Ввиду обширного применения портативных устройств обработки информации, например, ноутбуки и смартфоны, возник спрос на электрохимические устройства, к примеру аккумуляторные батареи, которые используют как источники питания для устройств. Особенно важно, чтобы такие электрохимические устройства производили с небольшими массой и габаритами. Как правило в электрохимических устройствах применяют электролитные растворы, которые содержат в себе электролитные соли, растворенные в растворителях. Вследствие этого такого типа растворы могут приводить к таким проблемам как, возгорание, воспламенение или протечка жидкости. Однако трудности возможно исправить путем применения взамен электролитных растворов твердых электролитов твердые полимерные электролиты. Они являются наиболее перспективным материалом, так как из них можно с легкостью произвести тонкие пленки, к тому же они обладают податливостью и отличными механическими свойствами.
Топливные элементы с ТПЭ. Принцип работы
Твердыми полимерными электролитами называют вещества, имеющие полимерное строение, способные к диссоциации с образованием катионов или анионов, направленное движение которых внутри структуры полимера обусловливает его ионную проводимость.
Принципиально устройство твердополимерного топливного элемента (ТПТЭ) с газообразным восстановителем-водородом и окислителем-кислородом изображено на рис. 1. Элемент состоит из двух пористых не расходуемых электродов-катализаторов, покрытых слоем катализатора и разделенных протонообменной мембраной из полимерного электролита.
Рис. 1. Структура мембранно-электродного блока ТЭ с полимерной мембраной
Водород на аноде отдает электроны и переходит в электролит в виде иона водорода, мигрирующего через мембрану к катоду. На положительном электроде кислород принимает электроны и, взаимодействуя с водородом, восстанавливается с образованием воды. Электроны движутся от анода к катоду через внешнюю цепь, производя электрический ток.
Электроды с ТПТЭ являются газодиффузионными. В качестве электролита-сепаратора преимущественно используется тонкая, гибкая и прозрачная полимерная мембрана типа «Nafion». На обе ее стороны нанесен тонкий каталитический слой, состоящий из углеродного материала и дисперсной платины. «Сэндвич»-структура газодиффузионный анод/катализатор/мембрана/ катализатор/газодиффузионный катод называется мембранно-электродным узлом (рис. 2) и обычно имеет толщину менее 1 мм.
Рис. 2. Устройство мембранно-электродного узла
Электроды ТПТЭ обычно содержат катализатор в виде мелких высокодисперсных металлических частиц нанесенных на нерасходуемый несущий материал из частиц углерода. Углеродный носитель должен иметь высокую электронную проводимость. Кроме того, его пористая структура должна позволять реагентам и продуктам иметь доступ к активным центрам катализатора. Другие важные особенности углеродного носителя-устойчивость к коррозии и гидрофильный характер. Используются различные типы углеродных носителей: сажа, активированный уголь, графит.
Помимо «Nafion» известны также ряд аналогов- продуктов компаний Asahi Glass (Flemion), Asahi Chemical (Aciplex), 3M и др., которые отличаются малосущественными различиями в структуре боковой цепи полимерной молекулы. Как правило, мембрана «Nafion», которая поставляется в виде коммерческого продукта, имеет при себе трехзначный числовой индекс, к примеру, «Nafion» 117. Данная маркировка содержит информацию об эквивалентном весе полимера и толщине мембраны: для «Nafion» 117- эквивалентный вес 1110 г/моль, толщина 7,2 мила (0,0072 дюйма) = 183 мкм.
Мембраны из полимеров типа «Nafion» механически стабильны и довольно газонепроницаемы. Вдобавок, они химически и электрохимически стабильны и инертны. Отличаются довольно высокой протонной проводимостью, которая ощутимо зависит от степени увлажнения мембраны (сухая мембрана не проводит протоны, так как сульфогруппы не диссоциированы). Данное свойство относится к единому минусу всех полимерных сульфокислот, по причине необходимости в специальном контроле баланса воды в мембранно-электронном блоке (МЭБ) при работе. Перфторированные полимерные сульфокислоты, типа «Nafion» и его аналогов, отличаются четко выраженной гидрофобностью всех участков макромолекул, за исключением сульфогрупп, следовательно резко лишаются способности удерживать воду (стало быть, проводить протоны) при экспозиции в сухой атмосфере: в условиях ТЭ — в отсутствие увлажнения реагентов (при недостаточном перераспределении в мембране генерируемой на катоде воды), а в свою очередь в наличии увлажнения — при превышении температуры значения 80℃, что несет ограничения по температурному режиму работы МЭБ на их основе.
Весомым недостатком перфторированных полимерных сульфокислот к тому же является их высокая стоимость. Для приложений, которые связаны с реализацией ТЭ прямого окисления метанола, большим недостатком мембран типа «Nafion» в добавок ко всему является их высокая проницаемость по отношению к метанолу.
Первые образцы ТПТЭ с платиновым катализатором и водородом, синтезируемым смешением воды и гидрида лития, использовались для электропитания пилотируемых космических аппаратов. Движущей силой внедрения твердополимерных топливных элементов на транспорте является потребность в экологически чистых и эффективных автомобилях, грузовиках и автобусах. С водородом в качестве топлива на борту такие транспортные средства характеризуются практически нулевым уровнем вредных выбросов.
Значительное внимание в последнее время уделяется проблеме использования ТПТЭ в качестве вспомогательных силовых установок (ВСУ) для транспортных средств. ВСУ являются устройствами, которые могут обеспечить электропитанием все системы электропотребления на транспортном средстве, кроме двигателя (например систему освещения, кондиционирования воздуха).
Заключение
Появившись относительно недавно, твердые полимерные электролиты уже стали основой для появления новых электрохимических устройств, характеризующиеся отсутствием жидкого агрессивного электролита, уменьшенными массой и габаритами, экологической безопасностью и высокой надежностью. Значительное число исследований, которые ведутся в области ТПЭ и химически модифицированных электродов учеными со всего мира, обещает получение в скором времени новых, более успешных, результатов в энергетике, появление новых типов оптоэлектронных и компьютерных устройств, медицинских систем.
Литература:
- Козадеров О. А., Введенский А. В. Современные химические источники тока. — 3-е изд. — СПб.: Лань, 2018. — 132 с.
- Галлямов М. О., Хохлов А. Р. Топливные элементы с полимерной мембраной: Материалы к курсу по основам топливных элементов. — М.: Физический факультет МГУ, 2014. — 72 с.
- Осетрова Н. В., Скундин А. М. Термостойкие мембраны для топливных элементов // Электрохимическая энергетика. — 2007. — № 1. — С. 3–16.
- Багоцкий В. С., Скундин А. М. Химические источники тока. — М.: Энергоиздат, 1981. — 360 с.
- Белоглазов В. Ю., Баранов И. Е., Шатковский А. С. Топливный элемент с твёрдополимерным электролитом: структура КАТАЛИТИЧЕСКОГО СЛОЯ // Электрохимическая энергетика. — 2010. — № 1. — С. 29–33.
