Повышенная долговечность при высокой удельной мощности снижает совокупную стоимость владения

Развитие технологии водородных топливных элементов стало большим шагом на пути к более чистому будущему на основе безуглеродной энергии. Чтобы топливные элементы оставались жизнеспособным энергетическим решением, их высокая удельная мощность должна сочетаться с долговечностью, что позволит снизить совокупную стоимость владения.

Более 15 лет компания Donaldson сотрудничает с ведущими мировыми компаниями с целью налаживания серийного выпуска протонно-обменных мембран, армированных вспененным политетрафторэтиленом (ПТФЭ). Эта работа привела к созданию тонких, эффективных и долговечных мембран, отличающихся низким сопротивлением для оптимальной плотности тока.

У нас есть глубокое понимание того, как свойства вспененного ПТФЭ, такие как толщина, эластичность, прочность на разрыв и анизотропия, влияют на долговечность блоков топливных элементов. Эти знания и опыт позволяют нам предлагать продукцию из вспененного ПТФЭ, оптимизированную для композитных PEM-мембран, армированных вспененным ПТФЭ, в блоках топливных элементов, которые являются улучшенной альтернативой неармированным PEM-мембранам топливных элементов.

Принцип работы топливного элемента

На схеме, приведенной на Рис. 1, показан типовой топливный элемент. Водород и воздух поступают в анод и катод по отдельности и диффундируют в слой катализатора (электрод), где происходит электрохимическая реакция, в ходе которой генерируется ток. Пористый (газодиффузионный) слой обычно размещается между электродом и проходным каналом для равномерного распределения реагентов.

Приведенное выше уравнение отражает основные электрохимические реакции, происходящие в топливном элементе с протонообменной мембраной (PEMFC). Во время работы топливного элемента анод стимулирует преобразование топлива (например, водорода) в электроны и протоны. Образовавшийся протон проходит через иономерный слой мембраны, тогда как электроны вытесняются во внешнюю цепь. Наконец, протоны, электроны и кислород реагируют на катоде с образованием воды.

Мембрана с каталитическим покрытием (CCM)

Мембрана с каталитическим покрытием (CCM) является важным компонентом элемента PEMFC. CCM-мембрана состоит из анода, катода и иономерного слоя (например, перфторированной сульфоновой кислоты) твердоэлектролитной мембраны, который выступает в качестве электролита. Анод и катод составляют подходящие слои катализатора и скреплены связями с PEM-мембраной. Электрохимические реакции во время работы топливного элемента происходят в CCM-мембране.

Твердоэлектролитная мембрана (PEM)

Основными функциями PEM-мембраны в топливных элементах являются разделение анодного и катодного газа, перенос протонов, изолирование электронов и обеспечение механической опоры для анодных и катодных слоев.

Почему важно армировать PEM-мембраны

Во время работы топливного элемента PEM-мембрана набухает, поглощая воду при высокой относительной влажности, и усыхает, теряя воду при низкой относительной влажности. Этот повторяющийся цикл набухания/усыхания вызывает высокое механическое напряжение внутри PEM-мембраны и ее последующее механическое разрушение.

Долговечность и срок службы PEM-мембран можно значительно увеличить путем армирования вспененным ПТФЭ. Во время цикла набухания/усыхания высокая механическая прочность и химическая инертность вспененного ПТФЭ создают «удерживающую силу», способную нивелировать разрушающую силу циклов набухания/усыхания. Поэтому мембраны, армированные вспененным ПТФЭ, отличаются значительно более высокой механической стойкостью, чем плотные (неармированные) мембраны.

В действительности целевые показатели долговечности, установленные Министерством энергетики США и составляющие 8000 часов для легковых машин и 30 000 часов для тяжелой техники, недостижимы без специальных PEM-мембран, армированных вспененным ПТФЭ.

Кроме того, более тонкие высокоэффективные мембраны из вспененного ПТФЭ способны обеспечить это важнейшее армирование, помогая при этом поддерживать высокую плотность тока, что позволяет уменьшить число элементов в блоке, а значит, и его общий вес. Они могут обеспечить это без ущерба для прочности, рабочих показателей или выработки электроэнергии.

Назначение должно определять конкретную структуру вспененного ПТФЭ

Большинство протонообменных мембран требуют точности разработки с учетом их конкретного назначения. Например, требования к топливным элементам для стационарного оборудования, легковых машин и тяжелой техники заметно отличаются. Таким образом, доступность самых разнообразных структур вспененного ПТФЭ, используемых для армирования PEM-мембран, позволяет OEM-производителям выбирать как вспененный ПТФЭ, необходимый для армирования, так и химический состав топливных элементов, с тем чтобы оптимизировать их эксплуатационные показатели.

Чтобы удовлетворить разнообразные потребности OEM-производителей, компания Donaldson разработала несколько поколений мембран разного назначения. Как показано ниже, наш ассортимент продукции включает решения, предназначенные для каждого из этих уникальных способов применения.

Правильный подбор мембраны имеет значение 

За десятилетия научных исследований и разработок сформировался обширный портфель фирменных мембран Tetratex™ из вспененного ПТФЭ, неизменно отвечающих как строгим отраслевым требованиям к рабочим показателям, так и требованиям OEM-производителей к уменьшению размера батареи и снижению совокупной стоимости владения. Мембраны Tetratex производятся и реализуются только компанией Donaldson, которая делает акцент на высокое качество производства и обслуживания клиентов, чтобы обеспечить стабильность и своевременность их поставок.

Имея в наличии множество вариантов вспененного ПТФЭ для разных спецификаций и способов использования, компания Donaldson предлагает OEM-производителям и поставщикам уровней Tier 1/Tier 2:

• тонкие мембраны, удовлетворяющие требованиям к высокой плотности тока при сохранении механической долговечности батареи;
• батареи меньшего размера и веса;
• великолепные показатели механической стойкости и высокой прочности, продлевающие срок службы элементов;
• стабильную, надежную работу;
• возможность выбирать мембраны из вспененного ПТФЭ независимо от покрытия, то есть OEM-производители могут подобрать не готовое (неоптимизированное), а специальное решение на основе оптимального сочетания мембраны и покрытия.