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

1. 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.

2. Топливные элементы (ТЭ) Преимущества топливных элементов: • Экологичность • Высокий КПД • Относительная бесшумность Типы топливных элементов: • ТЭ с протонообменной мембраной • Щелочной ТЭ • Прямой метанольный ТЭ • Фосфорнокислый ТЭ • Расплавной карбанатный ТЭ • Твердооксидный ТЭ

3. Принцип действия ТЭ • Протекающие химические реакции: • O2 + 4e− + 4H+ → 2H2O; • 2H2 → 4H+ + 4e− • Потери напряжения: • активационные (∆Vact=Аln(i/i0)) • потери на кроссовер • омические • концентрационные

4. Полимерные мембраны

5. 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.

6. Разделим проанализированную научную литературу на 3 раздела, основываясь на прогнозируемых изменениях: • Улучшение протонной проводимости • Улучшение механических свойств • «Золотая середина»

7. Улучшение протонной проводимости

8. Добавление наночастицBPO4 Добавление сульфированных полиэфиркетонов Сульфированный ПБИ с фосфатами циркония

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

10. Улучшение механических свойств

11. Использование политетрафтор-этилена в качестве матрицы Hsiu-Li Linet al. // J Polym Res 2012, 19, 9875

12. Выводы. • 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.

13. Синтез полиарилэфиров с бензимидазольными группами PAES Cheng-HsunShenet al. // J Materials Chemistry, 2012, 22, 19269–19275 PAEB

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

15. Выводы • 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.

16. Добавление Sn0.95Al0.05P2O7 Y.C. Jinet al. // J Power Sources, 2011, 196, 6042–6047 Мембраны, изготовленные: а) путем смешивания SAPO и PBI; косвенно - из SnO2, Al(OH)3и PBI до (b) и после(с) реакции:

18. Выводы • 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.

19. «Золотая середина»

20. Добавление наночастицSiO2 Suryaniet al.// J. of Membrane Science, 2012, 403-404, 1-7

21. 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.

22. Добавление ETS-10 титаносиликатов A. Eguizabalet al. // J Power Sources, 2011, 196, 8994– 90072

23. Выводы • 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.

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

25. Выводы • 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.

26. Результаты анализа статей

27. Основные выводы работы • 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.