Создана долговечная наномембрана для водородных топливных элементов

МОСКВА, 20 ноября. /ТАСС/. 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.