Ученые разработали новый тип мембран для водородных топливных элементов, которые могут стать ключом к более эффективной и экологичной энергетике будущего. Предложенный материал представляет собой фторполимер с сульфогруппами и добавками кремнезема и неорганической кислоты. Он эффективно превращает химическую энергию водорода и кислорода в электричество как при высокой, так и при низкой влажности, благодаря чему оказывается лучше аналогов, требующих увлажнения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.
Введение в мембрану неорганических частиц позволяет повысить мощность топливного элемента, в том числе при низкой влажности, а также повышает стабильность ее размеров при изменении содержания воды. Источник: Даниил Голубенко.
Большинство стран стремятся перейти к экологически чистой энергетике, которая поможет сократить выбросы углекислого газа в атмосферу. Одно из перспективных решений — водородные топливные элементы. Эти устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую, не производят вредных выбросов — в результате работы, помимо электричества, они образуют только воду и тепло. Но чтобы эта технология стала массовой, ученым нужно решить важную проблему: создать долговечные и эффективные материалы для ключевого компонента топливных элементов — протонообменных мембран. Такие мембраны в топливных элементах разделяют топливо: водород и кислород. На аноде (положительно заряженном электроде) молекулы водорода расщепляются до положительно заряженных частиц — протонов, которые через мембрану должны поступить к катоду (отрицательно заряженному электроду). Там в результате реакции между протоном и кислородом образуется вода, а химическая энергия этого процесса преобразуется в электрическую.
Сейчас используются мембраны на основе перфторсульфополимеров — фтор- и серосодержащих органических соединений. Такие материалы хорошо работают при достаточном увлажнении, но теряют эффективность, когда влажность уменьшается до 60% и ниже из-за того, что хуже проводят протоны. Кроме того, они расширяются и сжимаются при изменении влажности, что со временем приводит к их разрушению. Поэтому ученые ищут способ улучшить свойства таких мембран.
Ячейка топливного элемента Electrochem для испытания мембранно-электродного блока. Источник: Олег Корчагин.
Исследователи из Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН (Москва) с коллегами предложили гибридный материал на основе широко используемого для создания протонообменных мембран полимера Aquivion. Авторы добавили в этот материал неорганические компоненты — наночастицы кремнезема и цезиевую соль фосфорновольфрамовой кислоты (соединения, содержащего фосфор и вольфрам). Эти добавки выполняли сразу две важные функции: во-первых, они стабилизировали структуру мембраны, ограничивая изменение размеров материала при колебании влажности, а во-вторых, улучшили эффективность ее работы в сухих условиях.
Станция Hydrogenics для испытания топливных элементов. Источник: Олег Корчагин.
Затем авторы протестировали способность полученных мембран пропускать через себя протоны. Топливные элементы с новыми мембранами продемонстрировали в 3,9–5,3 раза большую мощность по сравнению с традиционными аналогами при низкой влажности (30%). Кроме того, предложенный материал оказался гораздо стабильнее механически — его объем при разной влажности практически не менялся.
«Это важный шаг к созданию более надежных и эффективных энергетических систем будущего. Наша разработка может значительно продлить срок службы топливных элементов и повысить мощность устройств, сделав водородную энергетику более доступной. В перспективе такие технологии помогут сократить зависимость от ископаемого топлива и снизить вредное воздействие на окружающую среду», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Сафронова, доктор химических наук, старший научный сотрудник лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН.
Авторы планируют и дальше улучшать характеристики аналогичных мембран, в частности, повышать их химическую устойчивость при работе в топливном элементе.
В исследовании принимали участие сотрудники Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва), Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина (Москва) и Нью-Йоркского университета в Абу-Даби (ОАЭ).
Российский научный фонд
*** Российский научный фонд создан в 2013 году по инициативе Президента России. РНФ поддерживает значимые фундаментальные и прикладные исследования в интересах науки, экономики и общества.
На основе компетентной экспертизы Фонд выявляет наиболее перспективные научные проекты, поддерживает молодое поколение исследователей и стимулирует интерес общества к науке.
С 2014 года Фонд поддержал более 23 тысяч проектов на общую сумму более 265 миллиардов рублей. В работе над проектами приняли участие 80 тысяч исследователей из 84 регионов России.
