Протонообменные мембраны для водородно-воздушных топливных элементов

Цель нашей компании - разработка, производство и внедрение эффективных и экологичных систем электропитания.


Протонообменные мембраны для водородно-воздушных топливных элементов
Задать вопрос

Добровольский Ю.А.1, Волков Е.В.1, Писарева А.В.1,
Федотов Ю.А.1,2, Лихачев Д.Ю.3, Русанов А.Л.4

1142432, Московская обл. г. Черноголовка, пр-т Академика Семенова, д.1, Институт проблем химической физики РАН
2 600016, Владимир, ул.Б.Нижегородская, 77, ООО НПП «Технофильтр»
304510 Мехико, Внешнее кольцо, Университетский городок, Мексика, Институт исследования материалов Национального автономного университета Мексики
4119991 Москва, ул. Вавилова, 28, Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова РАН
В связи с обостряющейся проблемой глобального энергетического кризиса наиболее остро стоит вопрос о поисках альтернативных источников энергии, таких как топливные элементы (ТЭ). В последние годы в мире наблюдается устойчивая тенденция к переходу от классических топливных элементов с жидким электролитом к топливным элементам на основе полимерной протонообменной мембраны.
В водородно-воздушном (водородно-кислородном) топливном элементе происходит конверсия водорода и кислорода из воздуха в электроэнергию, тепло и воду. Основным достоинством такого ТЭ по сравнению с другими водородно-кислородными источниками энергии является возможность прямого превращения большей части выделившейся энергии в электрическую. Считается, что КПД таких элементов может быть более 80 % [1]. Стоит отметить, что КПД уже разработанных полимерных ТЭ редко превышает 40 % (что, однако, выше КПД тепловых машин). Электрохимическая реакция между водородом и кислородом разделена в пространстве и протекает на электродах мембранно-электродного блока.
В последнее время все большее развитие получают топливные элементы, в которых в качестве топлива используются спирты (метанол, этанол, глицерин и др.) или карбоновые кислоты (чаще всего муравьиная). Наибольшее количество публикаций посвящено разработке метанольно-воздушных ТЭ в связи с компактностью и удобством хранения топлива. Пока удельные характеристики таких ТЭ на порядки ниже, чем у водородно-воздушных, что связано как с низкой активностью используемых анодных катализаторов, так и высокой проницаемостью используемых протонообменных мембран по спиртам. 
Мембранно-электродные блоки топливных элементов
Основной частью любого ТЭ является мембранно-электродный блок (МЭБ). В полимерных ТЭ он обычно представляет собой протонообменную мембрану с одной стороны которой нанесен катодный, а с другой анодный катализаторы. Токосъем с катодной и анодной сторон, подвод исходных реагентов и отвод продуктов реакции производится через пористые газодиффузионные слои (ГДС), изготовленные, как правило, из углеродных материалов. В качестве катализаторов обычно используют композитные структуры, представляющие собой платиновую чернь или платину на каком-либо углеродном носителе (сажа, углеродные нановолокна, нанотрубки). Катализаторы могут быть нанесены как на протонообменную мембрану, так и на ГДС, или на то и другое одновременно.
В процессе работы ТЭ в каталитическом слое анода водород ионизируется. Через протонообменную мембрану Н+ переносятся от анода к катоду, в то время как электроны поступают во внешнюю электрическую цепь, вызывая в ней электрический ток. На катоде протоны, прошедшие сквозь мембрану, рекомбинируют с электронами и кислородом воздуха. Скорость данной реакции пропорциональна площади активной области МЭБ, поэтому обычно используют удельные характеристики МЭБ (мА/см2 или мВт/см2).
.....

Полный материал в документе PDF

Источник: http://fuelcell.su/index.php?task=view&id=1&option=com_easyfaq&Itemid=49