Молодежный вестник ИрГТУ (12+)
Поиск по сайту

Полимерные протонпроводящие мембраны на основе ароматических соединений для топливных элементов

Белькович Анастасия Павловна

2020 / Том 10 № 4 2020 [ Химия и металлургия ]

Протонообменные мембраны играют ключевую роль в водородных топливных элементах (ТЭ). Проводя протоны от анода к катоду, они предотвращают прохождение электронов. Высокая протонная проводимость является наиболее важным требованием, так как это способствует повышению производительности и общей эффективности ТЭ. Также важно учитывать показатели прочности и долговечности мембран. Данные характеристики отвечают за работоспособность мембраны в реальных условиях эксплуатации топливного элемента и за срок его службы. Способность ТЭ с мембраной обеспечивать высокую химическую и электрическую эффективность и почти нулевые выбросы по сравнению с преобладающими сегодня технологиями двигателей внутреннего сгорания делает сферу их разработки перспективной по мере ухудшения окружающей экологической ситуации. Существующие современные нафионные мембраны обладают высокой протонной проводимостью, высокой химической и механической стабильностями, высоким сопротивлением разрыву и низкой газопроницаемостью в условиях эксплуатации топливных элементов. Но наличие таких недостатков, как высокая стоимость и ограниченный температурный диапазон, в котором они могут использоваться (верхний предел - 100 °C, поскольку температура стеклования составляет 120 °C и в условиях повышенных температур происходит испарение воды с поверхности мембраны, что в итоге приводит к понижению протонной проводимости, ускорению окислительного разложения и ухудшению механических свойств), препятствует широкомасштабному внедрению на рынок протонпроводящих мембран для топливных элементов. Разработка альтернативных Нафиону мембран стала наиболее обсуждаемой темой в данной сфере в последние годы. Одним из рассматриваемых вариантов являются полимеры на основе ароматических соединений. В этих мембранах полимерные цепи соединены между собой ароматическими кольцами, наряду с различным количеством эфиров, кетонов, сульфонов, имидов и бензимидазолов в структуре. Результаты исследований демонстрируют большой потенциал данных мембран в качестве проводников благодаря их электрохимической, механической и термической стойкости. Ионообменные мембраны на основе таких полимеров, как полиарилэфиркетоны и полиимиды, не имеют достаточного уровня протонной проводимости и прочности для их свободного применения в ТЭ. Поэтому необходимой является также и разработка соответствующих модификаций, позволяющих компенсировать эти недостатки. В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с разработкой различных протонпроводящих мембран на основе ароматических соединений, а также исследования, направленные на разработку модификаций для улучшения их свойств и повышения производительности.

Ключевые слова:

полимер,ионообменная мембрана,топливный элемент,Нафион,ароматические соединения

Библиографический список:

  1. Mekhilef S., Saidur R., Safari A. Comparative study of different fuel cell technologies // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. Vol. 16. P. 981-989.
  2. Zhang L., Chae S.R., Hendren Z., Park J.S., Wiesner M.R. Recent advances in proton exchange membranes for fuel cell applications // Chemical Engineering. 2012. Vol. 204-206. P. 87-97.
  3. Yun Wang, Ken S. Chen, Jeffrey Mishler, Sung Chan Cho, Xavier Cordobes Adroher. A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research // Applied Energy. 2011. Vol. 88. № 4. P. 981-1007.
  4. Peighambardoust S.J., Rowshanzamir S., Amjadi M. Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. № 17. P. 9349-9384.
  5. Kim D.J., Jo M.J., Nam S.Y. A review of polymer-nanocomposite electrolyte membranes for fuel cell application // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2015. Vol. 21. P. 36-52.
  6. Suthida Authayanun, Karittha Im-orb, Amornchai Arpornwichanop. A review of the development of high temperature proton exchange membrane fuel cells // Chinese Journal of Catalysis. 2015. Vol. 36. P. 473-483.
  7. Erigene Bakangura, Liang Wu, Liang Ge, Zhengjin Yang, Tongwen Xu. Mixed matrix proton exchange membranes for fuel cells: State of the art and perspectives // Progress in Polymer Science. 2016. Vol. 57. P. 103-152.
  8. Hyuna Kang, Juwon Hong, Taehoon Hong, Dongsu Han, Sangyoon Chin, Minhyun Lee. Determining the optimal long-term service agreement period and cost considering the uncertain factors in the fuel cell: From the perspectives of the sellers and generators // Applied Energy. 2019. Vol. 237. P. 378-389.
  9. Leong J.X., Daud W.R.W., Ghasemi M., Liew K.B., Ismail M. Ion exchange membranes as separators in microbial fuel cells for bioenergy conversion: A comprehensive review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013. Vol. 28. P. 575-587.
  10. Branco C.M., Sharma S., Camargo Forte M.M., Steinberger-Wilckens R. New approaches towards novel composite and multilayer membranes for intermediate temperature-polymer electrolyte fuel cells and direct methanol fuel cells // Journal of Power Sources. 2016. Vol. 316. P. 139-159.
  11. Kausar A. Progression from Polyimide to Polyimide Composite in Proton-Exchange Membrane Fuel Cell: A Review // Polymer-Plastics Technology and Engineering. 2017. Vol. 56. P. 1375-1390.
  12. Knauth P., Di Vona M.L. Sulfonated aromatic ionomers: Analysis of proton conductivity and proton mobility // Solid State Ion. 2012. Vol. 225. P. 255-259.
  13. Park J.S., Shin M.S., Kim C.S. Proton exchange membranes for fuel cell operation at low relative humidity and intermediate temperature: An updated review // Current Opinion in Electrochemistry. 2017. Vol. 5. P. 43-55.
  14. Ogungbemi E., Ijaodola O., Khatib F.N., Wilberforce T., El Hassan Z., Thompson J., et al. Fuel cell membranes - Pros and cons // Energy. 2019. Vol. 172. P. 155-172.
  15. Xiaoming Yan, Gaohong He, Xuemei wu, Jay Benziger. Ion and water transport in functionalized PEEK membranes // Journal of Membrane Science. 2013. Vol. 429. P. 13-22.
  16. Elaheh Kowsari, Alireza Zare, Vahid Ansari. Phosphoric acid-doped ionic liquid-functionalized graphene oxide/sulfonated polyimide composites as proton exchange membrane // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40. P. 13964-13978.
  17. Zhang Boping, Ni Jiangpeng, Xiang Xiongzhi, Wang Lei, Chen Yongming. Synthesis and properties of reprocessable sulfonated polyimides cross-linked via acid stimulation for use as proton exchange membranes // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 337. P. 110-117.
  18. Vinny R. Sastri. High-Temperature Engineering Thermoplastics: Polysulfones, Polyimides, Polysulfides, Polyketones, Liquid Crystalline Polymers, and Fluoropolymers // Plastics in medical devices: properties, requirements, and applications. 2010. P. 175-215.
  19. Mihee Won, Sohyun Kwon, Tae-Hyun Kim. High performance blend membranes based on sulfonated poly(arylene ether sulfone) and poly(p-benzimidazole) for PEMFC applications // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2015. Vol. 29. P. 104-111.
  20. Zhang C., Zhuang X., Li X., Wang W., Cheng B., Kang W., et al. Chitin nanowhisker-supported sulfonated poly(ether sulfone) proton exchange for fuel cell applications // Carbohydrate Polymers. 2016. Vol. 140. P. 195-201.
  21. Araya S.S., Zhou F., Liso V., Sahlin S.L., Vang J.R., Thomas S., et al. A comprehensive review of PBI-based high temperature PEM fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41. P. 21310-21344.
  22. Nayak R., Sundarraman M., Ghosh P.C., Bhattacharyya A.R. Doped poly (2, 5-benzimidazole) membranes for high temperature polymer electrolyte fuel cell: Influence of various solvents during membrane casting on the fuel cell performance // European Polymer Journal. 2018. Vol. 100. P. 111-120.
  23. Biron M. Detailed Accounts of Thermoplastic Resins // Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2018. P. 203-766.

Файлы:

Язык
RuEn
Количество скачиваний:142187