Создана долговечная наномембрана для водородных топливных элементов

Такая разработка позволит ученым повысить эффективность работы топливных элементов на базе водорода.

Российские исследователи создали композитную протонообменную мембрану на базе нановолокон, которая одновременно эффективно пропускает через себя ионы водорода и при этом отличается высоким уровнем долговечности и безопасности. Ее разработка позволит ученым повысить эффективность работы топливных элементов на базе водорода, сообщил Центр научной коммуникации МФТИ.

«Нам удалось существенно улучшить механические свойства и газобарьерные характеристики, пожертвовав лишь небольшой долей протонной проводимости. Это позволяет создавать топливные элементы с увеличенным ресурсом, которые смогут работать в более жестких условиях, что особенно важно для автомобильного транспорта и систем автономного энергоснабжения», — заявила заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ Софья Морозова, чьи слова приводит Центр научной коммуникации вуза.

Топливные элементы представляют собой один из относительно новых способов хранения электрической энергии, в которых энергия извлекается в результате химических реакций между двумя наборами химических веществ. Они состоят из емкостей, насосов, наборов электродов и специальной мембраны, позволяющей веществам вступать в реакции друг с другом благодаря тому, что мембрана пропускает через себя протоны — положительно заряженные ионы водорода.

Как объясняют исследователи, свойства этой мембраны определяют долговечность и эффективность топливной ячейки. Как правило, чем тоньше мембрана, тем меньше она мешает движению протонов и тем лучше ячейка извлекает энергию из топлива, однако в результате этого она хуже сопротивляется действию нагрузок и перепадов температур и влажности. Это повышает риск появления микротрещин и утечек водорода, что может вывести устройство из строя.

Бескомпромиссная наномебрана для водородной энергетики

В теории, этот риск можно уменьшить, если внедрить армирующие полимерные волокна в мембрану, однако это ухудшает ее способность пропускать протоны и заставляет инженеров обменивать производительность на надежность или наоборот. Российские материаловеды разработали материал, который лишен подобных компромиссов, для чего ученые создали армирующие нановолокна из смеси прочного фторполимера и ионопроводящего вещества, способные транспортировать протоны.

«Наша идея заключалась в создании так называемого самоармирования. Вместо того чтобы вводить в проводящую среду инородный элемент, мы сделали сам каркас ионоактивным. Волокна придают мембране жесткость и устойчивость к разбуханию, а поскольку они сами содержат иономер, то не создают «мертвых зон» для транспорта протонов. Это позволило нам обойти классический компромисс и получить материал, прочный и эффективный одновременно», — добавила Морозова.

В частности, проведенные учеными эксперименты показали, что созданные ими мембраны лишь незначительно уступали конструкциям из чистого ионопроводящего материала в способности транспортировать протоны и в КПД работы топливных элементов, однако при этом она гораздо меньше разбухала в воде и отличалась значительно меньшим риском утечки водорода. В перспективе, это позволит значительно повысить долговечность и безопасность водородных энергетических установок, подытожили ученые.

Источник: Пресс-служба МФТИ