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. [1] Это их основная функция при включении в узел мембранных электродов (MEA) топливного элемента с протонообменной мембраной или электролизера с протонообменной мембраной.: 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) [2] Nafion , продукт DuPont . [3] Хотя нафион является иономером с перфторированной основной цепью, такой как тефлон , [4] 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. [5]
Топливные элементы PEM используют в качестве электролита твердую полимерную мембрану (тонкую пластиковую пленку). Этот полимер проницаем для протонов, когда он насыщен водой, но он 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 . [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 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. [8] Улучшенное поколение топливных элементов PEM General Electric использовалось во всех последующих миссиях Gemini, но от него отказались для последующих миссий Apollo . [9] Фторированный иономер Нафион , который сегодня 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. [10]
В 2014 году Андре Гейм из Манчестерского университета опубликовал первоначальные результаты по монослоям графена и нитрида бора толщиной до атома, которые позволяли только протонам проходить через материал, что сделало их потенциальной заменой фторированных иономеров в качестве материала PEM. [11] [12]
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 нагревом, 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. [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 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. [16] [17]
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. [16]
Автомобильная промышленность, а также производство электроэнергии для личного и общественного пользования являются сегодня крупнейшими рынками для топливных элементов с протонообменными мембранами. [18] Топливные элементы PEM популярны в автомобильной промышленности из-за их относительно низкой рабочей температуры и их способности быстро запускаться даже в условиях ниже нуля. [19] По состоянию на март 2019 года в США на дорогах находилось 6 558 автомобилей на топливных элементах, из которых самой популярной моделью была Toyota Mirai. [20] Калифорния лидирует в Соединенных Штатах по количеству водородных заправочных станций с 43 станциями, а Энергетическая комиссия Калифорнии имеет доступ к 20 миллионам долларов в год для финансирования до 2023 года для расширения охвата. [21] Топливные элементы PEM успешно применяются и в других видах тяжелой техники, при этом Ballard Power Systems поставляет вилочные погрузчики на основе этой технологии. [22] Основная задача, стоящая перед автомобильной технологией PEM, - это безопасное и эффективное хранение водорода, что в настоящее время является областью активной исследовательской деятельности. [19]
Мембранный электролиз с полимерным электролитом - это метод, с помощью которого протонообменные мембраны используются для разложения воды на водород и газообразный кислород. [23] 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 . [16] Недавним примером является строительство завода по производству электролизеров Air Liquide PEM мощностью 20 МВт в Квебеке. [24] Подобные устройства на основе PEM доступны для промышленного производства озона. [25]
Смотрите также
- Щелочно-анионообменная мембрана
- Искусственная мембрана
- Сухой электролит
- Динамический механический анализ
- Электролиз воды
- Электроосмотический насос
- Газодиффузионный электрод
- Изотопная электрохимия
- Мембранный электрод в сборе
- Мембранный электролиз полимерного электролита
- Ролл-к-ролл
Рекомендации
- ^ Альтернативные электрохимические системы для озонирования воды . NASA Tech Briefs (Технический отчет). НАСА . 20 марта 2007 г. MSC-23045 . Проверено 17 января 2015 года .
- ^ Чживэй Ян; и другие. (2004). «Новые неорганические / органические гибридные электролитные мембраны» (PDF) . Преп. Пап.-Ам. Chem. Soc., Div. Fuel Chem . 49 (2): 599.
- ^ Патент США 5266421 , Townsend, Карл У. и Naselow Артур Б., "патент США 5266421 - Enhanced мембраны-электрод интерфейс", выданный 2008-11-30, назначен Hughes Aircraft
- ^ Габриэль Гаш (17 декабря 2007 г.). «Разработана новая протонообменная мембрана - Нафион обещает недорогие топливные элементы» . Софтпедия . Проверено 18 июля 2008 года .
- ^ Нахия Гоулборн. «Темы исследований материалов и процессов для топливных элементов PEM REU на 2008 год» . Virginia Tech . Архивировано из оригинального 27 февраля 2009 года . Проверено 18 июля 2008 года .
- ^ Грабб, 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 .
- ^ Янг, Джордж Дж .; Линден, Генри Р., ред. (1 января 1969 г.). Системы топливных элементов . Успехи химии. 47 . ВАШИНГТОН: АМЕРИКАНСКОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО. DOI : 10.1021 / ба-1965-0047 . ISBN 978-0-8412-0048-7.
- ^ «Бартон К. Хакер и Джеймс М. Гримвуд. На плечах титанов: история проекта« Близнецы ». Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. 1977. Стр. Xx, 625. $ 19,00» . Американский исторический обзор . Апрель 1979 г. doi : 10.1086 / ahr / 84.2.593 . ISSN 1937-5239 .
- ^ "Сбор истории топливных элементов с протонообменной мембраной" . americanhistory.si.edu . Смитсоновский институт . Проверено 19 апреля 2021 года .
- ^ Грот, Вальтер. «Фторированные иономеры - 2-е издание» . www.elsevier.com . Проверено 19 апреля 2021 года .
- ^ Hu, S .; Lozado-Hidalgo, M .; Ван, ФК; и другие. (26 ноября 2014 г.). «Транспорт протонов через кристаллы толщиной в один атом». Природа . 516 (7530): 227–30. arXiv : 1410,8724 . Bibcode : 2014Natur.516..227H . DOI : 10,1038 / природа14015 . PMID 25470058 . S2CID 4455321 .
- ^ Карник, Рохит Н. (26 ноября 2014 г.). «Прорыв для протонов» . Природа . 516 (7530): 173–174. Bibcode : 2014Natur.516..173K . DOI : 10,1038 / природа14074 . PMID 25470064 . S2CID 4390672 .
- ^ Цзяншуй Луо; Аннеметта Х. Йенсен; Нил Р. Брукс; Йерун Сникерс; Мартин Книппер; Дэвид Айли; Цинфэн Ли; Брэм Ванрой; Михаэль Вуббенхорст; Фэн Янь; Люк Ван Меервельт; Чжиган Шао; Цзяньхуа Фанг; Чжэн-Хун Ло; Дирк Э. Де Вос; Коэн Биннеманс; Ян Франсаер (2015). «Перфторбутансульфонат 1,2,4-триазолия в качестве типичного чистого протонного органического ионного пластического кристаллического электролита для твердотельных топливных элементов» . Энергетика и экология . 8 (4): 1276. DOI : 10.1039 / C4EE02280G .
- ^ Цзяншуй Луо, Олаф Конрад; Иво Ф.Дж. Ванкелеком (2013). «Метансульфонат имидазолия как высокотемпературный протонный проводник» (PDF) . Журнал Материалы ХИМИИ . 1 (6): 2238. DOI : 10.1039 / C2TA00713D .
- ^ Цзяншуй Луо; 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 .
- ^ а б в "Сбор истории топливных элементов с протонообменной мембраной" . americanhistory.si.edu . Смитсоновский институт . Проверено 19 апреля 2021 года .
- ^ "Может ли работать этот беспилотный летательный аппарат на водороде?" . Популярная наука . Проверено 7 января +2016 .
- ^ Barbir, F .; Язычи, С. (2008). «Состояние и развитие технологии топливных элементов PEM» . Международный журнал энергетических исследований . 32 (5): 369–378. DOI : 10.1002 / er.1371 . ISSN 1099-114X .
- ^ а б Ли, Мэнсяо; Бай, Юньфэн; Чжан, Цайчжи; Сун, Юси; Цзян, Шанфэн; Грусет, Дидье; Чжан Минцзюнь (23 апреля 2019 г.). «Обзор исследований по быстрой заправке системы хранения водорода в автомобиле на топливных элементах» . Международный журнал водородной энергетики . 44 (21): 10677–10693. DOI : 10.1016 / j.ijhydene.2019.02.208 . ISSN 0360-3199 .
- ^ «Факт месяца, март 2019 года: в США на дорогах находится более 6500 автомобилей на топливных элементах » Energy.gov . Проверено 19 апреля 2021 года .
- ^ «Центр данных по альтернативным видам топлива: основы водорода» . afdc.energy.gov . Проверено 19 апреля 2021 года .
- ^ «Обработка материалов - Решения на топливных элементах | Баллард Пауэр» . www.ballard.com . Проверено 19 апреля 2021 года .
- ^ Кармо, Марсело; Фриц, Дэвид Л .; Мергель, Юрген; Столтен, Детлеф (22 апреля 2013 г.). «Комплексный обзор электролиза воды PEM» . Международный журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901–4934. DOI : 10.1016 / j.ijhydene.2013.01.151 . ISSN 0360-3199 .
- ^ «Air Liquide инвестирует в крупнейший в мире мембранный электролизер, чтобы развивать производство безуглеродного водорода» . www.newswire.ca . Air Liquide. 25 февраля 2019 . Проверено 28 августа 2020 .
- ↑ [1] , «Устройство для генерации озона при низковольтном электролизе PEM (протонообменная мембрана)», выпущено 16 мая 2011 г.
Внешние ссылки
- Аккумулятор с сухим твердым полимерным электролитом
- Поддерживаемая ЕС программа STREP по электролизу воды из PEM под высоким давлением