Протонообменная мембрана или полимерно-электролитная мембрана (ПОМ, ПЭM) - это полупроницаемая мембрана , обычно изготовленная из иономеров и предназначенная для проведения протонов , действуя как электронный изолятор и барьер для реагентов, например кислорода и водорода . Их основная функция при включении в мембранную электродную сборку (МЭС) топливного элемента с протонообменной мембраной или протонообменного мембранного электролизера - разделение реагентов и перенос протонов при блокировании прямого электронного пути через мембрану.

ПЭM могут быть изготовлены либо из чисто полимерных мембран, либо из композитных мембран, где в полимерную матрицу встроены другие материалы. Одним из наиболее распространенных и коммерчески доступных материалов ПEM является полимер перфторсульфоновой кислоты (ПФСК) Нафион. Также в качестве материала для протонообменных мембран используются полиароматические полимеры и частично фторированные полимеры.

Основные характеристики протонообменных мембран - протонная проводимость (σ), проницаемость для метанола (P) и термическая стабильность. Топливные элементы ПЭM используют в качестве электролита твердую полимерную мембрану (тонкую пластиковую пленку). Этот полимер при насыщении водой проницаем для протонов, но не проводит электроны.

История

Впервые технология протонообменных мембран была разработана в начале 1960-х годов Леонардом Нидрахом и Томасом Граббом, химиками, работающими в компании General Electric . Значительные государственные ресурсы были направлены на изучение и разработку этих мембран для использования в программе космических полетов NASA Gemini . Однако ряд технических проблем заставил НАСА первоначально отказаться от использования топливных элементов с протонообменной мембраной в этой программе.. Топливный элемент ПЭM улучшенного исполнения General Electric использовался во всех последующих полётах Gemini, но от него отказались для последующих полётов Apollo . Фторированный иономер Нафион, который сегодня является наиболее широко используемым материалом протонообменных мембран, был разработан химиком DuPont по пластмассам Вальтером Гротом. Грот также продемонстрировал его пользу в качестве мембраны электрохимического сепаратора.

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

Топливные элементы

ПЭМТЭ имеют некоторые преимущества перед другими типами топливных элементов, например такими как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). ПЭМТЭ работают при более низкой температуре, легче и компактнее, что делает их идеальными для применения в автомобилях. Однако имеются и некоторые недостатки: рабочая температура ~ 80 ° C слишком низкая для генерации, как в ТоТЭ, кроме того электролит для ПЭМТЭ должен быть водонасыщенным. Однако некоторые автомобили с топливными элементами, работают без увлажнителей, полагаясь на быструю выработку воды и высокую скорость обратной диффузии через тонкие мембраны для поддержания гидратации мембраны и иономера в слоях катализатора.

Высокотемпературные ПЭМТЭ работают при температуре от 100° C до 200° C, потенциально предоставляя преимущества в кинетике электродов и управлении нагревом, а также лучшую устойчивость к примесям топлива, особенно CO. Эти улучшения потенциально могут привести к повышению общей эффективности системы. Однако эти преимущества еще предстоит реализовать, поскольку мембраны из полимеров перфторсульфоновой кислоты быстро теряют работоспособность при температуре выше 100° C и гидратации ниже 100%, что приводит к сокращению срока службы. В результате для использования в топливных элементах исследуются новые безводные протонные проводники, такие как протонно-органические ионные пластические кристаллы (ПОИПК) и протонные ионные жидкости.

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:

Реакция на аноде:

2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻

Реакция на катоде:

O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O

Общая реакция ячейки:

2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O + тепло + электрическая энергия

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

Применение

Основное применение протонообменных мембран - топливные элементы ПЭM. Эти топливные элементы находят широкое применение в коммерческих и военных целях, в том числе в аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслях.

Крупнейшими рынками для топливных элементов с протонообменными мембранами сегодня являются автомобильная промышленность, а также производство электроэнергии для личного и общественного пользования. Топливные элементы ПЭM популярны в автомобильной промышленности из-за их относительно низкой рабочей температуры и их способности быстро запускаться даже при температуре ниже нуля. Топливные элементы ПЭM также успешно применяются в других видах тяжелой техники, при этом Ballard Power Systems поставляет вилочные погрузчики на основе этой технологии. Основная задача, стоящая перед автомобильной технологией ПЭM, - это безопасное и эффективное хранение водорода, что в настоящее время является областью активной исследовательской деятельности.

Электролиз через полимерно-электролитную мембрану - это технология, с помощью которогй протонообменные мембраны используются для разложения воды на водород и газообразный кислород. Протонообменная мембрана позволяет отделить произведенный водород от кислорода, что позволяет использовать оба продукта по мере необходимости. Этот процесс 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 завода по производству электролизеров Air Liquide ПЭM мощностью 20 МВт в Квебеке. Подобные устройства на основе ПЭM доступны для промышленного производства озона.

Примечания