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
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
- Аккумулятор с сухим твердым полимерным электролитом
- Поддерживаемая ЕС программа STREP по электролизу воды из PEM под высоким давлением