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

Преимущества топливных элементов: Экологичность Высокий КПД Относительная бесшумность Типы топливных элементов: 1. ТЭ с протонообменной мембраной 2. Щелочной ТЭ 3. Прямой метанольный ТЭ 4. Фосфорнокислый ТЭ 5. Расплавной карбанатный ТЭ 6. Твердооксидный ТЭ Химическая энергия Электрическая энергия

Протекающие химические реакции: O 2 + 4e + 4H + 2H 2 O; 2H 2 4H + + 4e Потери напряжения: - активационные (V act =А ln(i/i 0 )) - потери на кроссовер - омические - концентрационные

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

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. 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 проводимости 2. Улучшение механических свойств 3.«Золотая середина»

Добавление наночастиц BPO 4 Добавление сульфированных полиэфиркетонов Сульфированный ПБИ с фосфатами циркония

Suqing Di et al. // J. of Power Sources, 2012, 211,

Haitao Zheng et al.// J. of Power Sources, 2012, 208, Мембрана Степень допирования фосфорной кислотой, % ABPBI63 ABPBI16S86 ABPBI32S82

Wei Qian et al. //Int J Hydrogen Energy, 2012, 37, Проводимость мембран SPBI-10-Z3 – 0,08 См/см при 180 о. Максимально допустимое набухание - 15%

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

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.

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).

Авторам 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.

Y.C. Jin et al. // J Power Sources, 2011, 196, 6042–6047 Мембраны, изготовленные: а) путем смешивания SAPO и PBI; косвенно - из SnO 2, Al(OH) 3 и PBI до (b) и после (с) реакции:

Пытаясь 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.

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

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.

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

Не 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.

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

В 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.

Улучшение свойств Раздел СтатьяПроводимость Мех. свойства Дополнительно 1. Улучшение протонной проводимости [1][1]+- [2][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]++

Лишь 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.