Исследование и разработка технологий создания элементной базы и мембранно-электродных блоков нового поколения для низкотемпературных электролизеров воды и топливных элементов

1) Разработана физико-химическая модель электролизера воды с ТПЭ. Показаны некоторые возможности оптимизации с использованием математического моделирования применительно к системе “электрокаталитический слой – коллектор тока”.
2) Синтезированы и исследованы новые нано-структурные электрокатализаторы с высокой удельной поверхностью, в том числе на носителе, а также электрокаталитические слои на их основе. Оптимизированы методики синтеза электрокатализаторов (в том числе многокомпонентных) и нанесения электрокаталитических слоев. В частности, разработана методика синтеза катализатора на носителе методом магнетронно-ионного распыления.
3) Выработаны рекомендации по составу электрокаталитического слоя. В частности, показано, что для анодного электрокаталитического слоя (Ir-чернь) максимум плотности тока наблюдается при содержании ТПЭ в каталитическом слое порядка 5% от массы катализатора; для катодного слоя (Pt40/Vulcan XC-72) этот параметр составляет порядка 10% от массы катализатора на носителе.
4) Разработаны и исследованы новые модифицированные мембраны на основе полимеров типа Nafion и неорганических наполнителей с повышенной химической стойкостью и температурой эксплуатации.
5) Изучено влияние технологических параметров на бипористую структуру титановых электродов. Исследован метод защиты коллекторов тока от коррозии на основе ионной имплантации.
6) Разработаны новые полимерные диафрагмы для электролиза с зазором и композиционные мембраны для щелочного электролиза с нулевым зазором, на который получен патент.
7) Разработаны катализаторы анодного выделения кислорода и катодного вы деления водорода на основе никеля.
8) Разработана методика изготовления и испытания мембранно-электродных блоков топливных элементов и электролизеров с ТПЭ. Получены вольт-амперные характеристики мембранно-электродных блоков.
Таким образом, были получены новые научные данные о процессах в электрохимических системах с ТПЭ, разработаны новые материалы и технологии, позволяющие значительно снизить стоимость и повысить удельные характеристики систем с ТПЭ.

В ходе выполнения этапа №2 проекта были получены научные результаты и новые технологические решения.
Разработаны технологические основы создания твердополимерного МЭБ для электролиза и ТЭ.
Показано, в результате проведения экспериментальных исследований, что иридиевая чернь является перспективным катализатором для анода топливного элемента с твердополимерным электролитом. Это позволит создать новые низкотемпературные топливные элементы с уменьшенным на 20% расходом металлов платиновой группы.
Для использования в МЭБ с твердополимерным электролитом проведен синтез упорядоченных многостенных углеродных нанотрубок пиролизом инжектированного раствора ацетилацетоната никеля в бензольно-этанольной смеси. Использование углеродных нанотрубок способно улучшить характеристики ТЭ с твердополимерным электролитом.
Разработана элементная база для щелочного электролиза, включающей в себя диафрагмы, электроды-катализаторы, газоотводящие сетки, биполярные пластины.
Создана мембрана для щелочного электролиза на основе полисульфона (связующего) и диоксида титана (гидрофильного наполнителя), позволяющая получать мембраны для щелочных электролизеров разложения воды с «нулевым зазором». Разработана технология модифицирования поверхности частиц диоксида титана металлооксидными композициями при изготовлении мембран.
Предложена конструкция МЭБ щелочного генератора водорода, которая использует тонкую диафрагму (0.4 мм) и тканные каталитические сетки, плотно прижатые к диафрагме жесткими плетеными газоотводящими сетками.
Разработана технология получения внутрипористых дисперсных катализаторов путем активации коллекторов тока из пористого никеля для получения электродов МЭБ щелочного электролизера.
В результате проведенных работ разработаны технологические основы создания МЭБ для щелочного электролиза, включающие формирование мембранно-электродных блоков на основе композиционных каталитических покрытий и полимерных ионпроводящих мембран, позволяющие получать водород при низких энергозатратах ( менее 4,1 квт ч/нм3 Н2).

Аннотация

Государственный контракт № 02.516.11.6034 от 14 июня 2007 г.
Тема исследования: ««Исследование и разработка технологий создания элементной базы и мембранно-электродных блоков нового поколения для низкотемпературных электролизеров воды и топливных элементов»,


В ходе выполнения этапа №3 проекта были получены научные результаты и новые технологические решения.
Изготовлены экспериментальные образцы твердополимерных мембранно-электродных блоков МЭБ для электролизера воды и ТЭ, диафрагм, электродов и МЭБ для щелочного электролизера.
Проведены ресурсные испытания демонстрационного (экспериментального) образца твердополимерного блока МЭБ электролизера. Электролизёр с анодным коллектор тока с платиновым защитным покрытием толщиной 0,8 мкм демонстрирует стабильную работу в режиме экспресс-испытаний.
Проведены дополнительные экспериментальные исследования лабораторного электролизера с мембранно-электродным блоком. Напряжение на ячейке составляет 1.83-1.85 В при плотности тока 300 мА/см2 и температуре 80 °С.
Проведены ресурсные испытания демонстрационного (экспериментального) образца мембранно-электродного блока щелочного электролизера воды. Мембранно-электродный блок щелочного электролизера на основе полимерной мембраны и электродов с композиционным никелевым покрытием, модифицированным каталитическими композициями демонстрирует стабильную работу в течение условиях проведения ускоренных ресурсных испытаний (высокая температура 95 °С, и повышанная плостность тока 700 мА/см2).
Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных НИР.
Выполнены индикаторные показатели: по теме проекта опубликована статья в отечественном журнале.
По результатам работ составлен промежуточный научно-технический отчет.
В результате выполнения этапа №3 выполнены научно-технические задачи поставленные в техническом задании и календарном плане к госконтракту.