Электролизер воды с увеличенным сроком службы

Проект направлен на решение научной проблемы деградации электролизера воды с протонпроводящей мембраной для получения водорода вследствие химического, электрохимического и теплового воздействия в процессе функционирования устройства, а также недостаточная эффективность преобразования электроэнергии. Научная значимость и актуальность решения проблемы деградации и недостаточной эффективности преобразования энергии электролизера воды для электролизного получения водорода вытекает из тенденции последних лет, определяющей водород в качестве одного из перспективных энергоносителей. В то же время известные проблемы деградации таких электролизеров и относительно небольшой срок их службы диктуют необходимость поиска научно-технических решений увеличения ресурса и безопасности при сохранении приемлемого уровня характеристик. Конкретными научными задачами в рамках выбранного направления являются увеличение стабильности и срока службы электролитной мембраны для электролизера воды с протонообменной мембраной, увеличение стабильности и эффективности анода, а также увеличение эффективности преобразования энергии в водном электролизере за счет комбинирования разработанных технологий мембраны и анода с разработанной ранее технологиейстабилизированного катодного катализатора с увеличенной стабильностью. Одной из главных причин отказа электролизера воды является растворение и миграция материала мембран и иономера в электродах, вследствие чего происходит утончение мембран, образуются неоднородности по протонной проводимости, возрастает ионное сопротивление, уменьшается граница трехфазной поверхности. Еще одной причиной отказа электролизера воды является перекристаллизация и миграция катализатора, что приводит к уменьшению площади его поверхности и уменьшению границы трехфазной поверхности, необходимой для высокой эффективности гетерогенного катализа в таких устройствах. Научная новизна исследований состоит в использовании нового принципа для продления времени функционирования электролизера воды с протонпроводящей мембраной: использование добавок графена и ПТФЭ для модифицирования электролитной мембраны, а также в увеличении эффективности анодного катализатора за счет использования рекомбинаторов радикалов, оксидов 3d-металлов. Будут разработаны новые лабораторные технологии (технология малослойного графена из графита; технология модифицирования мембран с различной эквивалентной массой; технологии катализатора на основе иридия для анодного каталитического слоя). Также новизна состоит в новых знаниях об особенностях диспергирования различных марок графита в различных дисперсионных средах; новые знания об электронной структуре композитов иономер-модифицирующая добавка, об особенностях влияния модифицирующей добавки на структуру и свойства иономера; о протонном транспорте в модифицированных мембранах, химической и термической устойчивости модифицированных мембран; об электрохимической и термической стабильности разработанных катализаторов Ir-Nafion/Aquivion-модифицирующая добавка; о механизмах стабилизации модифицированных мембран; в созданы фундаментальных основ стабилизации мембран и увеличения ресурса электролизера воды. Для увеличения ресурса электролизера воды будет реализована идея стабилизации мембраны и электродов за счет увеличения устойчивости иономера к химическому, электрохимическому и тепловому воздействию. Увеличение устойчивости мембраны будет достигнуто за счет введения модифицирующих структуру добавок графена и политетрафторэтилена (ПТФЭ), которые уже показали свое стабилизирующее действие по отношению к суспензии иономера типа Nafion. В качестве катодного каталитического слоя будут использоваться ранее разработанные авторами проекта при поддержке РНФ стабилизированные электроды, содержащие платину. Для использования в качестве анода будут разработаны электроды на основе иридия, также включающие стабилизирующую добавку.