Среднетемпературные топливные элементы нового типа с модифицированной мембраной на основе CsH2PO4-наноалмаз

Проект направлен на решение одной из наиболее важных задач водородной энергетики – создание функциональных протонных мембран среднетемпературного диапазона и топливных элементов (ТЭ) нового типа на их основе. Интерес к среднетемпературным ТЭ (130- 350°С) с протонными мембранами значительно вырос в последние годы. Это связано с оптимальной рабочей температурой ТЭ не только с точки зрения энергозатрат, водного менеджмента, использования недорогих конструкционных материалов, но и скорости электродных процессов, обуславливающих значимо меньшие требования к чистоте используемого топлива, а также возможности замены или снижения содержания платины в электродах. Безусловно, для создания электрохимических устройств необходимы эффективные материалы мембран с высокой протонной проводимостью при низкой электронной составляющей, высокой термической и химической стабильностью, механической прочностью, низкой газопроницаемостью и совместимые с ними электродные композиции. Наиболее перспективными представляются протонпроводящие мембраны на основе кислых солей щелочных металлов. Среди солей этого семейства наиболее значимой является дигидрофосфат цезия с характерным фазовым переходом в суперионное состояние при 230оС с протонной проводимостью ~3*10-2 См/см. В 2001 г. впервые была показана возможность создания ТЭ с мембранами из кислых солей Solid Acid Fuel Cell (SAFC). В настоящее время интерес к этим системам значительно возрос. Значительные усилия исследователей направлены, как на усовершенствование свойств мембраны на основе CsH2PO4, так и поиск оптимальных составов электродных композиций для эффективной, стабильной, длительной работы ТЭ, изучение морфологии, исследование механизма электродных процессов. Исследования целого ряда нанокомпозиционных протонных систем показано, что протонпроводящие и термические свойства соли существенно улучшаются, увеличивается температурный диапазон высокопроводящей фазы, снижается скачок проводимости при суперионном фазовом переходе при улучшенных механических свойствах. Исследования новых перспективных полимерных композиционных систем позволило синтезировать тонкие прочные пленочные мембраны, сочетающие гибкость и гидрофобность с высокой протонной проводимостью. Однако те или иные недостатки систем стимулируют дальнейший научный поиск. Данный проект направлен на изучение новых нанокомпозиционных систем на основе CsH2PO4 и высокодисперсного наноалмаза (ND) в широком диапазоне составов и их использование в электрохимической ячейке ТЭ. В ходе исследований по проекту будут детально охарактеризованы электротранспортные, термодинамические, структурные, морфологические, механические свойства CsH2PO4 –xND (х- мольная доля) в широком диапазоне составов (x=0-0.98), определены оптимальные составы мембран. Будет оценена возможность создания полимерных композиций на их основе. На втором этапе проекта будет проведен поиск состава электродных композиций, изучение способов нанесения, морфологии, получены данные по механизму электродных процессов с возможным выявлением лимитирующих стадий. Полученные данные позволят создать не только базу новых фундаментальных знаний в области ионики твердого тела и нанокомпозиционных систем, но и приблизит эти системы к реальному использованию.