливных элементов PEM были сосредоточены в аэрокосмической промышленности. Более высокая на тот момент емкость топливных элементов по сравнению с батареями сделала их идеальными, поскольку проект NASA Gemini начал нацеливаться на более продолжительные космические миссии, чем те, которые предпринимались ранее. [9]

По состоянию на 2008 год автомобильная промышленность, а также персональное и государственное производство электроэнергии являются крупнейшими рынками для топливных элементов с протонообменной мембраной. [17] Топливные элементы PEM популярны в автомобильной промышленности из-за их относительно низкой рабочей температуры и способности быстро запускаться даже при отрицательных температурах. [18] По состоянию на март 2019 года на дорогах США насчитывалось 6558 транспортных средств на топливных элементах, причем самой популярной моделью является Toyota Mirai . [19] Топливные элементы PEM также успешно внедряются в других видах тяжелой техники, а Ballard Power Systems поставляет погрузчики на основе этой технологии. [20] Основной проблемой, стоящей перед автомобильной технологией PEM, является безопасное и эффективное хранение водорода, что в настоящее время является областью активной исследовательской деятельности. [18]

Электролиз полимерной электролитной мембраны — это метод, при котором протонообменные мембраны используются для разложения воды на водород и кислород. [21] Протонообменная мембрана позволяет разделять полученный водород от кислорода, позволяя использовать любой из продуктов по мере необходимости. Этот процесс использовался по-разному для получения водородного топлива и кислорода для систем жизнеобеспечения на таких судах, как подводные лодки США и Королевского флота . [9] Недавним примером является строительство электролизера Air Liquide PEM мощностью 20 МВт в Квебеке. [22] Аналогичные устройства на основе PEM доступны для промышленного производства озона. [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Альтернативные электрохимические системы для озонирования воды. NASA Tech Briefs (Технический отчет). NASA . 20 марта 2007 г. MSC-23045 . Получено 17 января 2015 г.
  2. ^ Zhiwei Yang; et al. (2004). "Новые неорганические/органические гибридные электролитные мембраны" (PDF) . Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem . 49 (2): 599.
  3. ^ Патент США 5266421, Таунсенд, Карл В. и Назелов, Артур Б., «Улучшенный интерфейс мембрана-электрод», выдан 30 ноября 2008 г., передан Hughes Aircraft 
  4. ^ Габриэль Гаш (17 декабря 2007 г.). «Разработана новая протонообменная мембрана – Nafion обещает недорогие топливные элементы». Softpedia . Получено 18 июля 2008 г.
  5. ^ Nakhiah Goulbourne. "Исследовательские темы для материалов и процессов для топливных элементов PEM REU на 2008 год". Virginia Tech . Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 года . Получено 18 июля 2008 года .
  6. ^ Grubb, WT; Niedrach, LW (1 февраля 1960 г.). «Батареи с твердыми ионообменными мембранными электролитами: II. Низкотемпературные водородно-кислородные топливные элементы». Журнал Электрохимического общества . 107 (2): 131. doi :10.1149/1.2427622. ISSN  1945-7111.
  7. ^ Young, George J.; Linden, Henry R., ред. (1 января 1969 г.). Системы топливных элементов. Достижения в химии. Том 47. ВАШИНГТОН, округ Колумбия: AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. doi :10.1021/ba-1965-0047. ISBN 978-0-8412-0048-7.
  8. ^ "Бартон К. Хакер и Джеймс М. Гримвуд. На плечах титанов: история проекта Gemini. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. 1977. С. xx, 625. 19,00 долл.". The American Historical Review . Апрель 1979. doi : 10.1086/ahr/84.2.593. ISSN  1937-5239.
  9. ^ abcd "Сбор истории топливных элементов с протонообменной мембраной". americanhistory.si.edu . Smithsonian Institution . Получено 19 апреля 2021 г. .
  10. ^ Грот, Вальтер (15 июля 2011 г.). Фторированные иономеры – 2-е издание. Уильям Эндрю. ISBN 978-1-4377-4457-6. Получено 19 апреля 2021 г. . {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )
  11. ^ Ху, С.; Лозадо-Идальго, М.; Ванг, ФК; и др. (26 ноября 2014 г.). «Транспорт протонов через кристаллы толщиной в один атом». Nature . 516 (7530): 227–30. arXiv : 1410.8724 . Bibcode :2014Natur.516..227H. doi :10.1038/nature14015. PMID  25470058. S2CID  4455321.
  12. ^ Карник, Рохит Н. (26 ноября 2014 г.). «Прорыв для протонов». Nature . 516 (7530): 173–174. Bibcode :2014Natur.516..173K. doi : 10.1038/nature14074 . PMID  25470064. S2CID  4390672.
  13. ^ Цзяншуй Ло; Аннеметт Х. Йенсен; Нил Р. Брукс; Йерун Сникерс; Мартин Книппер; Дэвид Айли; Цинфэн Ли; Брэм Ванрой; Михаэль Вюббенхорст; Фэн Янь; Люк Ван Мирвельт; Чжиган Шао; Цзяньхуа Фан; Чжэн-Хун Ло; Дирк Э. Де Вос; Коэн Биннеманс; Ян Франсаер (2015). "1,2,4-Триазолийперфторбутансульфонат как архетипический чистый протонный органический ионный пластиковый кристаллический электролит для полностью твердотельных топливных элементов". Энергетика и наука об окружающей среде . 8 (4): 1276. doi :10.1039/C4EE02280G.
  14. ^ Цзяншуй Ло, Олаф Конрад; Иво Ф. Дж. Ванкелеком (2013). "Метансульфонат имидазолия как высокотемпературный протонный проводник" (PDF) . Журнал химии материалов A. 1 ( 6): 2238. doi :10.1039/C2TA00713D.
  15. ^ Цзяншуй Ло; Цзинь Ху; Вольфганг Саак; Рюдигер Бекхаус; Гюнтер Виттсток; Иво Ф. Дж. Ванкелеком; Карстен Агерт; Олаф Конрад (2011). «Протонная ионная жидкость и ионные расплавы, полученные из метансульфоновой кислоты и 1H-1,2,4-триазола в качестве высокотемпературных электролитов PEMFC» (PDF) . Журнал химии материалов . 21 (28): 10426–10436. doi :10.1039/C0JM04306K.
  16. ^ «Может ли этот водородный дрон работать?». Popular Science . 23 мая 2015 г. Получено 7 января 2016 г.
  17. ^ Barbir, F.; Yazici, S. (2008). «Состояние и развитие технологии топливных элементов PEM». International Journal of Energy Research . 32 (5): 369–378. Bibcode : 2008IJER...32..369B. doi : 10.1002/er.1371 . ISSN  1099-114X. S2CID  110367501.
  18. ^ ab Li, Mengxiao; Bai, Yunfeng; Zhang, Caizhi; Song, Yuxi; Jiang, Shangfeng; Grouset, Didier; Zhang, Mingjun (23 апреля 2019 г.). «Обзор исследований быстрой заправки системы хранения водорода в автомобиле на топливных элементах». Международный журнал водородной энергетики . 44 (21): 10677–10693. Bibcode : 2019IJHE...4410677L. doi : 10.1016/j.ijhydene.2019.02.208. ISSN  0360-3199. S2CID  108785340.
  19. ^ «Факт месяца март 2019: на дорогах США насчитывается более 6500 автомобилей на топливных элементах» Energy.gov . Получено 19 апреля 2021 г. .
  20. ^ "Material Handling – Fuel Cell Solutions | Ballard Power". ballard.com . Получено 19 апреля 2021 г. .
  21. ^ Кармо, Марсело; Фриц, Дэвид Л.; Мергель, Юрген; Столтен, Детлеф (22 апреля 2013 г.). «Комплексный обзор электролиза воды с помощью PEM». Международный журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901–4934. Bibcode : 2013IJHE...38.4901C. doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151. ISSN  0360-3199.
  22. ^ "Air Liquide инвестирует в крупнейший в мире мембранный электролизер для разработки производства водорода без выбросов углерода". newswire.ca . Air Liquide. 25 февраля 2019 г. . Получено 28 августа 2020 г. .
  23. ^ [1], "PEM (протонообменная мембрана) низковольтное электролизное озоногенерирующее устройство", выпущено 2011-05-16 

Внешние ссылки