Курсовая работа:

«Принципы разработки композитных

полимерных мембран для мембранно-электродных

блоков топливных элементов»

Выполнила студентка 2 курса Авдеева Е.А.Научный руководитель: Галлямов М.О.

Топливные элементы (ТЭ)

Преимущества топливных элементов:• Экологичность• Высокий КПД• Относительная бесшумность

Типы топливных элементов:1. ТЭ с протонообменной мембраной2. Щелочной ТЭ3. Прямой метанольный ТЭ4. Фосфорнокислый ТЭ5. Расплавной карбанатный ТЭ6. Твердооксидный ТЭ

Химическая энергия Электрическая энергия

Принцип действия ТЭ

Протекающие химические реакции:O2 + 4e− + 4H+ → 2H2O;

2H2 → 4H+ + 4e−

H 2 2H + 2e+ - O + 42 H + 4e+ - 2H O2

анод катод

мембрана

вод

ор

од

возд

ух

вода

- +U

A

e- e-

H+

H+

Потери напряжения:- активационные (∆Vact=А ln(i/i0))- потери на кроссовер- омические - концентрационные

Полимерные мембраны

Перфторированные сульфокислоты -

Нафион

+ : механическая и химическая стабильность,

газонепроницаемость

- : зависимость протонной проводимости от

влажности, высокая стоимость

Полибензимидазолы (ПБИ)

+ : работают при высокой температуре, низкая чувствительность к

загрязнителям ТЭ на основе ПБИ, эффективность,

дешевизна

- : ухудшение механический свойств при увеличении

проводимости

* CF CF2 CF2CF2 *m

O

CF2

CF

O

CF2

CF2

n

CF3

SO3H

k

Цель работы.

Рассмотреть связь таких характеристик мембраны, как протонная проводимость и механическая стабильность.

Проанализировав научные статьи в области исследования композитных ПБИ мембран, изучить различные приемы нахождения компромисса между указанными выше характеристиками.

Разделим проанализированную научную литературу на 3 раздела, основываясь на прогнозируемых изменениях:1.Улучшение протонной проводимости2.Улучшение механических свойств3.«Золотая середина»

Улучшение протонной

проводимости

Добавление наночастиц BPO4

Добавление сульфированных полиэфиркетонов

Сульфированный ПБИ с фосфатами циркония

Выводы.

В разделе улучшения протонной проводимости все полученные результаты вполне ожидаемы. Подтвердилась проблема ухудшения механических свойств при попытках увеличить проводимость.

Улучшение механических

свойств

Использование политетрафтор-этилена в качестве матрицы

Hsiu-Li Lin et al. // J Polym Res 2012, 19, 9875

Проводимость ожидаемо уменьшилась по сравнению с чистой ПБИ мембраной за счет добавления тефлона, отношение проводимости к толщине мембраны увеличилось.Этот подход использования твердой матрицы представляет большой интерес.

Выводы.

Синтез полиарилэфиров с бензимидазольными группами

Cheng-Hsun Shen et al. // J Materials Chemistry, 2012, 22, 19269–19275

PAES

PAEB

Проводимость ПБИ в этих условиях ниже (данные в статье не приведены).

ВыводыАвторам удалось получить более дешевые и прочные ПАЭС мембраны с лучшей по сравнению с ПБИ проводимостью. Но синтезированные в этом же исследовании ПАЭБ мембраны оказались лучшими проводниками протонов. Следовательно, полный анализ полученных мембран не может быть проведен, ввиду недостатка экспериментальных данных.

Добавление Sn0.95Al0.05P2O7

Y.C. Jin et al. // J Power Sources, 2011, 196, 6042–6047

Мембраны, изготовленные: а) путем смешивания SAPO и PBI; косвенно - из SnO2, Al(OH)3 и PBI до (b) и после (с) реакции:

ВыводыПытаясь добиться лучшей механической стабильности, авторы исследования не изучили ее, но получили улучшенную проводимость. К тому же вызывают вопросы характеристики мембраны, полученной прямым путем, точный химический состав SAPO и необычные условия тестов производительности.

«Золотая середина»

Добавление наночастиц SiO2

Suryani et al.// J. of Membrane Science, 2012, 403-404, 1-7

Выводы.Были получены разнообразные результаты, и строгой зависимости характеристик мембраны от содержания в ней наночастиц кремнезема выявлено не было. Однако авторы смогли выделить мембрану, которая обладает одновременно лучшей протонной проводимостью и лучшими механическими свойствами по сравнению с ПБИ.

Добавление ETS-10 титаносиликатов

A. Eguizabal et al. // J Power Sources, 2011, 196, 8994– 90072

ВыводыНе смотря на то, что авторы статьи хотели улучшить все свойства мембраны, в результатах этого отображено не было (нет анализа механических свойств, проводимость улучшена по сравнению с ПБИ, но наилучшая мембрана содержит минимальное количество ETS). Очевидно резкое увеличение проводимости при сульфировании ETS.

Добавление DEPE-TEOS

Hsiu-Li Lin et al. // J Power Sources, 2012, 201, 72-80

ВыводыВ данном исследовании были получены достаточно стабильные мембраны, обладающие лучшими характеристиками по сравнению с исходным ПБИ. Следовательно, компромисс действительно найден, увеличена и проводимость, и механическая стабильность.

Результаты анализа статейУлучшение свойств

Раздел Статья Проводимость Мех. свойства

Дополнительно

1. Улучшение протонной проводимости

[1] + -[2] + Нет данных[3] - -

2. Улучшение механических характеристик

[4] - +[5] + Сложный

характер изменений

[6] + Нет данных Лучшая произво-дительность

3. «Золотая середина»

[7] Сложный характер изменений

Лучшая произво-дительность

[8] + Нет данных

[9] + +

Основные выводы работыЛишь в результате немногих опытов были получены мембраны с нужными свойствами. Таким образом, проведенный анализ литературы показал, что проблема оптимизации баланса между протонной проводимостью и механическими характеристиками полимерных мембран топливных элементов не решена полностью. Весьма перспективными представляются систематическое изучение композитных мембран.