References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

alternative-482

Research Article

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

HYDROGEN ECONOMY

Электрохимические системы с твердым полимерным электролитом (Научный обзор)

Hydrogen electrochemical systems with solid polymer electrolyte

Григорьев

С. А.

Grigoriev

S. A.

noemail@neicon.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"РоссияFederal State Educational Institution of Higher Professional Education National Research University "Moscow Power Engineering Institute"Russian Federation

2014

23062016

10826

2016

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/482

В обзоре рассмотрены устройство, принцип действия и области применения водородных электрохимических систем на основе твердого полимерного электролита, а также описаны применяемые в них мембранные, электродные и каталитические материалы. Отдельные разделы обзора посвящены электролизерам воды, топливным элементам, бифункциональным системам, концентраторам/компрессорам водорода и генераторам озона, радикалов OH- и тяжелой воды.

A device, operating principle and fields of application of hydrogen electrochemical systems on the basis of solid polymer electrolyte are considered in this review. Separate sections of the review are devoted to water electrolyzers, fuel cells, bifunctional systems, concentrators/compressors of hydrogen and generators of ozone, OH- radicals and heavy water.

водородэлектрохимическая систематвердый полимерный электролитпротонно-обменная мембранаhydrogenelectrochemical systemsolid polymer electrolyteproton-exchange membrane

References1

Григорьев С.А. «Электрохимические системы с твердым полимерным электролитом. Часть I. Общие сведения об электрохимических системах с ТПЭ» // Химическое и нефтегазовое машиностроение, № 8, 2012, стр. 9-12.

Григорьев С.А. «Электрохимические системы с твердым полимерным электролитом. Часть II. Электролизеры воды, бифункциональные элементы и концентраторы водорода» // Химическое и нефтегазовое машиностроение, № 9, 2012, стр. 3-6.

Козлов С.И., Фатеев В.Н. «Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы» / Под ред. Е.П. Велихова, М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. - 520 с.

Легасов В.А., Пономарев-Степной Н.Н., Проценко А.Н и др. Атомно-водородная энергетика (прогноз развития) // Вопросы атомной науки и техники. Cер. Атомно-водородная энергетика. 1976, в. 1, стр. 5-34.

W. Grot “Fluorinated Ionomers” / William Andrew Publishing, 2007, 250 pp.

Chen S., Wu Y. “Gravity effect on water discharged in PEM fuel cell cathode” // International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 2888-2893.

Matsushima H., Nishida T., Konishi Y., Fukunaka Y., Ito Y., Kuribayashi K “Water electrolysis under microgravity” // Electrochimica Acta 48 (2003) 4119-4125.

Wang Y., Mukheijee P.P., Mishler J., Mukundan R., Borup R.L. “Cold start of polymer electrolyte fuel cells: Three-stage startup characterization” // Electrochimica Acta, Volume 55, Issue 8, 1 March 2010, pp. 2636-2644.

S.A. Grigoriev, V. Porembskiy, S. Korobtsev, V.N. Fateev, F. Aupretre, P. Millet “High-pressure PEM water electrolysis and corresponding safety issues” // International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, Issue 3, February 2011, pp. 2721-2728.

Mitsubishi generates 350 bar hydrogen without compressor // Fuel Cells Bulletin, Volume 2004, Issue 6, June 2004, Pages 8-9.

Григорьев С.А. «Синтез и исследования наноструктурных катализаторов для электрохимических систем с твердым полимерным электролитом» // Электрохимическая энергетика, 2009, т. 9, № 1, стр. 18-24.

Gruber D., Ponath N., Müller J., Lindstaedt F. “Sputter-deposited ultra-low catalyst loadings for PEM fuel cells” // Journal of Power Sources, Volume 150, 4 October 2005, pp. 67-72.

Esmaeilifar A., Rowshanzamir S., Eikani M.H., Ghazanfari E. "Synthesis methods of low-Pt-loading electrocatalysts for proton exchange membrane fuel cell systems" // Energy 35 (2010) 3941-3957.

Pantani O., Anxolabehere-Mallart E., Aukauloo A., Millet P. “Electroactivity of cobalt and nickel glyoximes with regard to the electro-reduction of protons into molecular hydrogen in acidic media” // Electrochemistry Communications 9 (2007) 54-58.

Kim J.Y., Oh T.-K., Shin Y., Bonnett J., Weil K.S. “A novel non-platinum group electrocatalyst for PEM fuel cell application” // International Journal of Hydrogen Energy, Volume 36, Issue 7, April 2011, pp. 4557-4564.

A.V. Dolganov, A.S. Belov, V.V. Novikov, A.V. Vologzhanina, A.Mokhir, Y.N. Bubnov, Y.Z. Voloshin, Iron vs Cobalt clathrochelate electrocatalysts of HER: first example on a cage iron complex, Dalton Trans., 2013, 42, 4373 - 4376.

Y.Z. Voloshin, A.V. Dolganov, O.A. Varzatskii, Y.N. Bubnov, Efficient electrocatalytic hydrogen production from the H+ ions using the specially designed boron-capped cobalt clathrochelates, Chem. Commun., 2011, 47, 7737 - 7739.

Smitha B., Sridhar S., Khan A.A. “Solid polymer electrolyte membranes for fuel cell applications - a review” // Journal of Membrane Science, 2005, vol. 259, pp. 10-26.

P. Millet, R. Durand and M. Pineri “Preparation of new solid polymer electrolyte composites for water electrolysis” // International Journal of Hydrogen Energy, 1990, Vol. 15, No. 4, pp. 245-253.

F. Andolfatto, R. Durand, A. Michas, P. Millet and P. Stevens “Solid polymer electrolyte water electrolysis: electrocatalysis and long-term stability” // International Journal of Hydrogen Energy, 1994, Vol, 19, No. 5, pp. 421-427.

C.A. Linkous, H.R. Anderson, R.W. Kopitzke and L. Nelson “Development of new proton exchange membrane electrolytes for water electrolysis at higher temperatures” // International Journal of Hydrogen Energy, 1998, Vol. 23, No. I, pp. 525-529.

O. Savadogo, et al., “Hydrogen/Oxygen Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Based on Acid-Doped Polybenzimidazole (PBI)” // Journal of New Materials for Electrochemical Systems, vol. 3, pp. 343-347, 2000.

И.И. Пономарев, А.Е. Чалых, А.Д. Алиев, В.К. Герасимов, Д.Ю. Разоренов, В.И. Cтадничук, Ив.И. Пономарев, Ю.А. Волкова, А.Р. Хохлов «Дизайн мембранно-электродного блока топливного элемента на полибензимидазольной мембране» // Доклады Академии Наук, 2009, том 429, № 3, с. 350-354.

M. Cavarroc, A. Ennadjaoui, M. Mougenot, P. Brault, R. Escalier, Y. Tessier, J. Durand, S. Roualdis, T. Sauvage, C. Coutanceau “Performance of plasma sputtered fuel cell electrodes with ultra-low Pt loadings” // Electrochemistry Communications 11 (2009) 859-861.

А.А. Федотов, CA. Григорьев, Е.К. Лютикова, В.Н. Фатеев “Плазмохимические методы синтеза электрокатализаторов” // Шорник тезисов Российского конгресса по катализу “РОСКАТАЛИЗ” (Москва, Россия, 3-7 октября 2011 г.), т.1, стр. 108.

S.A. Grigoriev, P. Millet, S.A. Volobuev, V.N. Fateev “Optimization of porous current collectors for PEM water electrolysers” // International Journal of Hydrogen Energy, June 2009, vol. 34, issue 11, pp. 4968-4973.

Tawfika H., Hunga Y., Mahajan D. «Metal bipolar plates for PEM fuel cell-A review» // Journal of Power Sources 163 (2007) 755-767.

Dihrab S.S., Sopian K., Alghoul M.A., Sulaiman M.Y. «Review of the membrane and bipolar plates materials for conventional and unitized regenerative fuel cells» // Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1663-1668.

Nie J., Chen Y., Cohen S., Carter B.D., Boehm R.F. «Numerical and experimental study of threedimensional fluid flow in the bipolar plate of a PEM electrolysis cell» // International Journal of Thermal Sciences 48 (2009) 1914-1922.

Li X., Sabir I. «Review of bipolar plates in PEM fuel cells: Flow-field designs» // International Journal of Hydrogen Energy 30 (2005) 359 - 371.

S.A. Grigoriev, S. Martemianov, V.N. Fateev “Electrodiffusion diagnostics of flow regimes in PEM fuel cells” // Magnetohydrodynamics, 2003, vol. 39, No 4, pp. 479-485.

С.А. Григорьев, В.И. Порембский, В.Н. Фатеев, Р.О. Cамсонов, С.И. Козлов “Получение водорода электролизом воды - современное состояние, проблемы и перспективы”// Транспорт на альтернативном топливе, № 3, 2008, стр. 62-69.

http://www.fuelcellcarnews.com

F. Barbir “PEM fuel cells: theory and practice” / Elsevier Academic Press, 2005, pp. 382-391.

И.А. Баранов, С.В. Коробцев, В.И. Порембский, В.Н. Фатеев “Перспективы использования твердополимерных топливных элементов в авиации” // Сборник тезисов III Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» 30.11.10 - 3.12.10, Москва, ЦИАМ, стр. 427-428.

Grubb Jr W.T. General Electric Company, Fuel cell, US Patent no 2,913,511; November 17th, 1959.

http://www.plugpower.com

http://www.ballard.com

Davenport R.J., Schubert F.H. «Space water electrolysis: space station through advanced missions» // Journal Power Sources. - 1991. - V. 36. pp. 235-250.

Grigoriev S.A., Millet P., Fateev V.N. «Evaluation of carbon-supported Pt and Pd nanoparticles for the hydrogen evolution reaction in PEM water electrolysers» // Journal of Power Sources, vol. 177, issue 2, March 2008, pp. 281-285.

http://www.hamiltonsundstrand.com

http://www.hydrogenics.com

http://www.teledyne.com

http://www.protononsite.com

http://www.nel-hydrogen.com

http://www.ceth.fr

http://www.h-tec.com

F.M. Sapountzi, S.C. Divane, E.I. Papaioannou, S. Souentie, C.G. Vayenas “The role of Nafion content in sputtered IrO2 based anodes for low temperature PEM water electrolysis” // Journal of Electroanalytical Chemistry, Volume 662, Issue 1, 1 November 2011, pp. 116-122.

P. Medina, M. Santarelli “Analysis of water transport in a high pressure PEM electrolyzer” // International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5173-5186.

S. Siracusano, V. Baglio, A. Di Blasi, N. Briguglio, A. Stassi, R. Ornelas, E. Trifoni, V. Antonucci, A.S. Arico “Electrochemical characterization of single cell and short stack PEM electrolyzers based on a nanosized IrO2 anode electrocatalyst” // International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 5558-5568.

M. Yamaguchi, T. Shinohara, H. Honiguchi, H. Nakanori, K. Okisawa “Development of 2500 cm2 FiveCell Stack Water Electrolyzer in WE-NET” // In: Environmental Aspects of Electrochemical Technology, Electrochemical Society Proceedings, vol. 99-39, edited by Eric J. Rudd, Clifford W. Walton, The Electrochemical Society, 2000, pp. 131-142.

Strobel R., Oszcipok M., Fasil M. The compression of hydrogen in an electrochemical cell based on a PEM fuel cell design. J Power Sources 2002; 105: 208-215.

А.В. Козолий, В.И. Костин. «Влияние давления на процесс электролиза воды с деполяризацией анода сернистым ангидридом» // Электрохимическая энергетика. 2010. Т. 10, № 1. C. 34-37.

Grigoriev S.A., Porembsky V.I., Fateev V.N. «Pure hydrogen production by PEM electrolysis for hydrogen energy» // International Journal of Hydrogen Energy, 2006, vol. 31, issue 2, pp. 171-175.

A. Kraft, M. Stadelmann, M. Wunsche, M. Blaschke Electrochemical ozone production using diamond anodes and a solid polymer electrolyte // Electrochemistry Communications 8 (2006) 883-886.

A.A. Babak, R. Amadelli, A. de Batisti and V.N. Fateev «Influence of anions on oxygen/ozone evolution on PbO2/SPE and PbO2/Ti electrodes in neutral pH media» // Electrochimica Acta. Vol. 39, No. 11/12, pp. 1597-1602, 1994.

С.В. Акелькина, А.Б. Величенко, Д.В. Гиренко, Фатеев В.Н. «Влияние модифицирования PbO2 на образование кислорода и озона в системе с твердым полимерным электролитом» // Электpохимия, 1998, т. 34, № 8, с. 904-907.

Озон против CПИДа // «Медицина и Здоровье» 2011 стр. 9-11.

Изотопы: свойства, получение, применение. Под. ред. Баранова В.Ю. М.: Физматлит, 2005, Том 1, стр. 286.

Ivanchuk O.M., Goryanina V.G., Rozenkevich M.B. “Isotopic effects of hydrogen during the decomposition of water in electrolysis with a solid polymer electrolyte” // Atomic Energy, Volume 89, No. 3, 2000, 745-749.

Bone J.S., Gilman S., Niedrach L.W. and Read M.D., in: Proceedings of the Annual Power Source Conf. 14 (1961) p. 47.

Chludzinski P.J., Danzig I.F., Fickett A.P., and Craft D.W., "Regenerative fuel cell development for satellite secondary power," General Electric Company, Technical Report AFAPL-TR-73-34, June 1973.

Mitlitsky F., Myers B., Weisberg A.H., Molter T.M., Smith W.F. “Reversible (unitised) PEM fuel cell devices” // Fuel Cells Bulletin, Volume 2, Issue 11, August 1999, pp. 6-11.

“Funding, demo for regenerative fuel cell”// Fuel Cells Bulletin, November 2004, pp. 7-8.

“Contracts for Proton regenerative fuel cells” // Fuel Cells Bulletin, December 2004, p. 10.

S.A. Grigoriev, P. Millet, K.A. Dzhus, H. Middleton, T.O. Saetre, V.N. Fateev “Design and characterization of bi-functional electrocatalytic layers for application in PEM unitized regenerative fuel cells” // International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, Issue 10, May 2010, pp. 5070-5076.

S.A. Grigoriev, P. Millet, V.I. Porembsky, V.N. Fateev “Development and preliminary testing of a unitized regenerative fuel cell based on PEM Applied Electrochemistry, 1992, Vol. 22, Number 12, pp. 1167-1174.

Pandey R.N. “Catalytic conversion of methane to hythane” // Fuel and Energy Abstracts, Volume 38, Issue 2, March 1997, p. 86.

S.A. Grigoriev, I.G. Shtatniy, P. Millet, V.I. Porembsky, V.N. Fateev “Description and characterization of an electrochemical hydrogen compressor/concentrator based on solid polymer electrolyte technology” // International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, Issue 6, March 2011, pp. 4148-4155.

S.A. Grigoriev, P. Millet, V.I. Porembsky, V.N. Fateev “Development and preliminary testing of a unitized regenerative fuel cell based on PEM technology” // International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, Issue 6, March 2011, pp. 4164-4168.

С.А. Григорьев “Обратимые электрохимические системы с твердым полимерным электролитом” // Электрохимическая энергетика, 2009, Т. 9, № 3, стр. 128-137.

Wong T.Y.H., Girard F. and Vanderhoek T.P.K. Electrochemical SPEFC hydrogen compressor Patent technology” // International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, Issue 6, March 2011, pp. 4164-4168.

Mitlitsky F., Myers B., Weisberg A.H. “Regenerative Fuel Cell Systems” // Energy & Fuels, Vol. 12, No. 1, 1998, pp. 56-71.

Ahn J., Holze R. Bifunctional electrodes for an integrated water-electrolysis and hydrogen-oxygen fuel cell with a solid polymer electrolyte // Journal of WO/2003/075379, 12 September 2003, Applicant: National Research Council of Canada.

А.С. Григорьев, С.А. Григорьев, Д.В. Павлов «Аккумулирование энергии с использованием электролизёров и топливных элементов в установках на основе возобновляемых источников энергии» // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», № 11 (115), 2012, стр. 55-64.

С.А. Григорьев, Н.В. Коровин, Н.В. Кулешов, Ю.А. Славнов «Исследование высокотемпературного топливного элемента с твердополимерным электролитом и определение эффективности работы энергоустановки на его основе» // Электрохимическая энергетика, 2013, т. 13, № 3, стр. 163-169.

N. Mbemba Kiele, C. Herrero, A. Ranjbari, A. Aukauloo, S.A. Grigoriev, A. Villagra, P. Millet “Ruthenium-based molecular compounds for oxygen evolution in acidic media” // International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 38, Issue 20, July 2013, pp. 8590-8596.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.