Оптимизация процессов массопереноса в системах с твердым полимерным электролитом

• Автор: Григорьев, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 158 с. : ил

В системах с ТПЭ используются высокодисперсные порошковые катализаторы, имеющие высокие значения удельной активной поверхности. К недостаткам систем с ТПЭ можно отнести пока еще высокую их стоимость, обусловленную, в первую очередь, ценой полимерной электролитической мембраны. Однако с ростом массового производства ожидается значительное снижение стоимости мембраны. Также, дорогостоящим компонентом являются каталитические слои на основе металлов платиновой группы, но в настоящее время успешно проводятся разработки новых каталитических слоев со сниженным содержанием драгоценных металлов. В будущем, благодаря проводимым разработкам неплатиновых электрокатализаторов, возможно, удастся и вовсе отказаться от использования драгметаллов. Основой систем с ТПЭ является полимерная ионообменная или, как часто ее называют в англоязычной литературе, протонообменная мембрана. Использовать органическую катионообменную мембрану впервые предложил Вильям Грабб в году 2. Одними из первых электрохимических устройств на основе такого типа мембран были топливные элементы, созданные в рамках космической программы ii в конце х годов 3. Однако используемые в них мембраны имели невысокий ресурс около часов, и позднее фирмой были разработаны более стабильные мембраны под торговой маркой i. В настоящее время применяются перфорированные мембраны 4, обладающим относительно низким сопротивлением, высокой механической прочностью и наибольшей химической стойкостью. Наиболее известная марка такого типа мембран упомянутый выше i фирмы , США. Разработка и опытное производство ТГТЭмембран ведется с середины х годов и в России в НПО Пластполимер перфторсульфоновая катионообменная мембрана типа МФ4СК, аналог мембраны i. Следует отметить, что мембраны i и МФ4СК уступают мембранам X и 3 при плотностях тока более 0. Асм2, однако вопросы стабильности последних пока недостаточно изучены, а их промышленное производство не налажено. Ионообменная мембрана представляет собой эластичную пленку толщиной от нескольких десятков до нескольких сотен микрон с ровной поверхностью, прозрачную, бесцветную или слегка желтого цвета. Мембрана изготавливается из сополимера тетрафторэтилена, содержащего привитые функциональные сульфогруппы, который обладает исключительной химической и электрохимической стабильностью, что обеспечивает ресурс на уровне нескольких десятков тысяч часов. Ионная проводимость мембраны обеспечивается переносом гидратированных протонов по системе фиксированных сульфогрупп рис. Гидратированная мембрана по кислотным свойствам эквивалентна серной кислоте . При контакте с водой мембрана набухает и происходит диссоциация ионогенных групп, в результате чего ионы водорода получают возможность перемещаться в объеме полимера от одного электрода к другому. Согласно II, полимерные цепи образуют кластеры, заполненные водой, поверхность кластеров покрыта сульфогруппами, находящимися на концах этих цепей. Перенос гидратированных протонов между фиксированными в полимере сульфогруппами обеспечивает протекание электрохимической реакции. Рис. Структура полимерной электролитической мембраны 9. Необходимо отметить, что характеристики систем на основе ТПЭ существенно зависят от влагосодержания мембраны и организации потоков воды. Это в первую очередь связано с тем, что электрическое сопротивление мембраны определяется степенью ее увлажненности. Я0. С А количество молекул воды на группу 3 указанная формула справедлива при Я1. Наибольшее значение Л принимает при контакте мембраны с жидкой водой А при 0С и Я. С по данным . Перенос воды в мембране может быть обусловлен упомянутым выше переносом воды с протонами и диффузией. Количество молекул воды, увлекаемых протоном, в работе определено следующим образом п 2. О.ЗЗЛ 0. Л 0. ГГ. График зависимости коэффициента диффузии воды через мембрану, проводимости мембраны и количества молекул воды на один протон от Я приведен на рис. Рис. Зависимость коэффициента диффузии воды через мембрану I, проводимости мембраны и и количества увлекаемых протоном молекул воды п от количества молекул воды на группу 3 Я для мембраны НаПоп 7 но .