В России создали гибридную мембрану для водородной энергетики
Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН совместно с коллегами создали инновационный вид мембран для водородных топливных элементов. Новый материал состоит из фторполимера с сульфатными группами, дополненного частицами диоксида кремния и неорганическими кислотами. Такой состав обеспечивает эффективное преобразование химической энергии водорода и кислорода в электрический ток даже при различных уровнях влажности среды, говорится на сайте Российской академии наук.
Мембраны в водородных топливных элементах очень важны. Они служат разделителем между водородом и кислородом. На аноде, являющемся положительным электродом, молекулы водорода расщепляются на положительно заряженные протоны. Затем протоны проходят через мембрану к катоду, отрицательно заряженному электроду. На катоде происходит реакция между протонами и кислородом, результатом которой становится образование воды. Химическая энергия этого процесса преобразуется в электричество.
Сегодняшняя практика предполагает применение мембран на основе перфторсульфополимеров — специальных материалов, содержащих атомы фтора и серы. Они демонстрируют высокую производительность при условии достаточной увлажненности окружающей среды. Когда влажность ниже отметки 60%, их способность проводить протоны резко ухудшается, что негативно сказывается на производительности топливных элементов. Помимо этого, изменение уровня влаги вызывает деформацию материала: мембрана сначала расширяется, а потом сжимается, что постепенно ведет к ее физическому износу и деградации свойств.
Российские специалисты представили гибридный материал, созданный на основе популярного полимера Aquivion. Его применяют для изготовления протонообменных мембран. К этому полимеру были добавлены неорганические вещества: наночастицы кремнезема и цезиевую соль фосфорновольфрамовой кислоты. Эти компоненты укрепили структуру мембраны, минимизируя изменения ее размера при колебаниях влажности, и повысили эксплуатационные характеристики в условиях пониженной влажности.
Ученые провели испытания новой мембраны на предмет способности пропускать протоны. Установлено, что топливные элементы, оснащенные такими мембранами, показали в 3,9−5,3 раза большую выходную мощность по сравнению с классическими материалами при работе в условиях низкой влажности (около 30%). Дополнительно было выявлено значительное улучшение механической стабильности нового материала. Его объем оставался практически неизменным независимо от колебаний уровня влажности.
Таким образом, отечественное изобретение может существенно увеличить продолжительность работы водородных топливных элементов и заметно поднять их производительность, сделав водородную энергетику более доступной. Использование подобных разработок в будущем даст возможность минимизировать потребность в традиционных видах топлива и снизит негативное влияние на окружающую среду.
