Протонообменная мембрана

, Протонообменная мембрана или полимерно-электролитная мембрана ( ПЭМ ), представляет собой полупроницаемую мембрану, обычно изготовленную из иономеров и предназначенную для проведения протонов, одновременно действуя в качестве электронного изолятора и реагентного барьера, например, для кислорода и газообразного водорода . ^{[ 1 ]} Это их основная функция при включении в мембранно-электродный узел (МЭА) топливного элемента с протонообменной мембраной или электролизера с протонообменной мембраной : разделение реагентов и транспорт протонов при блокировании прямого электронного пути через мембрану.

ПЭМ могут быть изготовлены либо из чистых полимерных мембран, либо из композитных мембран, в которых другие материалы внедрены в полимерную матрицу. Одним из наиболее распространенных и коммерчески доступных материалов ПЭМ является фторполимер (PFSA). ^{[ 2 ]} Нафион — продукт компании DuPont . ^{[ 3 ]} Нафион представляет собой иономер с перфторированной основой, такой как тефлон . ^{[ 4 ]} существует множество других структурных мотивов, используемых для изготовления иономеров для протонообменных мембран. Многие используют полиароматические полимеры, тогда как другие используют частично фторированные полимеры.

Протонообменные мембраны характеризуются, прежде всего, протонной проводимостью (σ), метанольной проницаемостью ( P ) и термической стабильностью. ^{[ 5 ]}

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

История

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 НАСА «Проект Близнецы» . программе космических полетов ^{[ 7 ]} Ряд технических проблем заставил НАСА отказаться от использования топливных элементов с протонообменной мембраной в пользу батарей как менее мощной, но более надежной альтернативы для миссий «Джемини» 1–4. ^{[ 8 ]} Усовершенствованное поколение топливных элементов PEM компании General Electric использовалось во всех последующих миссиях «Джемини», но от него отказались в последующих миссиях «Аполлон» . ^{[ 9 ]} Фторированный иономер Нафион , который сегодня является наиболее широко используемым материалом для протонообменных мембран, был разработан химиком по пластмассам DuPont Вальтером Гротом. Грот также продемонстрировал свою полезность в качестве мембраны электрохимического сепаратора. ^{[ 10 ]}

В 2014 году Андре Гейм из Манчестерского университета опубликовал первоначальные результаты по монослоям графена и нитрида бора атомной толщины , которые позволяли проходить через материал только протонам, что делало их потенциальной заменой фторированных иономеров в качестве материала PEM. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Топливный элемент

PEMFC имеют некоторые преимущества перед другими типами топливных элементов, такими как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). PEMFC работают при более низкой температуре, легче и компактнее, что делает их идеальными для таких применений, как автомобили. Однако есть некоторые недостатки: рабочая температура ~ 80 ° C слишком низкая для когенерации, как в ТОТЭ, и то, что электролит для PEMFC должен быть водонасыщенным. Однако некоторые автомобили на топливных элементах, в том числе 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, что потенциально обеспечивает 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), являющиеся золотым стандартом, быстро теряют функцию при 100 °C и выше, если гидратация падает ниже ~ 100%, и начинают ползти в этом температурном диапазоне, что приводит к локализованное истончение и общий более низкий срок службы системы. В результате активно изучаются новые безводные проводники протонов, такие как протонные органические ионные пластиковые кристаллы (ПОИПК) и протонные ионные жидкости , для разработки подходящих ПЭМ. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

Топливом для ПОМТЭ 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, а электроны проходят через внешнюю цепь и производят электроэнергию. Кислород, обычно в форме воздуха, подается на катод и соединяется с электронами и ионами водорода, образуя воду. Реакции на электродах следующие:

Анодная реакция:

2Ч ₂ → 4Ч ⁺ + 4е ⁻

Катодная реакция:

О ₂ + 4Н ⁺ + 4е ⁻ → 2Н ₂ О

Общая реакция клеток:

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 промышленности. ^{[ 9 ]}^{[ 16 ]}

Первые 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 НАСА «Джемини» начал нацелен на более длительные космические миссии, чем это делалось ранее. ^{[ 9 ]}

По состоянию на 2008 год ^[update]Автомобильная промышленность, а также индивидуальная и общественная энергетика являются крупнейшими рынками 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 минусовых температурах. ^{[ 18 ]} По состоянию на март 2019 года на дорогах США было 6558 автомобилей на топливных элементах, причем Toyota Mirai . самой популярной моделью была ^{[ 19 ]} Топливные элементы PEM успешно применяются и в других видах тяжелой техники: компания Ballard Power Systems поставляет вилочные погрузчики на основе этой технологии. ^{[ 20 ]} Основная задача, стоящая перед автомобильной технологией PEM, — это безопасное и эффективное хранение водорода, что в настоящее время является областью активной исследовательской деятельности. ^{[ 18 ]}

Мембранный электролиз с полимерным электролитом — это метод, при котором протонообменные мембраны используются для разложения воды на газообразный водород и кислород. ^{[ 21 ]} Протонообменная мембрана позволяет отделять образующийся водород от кислорода, позволяя использовать любой продукт по мере необходимости. Этот процесс по-разному использовался для производства водородного топлива и кислорода для систем жизнеобеспечения на таких судах, как подводные лодки ВМС США и Королевского флота . ^{[ 9 ]} Недавним примером является строительство электролизера Air Liquide PEM мощностью 20 МВт в Квебеке. ^{[ 22 ]} Подобные устройства на основе ПОМ доступны для промышленного производства озона. ^{[ 23 ]}

См. также

Ссылки

^ Альтернативные электрохимические системы для озонирования воды . NASA Tech Briefs (Технический отчет). НАСА . 20 марта 2007 г. MSC-23045 . Проверено 17 января 2015 г.
^ Живэй Ян; и др. (2004). «Новые неорганические/органические гибридные электролитные мембраны» (PDF) . Препр. Пап.-Ам. хим. соц., отд. Топливная хим . 49 (2): 599.
^ Патент США 5266421 , Таунсенд, Карл В. и Населоу, Артур Б., «Улучшенный интерфейс мембраны и электрода», выдан 30 ноября 2008 г., передан компании Hughes Aircraft.
^ Габриэль Гаш (17 декабря 2007 г.). «Разработана новая протонообменная мембрана – Nafion обещает недорогие топливные элементы» . Софтпедия . Проверено 18 июля 2008 г.
^ Нахия Гулборн. «Темы исследований материалов и процессов для топливных элементов ПОМ РЭУ на 2008 год» . Вирджинский технологический институт . Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 года . Проверено 18 июля 2008 г.
^ Грабб, WT; Нидрах, LW (1 февраля 1960 г.). «Аккумуляторы с твердыми ионообменными мембранными электролитами: II. Низкотемпературные водородно-кислородные топливные элементы» . Журнал Электрохимического общества . 107 (2): 131. дои : 10.1149/1.2427622 . ISSN 1945-7111 .
^ Янг, Джордж Дж.; Линден, Генри Р., ред. (1 января 1969 г.). Системы топливных элементов . Достижения химии. Том. 47. ВАШИНГТОН, ОКРУГ КОЛУМБИЯ: АМЕРИКАНСКОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО. дои : 10.1021/ba-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 долларов США» . Американский исторический обзор . Апрель 1979 г. doi : 10.1086/ahr/84.2.593 . ISSN 1937-5239 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «Сборник истории топливных элементов с протонообменной мембраной» . americanhistory.si.edu . Смитсоновский институт . Проверено 19 апреля 2021 г.
^ Грот, Вальтер (15 июля 2011 г.). Фторированные иономеры – 2-е издание . Уильям Эндрю. ISBN 978-1-4377-4457-6 . Проверено 19 апреля 2021 г. {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )
^ Ху, С.; Лосадо-Идальго, М.; Ван, ФК; и др. (26 ноября 2014 г.). «Транспорт протона через кристаллы толщиной в один атом». Природа . 516 (7530): 227–30. arXiv : 1410.8724 . Бибкод : 2014Natur.516..227H . дои : 10.1038/nature14015 . ПМИД 25470058 . S2CID 4455321 .
^ Карник, Рохит Н. (26 ноября 2014 г.). «Прорыв для протонов» . Природа . 516 (7530): 173–174. Бибкод : 2014Natur.516..173K . дои : 10.1038/nature14074 . ПМИД 25470064 . S2CID 4390672 .
^ Цзяншуй Ло; Аннеметт Х. Дженсен; Нил Р. Брукс; Йерун Сниекерс; Мартин Книппер; Дэвид Эйли; Цинфэн Ли; Брэм Ванрой; Михаэль Вюббенхорст; Фэн Янь; Люк Ван Меервелт; Чжиган Шао; Цзяньхуа Фан; Чжэн-Хун Ло; Дирк Э. Де Вос; Коэн Биннеманс; Ян Франсаер (2015). «Перфторбутансульфонат 1,2,4-триазолия как типичный чистый протонный органический ионный пластиковый кристаллический электролит для полностью твердотельных топливных элементов» . Энергетика и экология . 8 (4): 1276. дои : 10.1039/C4EE02280G .
^ Цзяншуй Ло, Олаф Конрад; Иво Ф.Дж. Ванкелеком (2013). «Метансульфонат имидазолия как высокотемпературный проводник протонов» (PDF) . Журнал химии материалов А. 1 (6): 2238. doi : 10.1039/C2TA00713D .
^ 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. дои : 10.1039/C0JM04306K .
^ «Может ли работать этот дрон с водородным двигателем?» . Популярная наука . 23 мая 2015 года . Проверено 7 января 2016 г.
^ Барбир, Ф.; Язычи, С. (2008). «Состояние и развитие технологии топливных элементов PEM» . Международный журнал энергетических исследований . 32 (5): 369–378. Бибкод : 2008IJER...32..369B . дои : 10.1002/er.1371 . ISSN 1099-114Х . S2CID 110367501 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ли, Мэнсяо; Бай, Юньфэн; Чжан, Цайчжи; Сун, Юйси; Цзян, Шанфэн; Грусе, Дидье; Чжан, Минджун (23 апреля 2019 г.). «Отзыв об исследовании системы хранения водорода для быстрой заправки автомобилей на топливных элементах» . Международный журнал водородной энергетики . 44 (21): 10677–10693. Бибкод : 2019IJHE...4410677L . doi : 10.1016/j.ijhydene.2019.02.208 . ISSN 0360-3199 . S2CID 108785340 .
^ «Факт месяца, март 2019 г.: на дорогах США находится более 6500 автомобилей на топливных элементах» Energy.gov . Проверено 19 апреля 2021 г.
^ «Обращение с материалами – решения для топливных элементов | Ballard Power» . ballard.com . Проверено 19 апреля 2021 г.
^ Кармо, Марсело; Фриц, Дэвид Л.; Мергель, Юрген; Столтен, Детлеф (22 апреля 2013 г.). «Всесторонний обзор электролиза воды PEM» . Международный журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901–4934. Бибкод : 2013IJHE...38.4901C . doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151 . ISSN 0360-3199 .
^ «Air Liquide инвестирует в крупнейший в мире мембранный электролизер для развития безуглеродного производства водорода» . newswire.ca . Эйр Ликид. 25 февраля 2019 года . Проверено 28 августа 2020 г.
^ [1] , «Устройство для генерации озона с помощью низковольтного электролиза PEM (протонообменная мембрана)», выпущено 16 мая 2011 г.

Внешние ссылки

[NasaTechBriefs-1] Альтернативные электрохимические системы для озонирования воды . NASA Tech Briefs (Технический отчет). НАСА . 20 марта 2007 г. MSC-23045 . Проверено 17 января 2015 г.

[2] Живэй Ян; и др. (2004). «Новые неорганические/органические гибридные электролитные мембраны» (PDF) . Препр. Пап.-Ам. хим. соц., отд. Топливная хим . 49 (2): 599.

[patent-3] Патент США 5266421 , Таунсенд, Карл В. и Населоу, Артур Б., «Улучшенный интерфейс мембраны и электрода», выдан 30 ноября 2008 г., передан компании Hughes Aircraft.

[Nafion-4] Габриэль Гаш (17 декабря 2007 г.). «Разработана новая протонообменная мембрана – Nafion обещает недорогие топливные элементы» . Софтпедия . Проверено 18 июля 2008 г.

[VTech-5] Нахия Гулборн. «Темы исследований материалов и процессов для топливных элементов ПОМ РЭУ на 2008 год» . Вирджинский технологический институт . Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 года . Проверено 18 июля 2008 г.

[6] Грабб, WT; Нидрах, LW (1 февраля 1960 г.). «Аккумуляторы с твердыми ионообменными мембранными электролитами: II. Низкотемпературные водородно-кислородные топливные элементы» . Журнал Электрохимического общества . 107 (2): 131. дои : 10.1149/1.2427622 . ISSN 1945-7111 .

[7] Янг, Джордж Дж.; Линден, Генри Р., ред. (1 января 1969 г.). Системы топливных элементов . Достижения химии. Том. 47. ВАШИНГТОН, ОКРУГ КОЛУМБИЯ: АМЕРИКАНСКОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО. дои : 10.1021/ba-1965-0047 . ISBN 978-0-8412-0048-7 .

[8] «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 долларов США» . Американский исторический обзор . Апрель 1979 г. doi : 10.1086/ahr/84.2.593 . ISSN 1937-5239 .

[:02-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «Сборник истории топливных элементов с протонообменной мембраной» . americanhistory.si.edu . Смитсоновский институт . Проверено 19 апреля 2021 г.

[10] Грот, Вальтер (15 июля 2011 г.). Фторированные иономеры – 2-е издание . Уильям Эндрю. ISBN 978-1-4377-4457-6 . Проверено 19 апреля 2021 г. {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )

[hu2014-11] Ху, С.; Лосадо-Идальго, М.; Ван, ФК; и др. (26 ноября 2014 г.). «Транспорт протона через кристаллы толщиной в один атом». Природа . 516 (7530): 227–30. arXiv : 1410.8724 . Бибкод : 2014Natur.516..227H . дои : 10.1038/nature14015 . ПМИД 25470058 . S2CID 4455321 .

[12] Карник, Рохит Н. (26 ноября 2014 г.). «Прорыв для протонов» . Природа . 516 (7530): 173–174. Бибкод : 2014Natur.516..173K . дои : 10.1038/nature14074 . ПМИД 25470064 . S2CID 4390672 .

[13] Цзяншуй Ло; Аннеметт Х. Дженсен; Нил Р. Брукс; Йерун Сниекерс; Мартин Книппер; Дэвид Эйли; Цинфэн Ли; Брэм Ванрой; Михаэль Вюббенхорст; Фэн Янь; Люк Ван Меервелт; Чжиган Шао; Цзяньхуа Фан; Чжэн-Хун Ло; Дирк Э. Де Вос; Коэн Биннеманс; Ян Франсаер (2015). «Перфторбутансульфонат 1,2,4-триазолия как типичный чистый протонный органический ионный пластиковый кристаллический электролит для полностью твердотельных топливных элементов» . Энергетика и экология . 8 (4): 1276. дои : 10.1039/C4EE02280G .

[14] Цзяншуй Ло, Олаф Конрад; Иво Ф.Дж. Ванкелеком (2013). «Метансульфонат имидазолия как высокотемпературный проводник протонов» (PDF) . Журнал химии материалов А. 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. дои : 10.1039/C0JM04306K .

[16] «Может ли работать этот дрон с водородным двигателем?» . Популярная наука . 23 мая 2015 года . Проверено 7 января 2016 г.

[17] Барбир, Ф.; Язычи, С. (2008). «Состояние и развитие технологии топливных элементов PEM» . Международный журнал энергетических исследований . 32 (5): 369–378. Бибкод : 2008IJER...32..369B . дои : 10.1002/er.1371 . ISSN 1099-114Х . S2CID 110367501 .

[:1-18] Перейти обратно: ^а ^б Ли, Мэнсяо; Бай, Юньфэн; Чжан, Цайчжи; Сун, Юйси; Цзян, Шанфэн; Грусе, Дидье; Чжан, Минджун (23 апреля 2019 г.). «Отзыв об исследовании системы хранения водорода для быстрой заправки автомобилей на топливных элементах» . Международный журнал водородной энергетики . 44 (21): 10677–10693. Бибкод : 2019IJHE...4410677L . doi : 10.1016/j.ijhydene.2019.02.208 . ISSN 0360-3199 . S2CID 108785340 .

[19] «Факт месяца, март 2019 г.: на дорогах США находится более 6500 автомобилей на топливных элементах» Energy.gov . Проверено 19 апреля 2021 г.

[20] «Обращение с материалами – решения для топливных элементов | Ballard Power» . ballard.com . Проверено 19 апреля 2021 г.

[21] Кармо, Марсело; Фриц, Дэвид Л.; Мергель, Юрген; Столтен, Детлеф (22 апреля 2013 г.). «Всесторонний обзор электролиза воды PEM» . Международный журнал водородной энергетики . 38 (12): 4901–4934. Бибкод : 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 развития безуглеродного производства водорода» . newswire.ca . Эйр Ликид. 25 февраля 2019 года . Проверено 28 августа 2020 г.

[23] [1] , «Устройство для генерации озона с помощью низковольтного электролиза PEM (протонообменная мембрана)», выпущено 16 мая 2011 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

v т и Топливные элементы
По электролиту	Щелочной топливный элемент Топливный элемент с расплавленным карбонатом Топливный элемент на фосфорной кислоте Топливный элемент с протонообменной мембраной Твердооксидный топливный элемент
По топливу	Боргидридный топливный элемент прямого действия Прямоугольный топливный элемент Топливный элемент с прямым этанолом Топливный элемент с прямым метанолом Топливный элемент муравьиной кислоты Металлогидридный топливный элемент Топливный элемент на реформированном метаноле Цинк-воздушная батарея
Биотопливные элементы	Ферментативный биотопливный элемент Микробный топливный элемент
Другие	Голубая энергия Электрогальванический топливный элемент Проточная батарея Мембранный электрод в сборе Безмембранные топливные элементы Фотоэлектрохимическая ячейка Протонообменная мембрана Протонный керамический топливный элемент Регенеративный топливный элемент Твердооксидный электролизер Унифицированный регенеративный топливный элемент
Водород	Экономика Станция Хранилище Транспортное средство
Глоссарий