Протонообменная мембрана - Proton-exchange membrane

Протон-ионообменная мембрана или мембрана с полимерным электролитом ( PEM ), представляет собой полупроницаемую мембрану , как правило , изготовлены из иономеров и предназначенный для поведения протонов , действуя в качестве электронного изолятора и реагента барьера, например , для кислорода и водорода газа. Это их основная функция при включении в узел мембранных электродов (MEA) топливного элемента с протонообменной мембраной или протонообменного мембранного электролизера : разделение реагентов и перенос 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) Nafion , продукт DuPont . Хотя нафион представляет собой иономер с перфторированной основной цепью, такой как тефлон , существует множество других структурных мотивов, используемых для создания 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.

Топливные элементы PEM используют твердую полимерную мембрану (тонкую пластиковую пленку), 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 протонообменная мембранная технология была разработана в начале 1960-х годов Леонардом Нидрахом и Томасом Граббом, химиками, работающими в компании General Electric . Значительные правительственные ресурсы были направлены на изучение и разработку этих мембран для использования в программе космических полетов NASA Project Gemini . Ряд технических проблем заставил НАСА отказаться от использования топливных элементов с протонообменной мембраной в пользу батарей в качестве менее емких, но более надежной альтернативы для миссий Близнецов 1-4. Топливный элемент PEM улучшенного поколения General Electric использовался во всех последующих миссиях Gemini, но от него отказались для последующих миссий Apollo . Фторированный иономер Нафион , который на сегодняшний день является наиболее широко используемым материалом для протонообменных мембран, был разработан химиком DuPont по пластмассам Вальтером Гротом. Grot также продемонстрировал свою полезность в качестве электрохимической разделительной мембраны.

В 2014 году Андре Гейм из Манчестерского университета опубликовал первые результаты исследования монослоев графена и нитрида бора толщиной до одного атома, которые позволяли проходить через материал только протонам, что сделало их потенциальной заменой фторированных иономеров в качестве материала PEM.

Топливная ячейка

PEMFC имеют некоторые преимущества перед другими типами топливных элементов, такими как твердооксидные топливные элементы (SOFC). PEMFC работают при более низкой температуре, легче и компактнее, что делает их идеальными для таких приложений, как автомобили. Однако есть некоторые недостатки: рабочая температура ~ 80 ° C слишком низкая для когенерации, как в SOFC, и что электролит для PEMFC должен быть водонасыщенным. Однако некоторые автомобили с топливными элементами, 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 при температуре от 100 ° C до 200 ° C, потенциально предлагая преимущества в кинетике электродов и управлении теплом, а также лучшую устойчивость к примесям топлива, особенно CO в продукте риформинга. Эти улучшения потенциально могут привести к повышению общей эффективности системы. Однако эти преимущества еще предстоит реализовать, поскольку мембраны из перфторированной сульфоновой кислоты (PFSA), соответствующие золотому стандарту, быстро теряют функцию при 100 ° C и выше, если гидратация падает ниже ~ 100%, и начинают ползать в этом диапазоне температур, что приводит к локализованное прореживание и общее сокращение срока службы системы. В результате, новые безводные протонные проводники, такие как протонные органические ионные пластические кристаллы (POIPC) и протонные ионные жидкости , активно изучаются для разработки подходящих PEM.

Топливом для ПЭМТЭ 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 проходят через внешнюю цепь и вырабатывают электроэнергию. Кислород, обычно в виде воздуха, подается на катод и соединяется с электронами и ионами водорода с образованием воды. Реакции на электродах следующие:

Анодная реакция:
2H 2 → 4H + + 4e -
Катодная реакция:
O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O
Общая клеточная реакция:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + тепло + электрическая энергия

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

Приложения

Основное применение протонообменных мембран - топливные элементы PEM. Эти топливные элементы имеют широкий спектр коммерческих и военных применений, в том числе в аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслях.

Первые применения топливных элементов PEM были сосредоточены в аэрокосмической промышленности. Более высокая емкость топливных элементов по сравнению с батареями сделала их идеальными, поскольку проект НАСА «Близнецы» начал нацеливаться на более продолжительные космические миссии, чем это делалось ранее.

Автомобильная промышленность, а также производство электроэнергии для личного и общественного пользования являются сегодня крупнейшими рынками для топливных элементов с протонообменными мембранами. Топливные элементы PEM популярны в автомобильной промышленности из-за их относительно низкой рабочей температуры и их способности быстро запускаться даже в условиях ниже нуля. По состоянию на март 2019 года на дорогах США находилось 6558 автомобилей на топливных элементах, из которых самой популярной моделью была Toyota Mirai. Калифорния лидирует в Соединенных Штатах по количеству водородных заправочных станций с 43 станциями, а Калифорнийская энергетическая комиссия имеет доступ к 20 миллионам долларов в год для финансирования до 2023 года для расширения охвата. Топливные элементы PEM успешно применяются и в других видах тяжелой техники, при этом Ballard Power Systems поставляет вилочные погрузчики на основе этой технологии. Основная задача, стоящая перед автомобильной технологией PEM, - это безопасное и эффективное хранение водорода, что в настоящее время является областью активной исследовательской деятельности.

Мембранный электролиз с полимерным электролитом - это метод, с помощью которого протонообменные мембраны используются для разложения воды на водород и газообразный кислород. Протонообменная мембрана позволяет отделить произведенный водород от кислорода, что позволяет использовать любой продукт по мере необходимости. Этот процесс по-разному использовался для получения водородного топлива и кислорода для систем жизнеобеспечения на таких судах, как подводные лодки ВМС США и Королевского военно-морского флота . Недавний пример - строительство электролизного завода Air Liquide PEM мощностью 20 МВт в Квебеке. Подобные устройства на основе PEM доступны для промышленного производства озона.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки