Композитная мембрана для водородных двигателей

Новую композитную протонообменную мембрану для водородных двигателей разработали ученые из Московского физико-технического института, Центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, МИСИС и Томского политехнического университета вместе с компанией «Инэнерджи». Уникальные армирующие нановолокна позволили повысить прочность и долговечность материала, сохранив его высокую эффективность.

Основа водородной энергетики — преобразование в электричество химической энергии реакции водорода и кислорода с выделением воды в качестве побочного продукта. Важнейшее место в водородном топливном элементе занимает протонообменная мембрана — тонкая полимерная пленка, играющая сразу две роли. С одной стороны, она должна хорошо пропускать через себя протоны (положительно заряженные ядра водорода, H+). С другой стороны, сквозь нее не должны проходить электроны и исходные молекулы водорода и кислорода.

От решения этих двух задач зависит, насколько мощным, долговечным и безопасным будет водородный двигатель. Но справиться с ними не так просто. Чтобы процесс протекал с высокой эффективностью, сквозь мембрану должно проходить как можно больше протонов, поэтому ее необходимо делать максимально тонкой. Но во время работы топливного элемента на материал действуют механические нагрузки, перепады влажности и температур, из-за чего в мембране могут появиться микротрещины. В результате возникает риск утечек взрывоопасного водорода и сбоя двигателя.

Возможный способ укрепления протонообменных мембран — включение в их структуру армирующих волокон из инертных полимеров. Но это «бьет» по эффективности топливного элемента, поскольку такой защитный каркас не проводит протоны и, как следствие, создает «мертвые зоны», не давая мембране работать «на полную мощность».

Новаторское решение разработала команда российских ученых, предложив изготавливать армирующий каркас мембраны из материала, обладающего протонной проводимостью. Инновация позволила найти баланс между эффективностью и механической стойкостью мембраны.

Исследование показало, что внедрение в протонообменные мембраны ионоактивных нановолокон — эффективное решение, позволяющее получать высокопроизводительные, прочные и безопасные топливные элементы для водородной энергетики. Такие конструкции будут лучше показывать себя в жестких условиях, что играет важную роль в сферах автотранспорта и автономного энергоснабжения.

Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Engineering Materials.

Источник: Научная Россия