*



ПОЛIМЕРНА ПРОТОНОПРОВIДНА КОМПОЗИЦIЯ ДЛЯ ПАЛИВНИХ ЕЛЕМЕНТIВ

ПОЛИМЕРНАЯ ПРОТОНПРОВОДИМАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ТОПЛИВНИХ ЭЛЕМЕНТОВ

применение

Патент Украины

:

Номер патента:	       98409
Класс(ы) патента: C08L 63/00
C08K 3/32(2006.01)
Номер заявки: u 2014 12385
Дата подачи заявки: 18.11.2014
Дата публикации: 27.04.2015

:


Заявитель(и):

Iнститут хiмiї високомолекулярних сполук НАН України, Харкiвське шосе, 48, м. Київ-160, 02160 (UA)

Автор(ы):

Лебедєв євген Вiкторович (UA), Шандрук Марiя Iванiвна (UA), Зiнченко Ольга Володимирiвна (UA) Левченко Володимир Володимирович (UA)

Патентообладатель(и):

Iнститут хiмiї високомолекулярних сполук НАН України


Реферат:

Полімерна протонпровідна композиція для паливних елементів на основі полімеру і протонодонора. Вона як полімер містить дигліцидиловий ефір поліетиленгліколю (ДЕГ), як протонодонор фосфорвольфрамову гетерополікислоту (ФВК) і додатково кремнійвмісний компонент аеросил (А-175).

Корисна модель належить до композиції високомолекулярних сполук з використанням органічних і неорганічних компонентів та призначена як протонпровідна мембрана для твердопаливних елементів, які використовуються як джерело енергопостачання.
Відомо, що паливні елементи є альтернативними джерелами енергії, що характеризуються високим коефіцієнтом корисної дії та екологічною безпекою. Значна увага приділяється полімермембранним паливним елементам, які знаходять застосування як джерела енергії в пристроях різноманітного призначення. Відомі аліфатичні перфторовані протонпровідні полімерні матеріали, що містять у своєму складі як протонодонори сульфокислотні групи типу "Nafion" [1-2]. Межею їх експлуатації є 80-90 °С. В той же час подальше підвищення ефективності полімерпровідних паливних елементів пов'язане саме з можливістю їх функціонування в області проміжних температур (100-200 °С). Актуальним є створення протонпровідних полімерних матеріалів, здатних до експлуатації в даному температурному інтервалі в умовах підвищеної вологості.

Відомі полімерні протонпровідні композиції, в яких кислотні групи введені в термостійкі ароматичні полімери або утворюють комплекси з основними полімерами, або введені як наповнювачі [1-2]. Дані полімерні протонпровідні матеріали були досліджені як протонпровідні мембрани і виявили достатньо хороші результати. Однак вони відзначаються складністю синтезу і їх протонна провідність нижча такої для "Nafion" при вологості 100 %.

Найближчим аналогом корисної моделі є полімерна протонпровідна композиція, що містить кремнійвмісний полімер і протонодонор сульфокислоту, рівень провідності 10-8 - 10-5 См/см. Але недоліком такого протонпровідного матеріалу є низький температурний інтервал експлуатації 20-80 °C [3].

Задачею корисної моделі є створення полімерної протонпровідної композиції для паливних елементів, що забезпечує більший температурний інтервал її експлуатації.

Поставлена задача вирішується тим, що полімерна протонпровідна композиція для паливних елементів як полімер містить епоксидний полімер - дигліцидиловий ефір поліетиленгліколю (ДЕГ), як протонодонор - фосфорвольфрамову гетерополікислоту (ФВК) і додатково кремнійвмісний компонент аеросил (А-175) за такого співвідношення компонентів (мас.ч.):
- дигліцидиловий ефір поліетиленгліколю .......... 97-99
- фосфорвольфрамова гетерополікислота .............. 1-3
- вода ........................ 1-3
- аеросил (А-175) ................. 1-5.

Склад запропонованої композиції був підібраний таким чином, щоб забезпечувався широкий температурний інтервал її експлуатації.

Суть корисної моделі пояснюється такими прикладами. Полімерну протонпровідну композицію готували таким чином.

Приклад
В 99 мас.ч. дигліцидилового ефіру поліетиленгліколю (ДЕГ) вводять 1 мас.ч. аеросилу (А175), перемішують 3-4 хв. Фосфорвольфрамову гетерополікислоту (ФВК) (1 мас.ч.) змішують з 1 мас.ч. води протягом 3-4 хв. І вводять в суміш епоксидної смоли і аеросилу, перемішують 2-3 хв.

Властивості незатвердненої композиції: вигляд - однорідна прозора суміш, живучість 10-90 хв., час затвердіння - 24 год. За (20±5) °С + 3 год./80 °C.

Приклади складів та значення електропровідності при постійному струмі затверднених полімерних протонпровідних композицій наведені в таблиці.

Затверднений полімерний матеріал має такі фізико-механічні властивості - міцність на розрив 0,15-0,55 Мпа, подовження при розриві 11-28 %. Випробування на міцність при розриві проводили у відповідності до ГОСТ 11262-80.

Іонну провідність отриманих полімерних композицій вимірювали за допомогою приладу Mastech MS 8050 при напрузі 1 В, та в температурному інтервалі від 28 °С до 130 °С. Розрахунки проводились за формулою:

бdc=d/(S*R).

де d - товщина зразка (см),
бdc - провідність при постійному струмі (См/см),
S - площа зразка (см2),
R - об'ємний опір при постійному струмі (Ом).
R=U/І

^

Реферат:

Полимерная протонпроводящая композиция для топливных элементов на основе полимера и протонодонора. Она в качестве полимера содержит диглицидиловий эфир полиэтиленгликоля (ДЕГ), в качестве протонодонора фосфорвольфрамовую гетерополикислоту (ФВК) и дополнительно кремнийсодержащий компонент аэросил (А-175).

Полезная модель относится к композиции высокомолекулярных соединений с использованием органических и неорганических компонентов и предназначена как протонпроводящая мембрана для твердотопливных элементов, которые используются в качестве источника энергоснабжения.

Известно, что топливные элементы являются альтернативными источниками энергии, характеризуются высоким коэффициентом полезного действия и экологической безопасностью. Значительное внимание уделяется полимермембранным топливным элементам, которые находят применение в качестве источника энергии в устройствах различного назначения. Известны алифатические перфторированные протонпроводящие полимерные материалы, содержащие в своем составе как протонодоноры сульфокислотные группы типа "Nafion" [1-2]. Предел их эксплуатации является 80 - 90 ° С. В то же время дальнейшее повышение эффективности полимерпровидних топливных элементов связано именно с возможностью их функционирования в области промежуточных температур (100-200 ° С). Актуальным является создание протонпроводящих полимерных материалов, способных к эксплуатации в данном температурном интервале в условиях повышенной влажности.

Известны полимерные протонпроводящие композиции, в которых кислотные группы введены в термостойкие ароматические полимеры или образуют комплексы с основными полимерами, или введены в качестве наполнителей [1-2]. Данные полимерные протонпроводящие материалы были исследованы как протонпроводящие мембраны и обнаружили достаточно хорошие результаты. Однако они отличаются сложностью синтеза и их протонная проводимость ниже таковой для "Nafion" при влажности 100%.

Ближайшим аналогом полезной модели является полимерная протонпроводящая композиция, содержащая кремнийсодержащими полимер и протонодонор сульфокислоту, уровень проводимости 10-8 - 10-5 См / см. Но недостатком такого протонпроводящего материала является низкий температурный интервал эксплуатации 20-80 ° C [3].

Задачей полезной модели является создание полимерной протонпроводящей композиции для топливных элементов, обеспечивающей больший температурный интервал ее эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что полимерная протонпроводящая композиция для топливных элементов как полимер содержит эпоксидный полимер - диглицидиловий эфир полиэтиленгликоля (ДЕГ), как протонодонор - фосфорвольфрамовую гетерополикислоту (ФИК) и дополнительно кремнийсодержащий компонент аэросил (А-175) при следующем соотношении компонентов (масс. ч.):
- диглицидиловий эфир полиэтиленгликоля .............. 97-99
- фосфорвольфрамова гетерополикислота ................ 1-3
- вода ................... 1-3
- аэросил (А-175) ................ 1-5.

Состав предложенной композиции был подобран таким образом, чтобы обеспечивался широкий температурный интервал ее эксплуатации.

Суть полезной модели объясняется следующими примерами. Полимерную протонпроводящую композицию готовили следующим образом.

Пример
В 99 мас.ч. диглицидилового эфира полиэтиленгликоля (ДЕГ) вводят 1 мас.ч. аэросила (А175), перемешивают 3-4 мин. Фосфорвольфрамову гетерополикислоту (ФИК) (1 мас.ч.) смешивают с 1 мас.ч. воды в течение 3-4 мин. И вводят в смесь эпоксидной смолы и аэросила, перемешивают 2-3 мин.

Свойства неотверждённой композиции: вид - однородная прозрачная смесь, живучесть 10-90 мин., время отверждения - 24 часа. За (20 ± 5) ° С + 3 часа. / 80 ° C.

Примеры составов и значение электропроводности при постоянном токе отвержденных полимерных протонпроводящих композиций приведены в таблице.

Отвержденный полимерный материал имеет следующие физико-механические свойства - прочность на разрыв 0,15-0,55 МПа, удлинение при разрыве 11-28%. Испытания на прочность при разрыве проводили в соответствии с ГОСТ 11262-80.

Ионную проводимость полученных полимерных композиций измеряли с помощью прибора Mastech MS 8050 при напряжении 1 В и в температурном интервале от 28 ° С до 130 ° С. Расчеты проводились по формуле:
бdc=d/(S*R).

где d - толщина образца (см),
бdc - проводимость при постоянном токе (См/см),
S - площадь образца (см2),
R - объёмное сопротивление при постоянном токе (Ом).
R=U/І



Таблиця. Залежність електропровідності бdc (См/см) від складу і температури
№ п/п Залежність бdc від температури, См/см
ДЕГ ФВК Вода А-175 28 °C 50 °C 80 °C 100 °C 125 °C 130 °C
1 99 1 1 1 1,7*10-8 2,1*10-8 2,5*10-8 2,8*10-7 3,7*10-7 4,8*10-7
2 99 1 1 3 2,1*10-8 3,6*10-8 7,8*10-8 1,6*10-7 4,7*10-7 5,6*10-7
3 99 1 1 5 1,98*10-8 6,79*10-8 2,85*10-7 7,58*10-7 1,78*10-6 1,97*10-6
4 99 1 3 1 3,19*10-8 7,61*10-8 3,6*10-7 8,44*10-7 2,63*10-6 3,66*10-6
5 99 1 3 3 1,55*10-8 3,32*10-8 2,27*10-7 4,71*10-7 1,3*10-6 1,53*10-6
6 99 1 3 5 4,19*10-9 6,39*10-9 3,16*10-8 8,34*10-8 1,74*10-7 2,17*10-7
7 97 3 3 0,5 1,56*10-8 4,41*10-8 2,17*10-7 5,62*10-7 2,71*10-7 3,97*10-6
8 97 3 3 1 1,43*10-8 1,94*10-8 6,95*10-8 1,47*10-7 5,36*10-7 8,29*10-7


За прототипом
Таблиця. Залежність бdc від температури, См/см
20 °C 40 °C 60 °C 80 °C
10-8 - 10-11 10-7 - 10-10 10-6 - 10-9 10-5 - 10-8


Перелік посилань
1. А.П. Русанов, Д.Ю. Лихачев, К. Мюллен. Электролитические протонпроводящие мембраны на основе ароматических конденсационных полимеров // Успехи химии. - Т. 9. - № 71. - с. 863-876.

2. Высокотемпературные протонпроводящие мембраны на основе комплексов полимеркислот - А.Ю. Лейкин, Е.Г. Булычева, А.П. Русанов, Д.Ю. Лихачев / Высокомолекулярные соединения. 2006. - серия В. - Т. 48. - № 6. - с. 1031-1040.

3. Kyle F Lott, Braja D. Ghosh, Jason Е. Ritchie Understanding the Mtchanism of Ionic Conductivity in an Anhidridos Proton Conducting Electrolite / J. Tlectrochem / Soc. - 2006. - V. 11. - p. 2044 (прототип).

Нами розроблено полімерну композицію як протонпровідний матеріал для паливних елементів з більш високим температурним інтервалом експлуатації (до 130 °С) та більш дешеву в отриманні.

Формула винаходу

Полімерна протонпровідна композиція для паливних елементів на основі полімеру і протонодонора, яка відрізняється тим, що як полімер містить дигліцидиловий ефір поліетиленгліколю (ДЕГ), як протонодонор фосфорвольфрамову гетерополікислоту (ФВК) і додатково кремнійвмісний компонент аеросил (А-175) за такого співвідношення компонентів (мас. ч.):
- дигліцидиловий ефір поліетиленгліколю ................. 97-99
- фосфорвольфрамова гетерополікислота ........ 1 -3
- вода .............. 1-3
- аеросил ............... 1-5.

^

Мы разработали полимерную композицию как протонпроводящие материал для топливных элементов с более высоким температурным интервалом эксплуатации (до 130 °С) и более дешевую в получении.

Формула изобретения

Полимерная протонпроводящие композиция для топливных элементов на основе полимера и протонодонора, которая отличается тем, что в качестве полимера содержит диглицидиловий эфир полиэтиленгликоля (ДЕГ), в качестве протонодонора фосфорвольфрамову гетерополикислоту (ФВК) и дополнительно кремнийсодержащий компонент аэросил (А-175) при следующем соотношении компонентов (масс. ч.):
- диглицидиловий эфир полиэтиленгликоля ............. 97-99
- фосфорвольфрамовая гетерополикислота ........... 1-3
- вода ............... 1-3
- аэросил .............. 1-5.



*



к оглавлению