Введение 13
1 Литературный обзор 15
1.1 Устройство и принцип работы ТЭ 15
1.2 Мембранно-электродный блок топливного элемента 18
1.3 Роль полимерной мембраны. Особенности и требования 19
1.4 Протонная проводимость мембран 20
1.5 Материалы и методы модификации 22
1.5.1 Выбор исходного полимерного материала 22
1.5.2 Радиационно-химические превращения полимеров 26
1.6 Нанесение углерода на поверхность ПОМ 28
2 Экспериментальная часть 31
2.1 Методы и оборудование исследования 31
2.2 Подготовка образцов 31
2.3 Расчет значений пробега альфа-частиц в эксперименте 32
2.4 Источники излучения, применяемые для радиационно-химической
модификации 37
2.5 Облучение экспериментальных образцов полимерной пленки 41
2.6 Расчет длины пробега электронов в полимерной пленке 42
2.7 Расчет поглощенной дозы при облучении а-частицами и электронами 43
2.8 Радиационно-химическая прививка полимерных пленок 47
2.9 Сульфирование привитых образцов 49
3 Результаты и их обсуждение 51
3.1 Определение степени прививки и сульфирования 51
3.2 Исследование инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии образцов 52
3.3 Измерение обменной емкости и влагопоглощения мембран 54
3.4 Нанесение углеродной фазы на полимерную матрицу. Морфологические
характеристики ПП 56
3.5 Измерение импеданса полимерных мембран 58
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 61
4.1 Предпроектный анализ 61
4.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 62
4.3 SWOT-анализ 63
4.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 66
4.5 Инициация проекта 68
4.6 Организационная структура проекта 69
4.7 Планирование управления научно-техническим проектом 71
4.8 Контрольные события проекта 72
4.9 Бюджет научного исследования 74
Выводы 84
Заключение 85
Список публикаций 86
Список использованных источников 88
Приложение А 92
Приложение Б 106
На сегодняшний день промышленно развитые страны все чаще сталкиваются с проблемами, связанными с производством, использованием и экологическими последствиями традиционных сырьевых ресурсов в энергетике и на транспорте [1].
Выброс большого количества токсичных отходов вследствие привычных методов использования энерго-ресурсов отрицательно влияет на окружающую среду, ведет к необратимым климатическим изменениям. Также нужно учитывать, что запасы ископаемых источников энергии на планете ограничены [2]. Это обусловило большой интерес к использованию водорода в качестве универсального энергоносителя для стационарных и мобильных энергоустановок.
В настоящее время работы в области водородных технологий рассматривается в качестве одной из самых многообещающих технологий получения экологически чистой и энергетически эффективной энергии 21-ом веке.
Огромный интерес представляют низкотемпературные полимерные топливные элементы, которые потенциально могут стать ключевой составляющей водородной энергетики. ТЭ на полимерных мембранах, могут стать широко востребованными в самых различных транспортных средствах в качестве источника энергии двигателя. К тому же полимерные топливные элементы (ПТЭ) являются экологически чистыми источниками энергии. Перспективность их использования заключается в их исключительно высоких показателях КПД и практичности.
Главной составляющей ПТЭ является протон-проводящая мембрана (ПОМ) на основе полимерных материалов. ПОМ должна обладать определенными техническими характеристиками: высокая протонная проводимость, химическая стойкость и термической стабильность. Этим требованиям удовлетворяют ПОМ производства американской фирмы DuPont, реализующая свою продукцию под маркой «Nafion». Однако большим минусом этих мембран является низкая химическая стабильность к образованию пероксидов, не высокая рабочая температура 90°Си высокая коммерческая цена 890$ за м2. Очевидно, что для массового внедрения ПТЭ целесообразно создание аналогов мембран типа «Nafion», которые обладали теми же техническими характеристиками и были коммерчески доступными.
В настоящей выпускной квалификационной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований в формировании протон-проводящих свойств полимерной пленки ПВДФ и 1111 методом радиационно-химической модификации. Таким образом, исследовано влияние ионизирующего излучения (электронами и альфа-частицами) на полимерный материал с последующим сульфированием привитого мономера и их рабочих характеристик. Выбраны оптимальные условия для придания полимерной пленки протон-проводящих свойств.
Целью данной работы является исследование процесса радиационнохимической модификации полимерных пленок полипропилена на пост-эффекте для формирования протон-проводящих свойств.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие
задачи:
1. Исследовать влияние излучения ионов 4He и электронов на процесс изменения структуры и свойств полимерной матрице ПП;
2. Исследовать влияние дозы (D) облучения на степень прививки (G) полимера при пост-эффектном способе, получить экспериментальную зависимость G=f(D);
3. Сформировать и исследовать протон-проводящие свойства ПП путем РХП мономеров с последующим сульфированием;
4. Получены экспериментальные образцы ПОМ и исследованы рабочие характеристики. Определены оптимальные условия ПОМ.
Получены экспериментальные сульфосодержащие полимерные мембраны на основе полипропилена путем радиационно-химической прививки акриловой кислоты и последующего сульфирования с применением ионизирующего излучения альфа-частиц и электронов. Получены экспериментальные образцы мембраны полипропилена с обменной емкостью 2,3 мг-экв/г и протонной проводимостью 0,247 Омсм при комнатной температуре относительной влажности 85%.
Показано, что присутствие кислорода в прививочном растворе 20 % мономера акриловой кислоты растворенного в воде не влияет на степень прививки. Установлено, что при введении в раствор для сульфирования допанта хлорсульфоновой кислоты влияет на степень сульфирования и увеличивает ее массу.
Установлено, что методом магнетронного распыления нанесение углерода толщиной 50 нм уменьшает вклад электронной составляющей (поверхности потока) в протонную проводимость.
По результатам диссертационной работы было опубликовано 8 статей, сделано 3 доклада на научно-технической конференции, получен диплом второй степени. В результате проведенных экспериментов получены полипропиленовые протон-проводящие мембраны, которые планируется использовать для создания мембранно-электродного блока.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
