Отечественная разработка способна значительно повысить эффективность и долговечность топливных элементов. Рассмотрим, какие преимущества она предлагает в сравнении с уже существующими аналогами.
Специалисты из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН в сотрудничестве с коллегами разработали новый тип мембран для водородных топливных элементов. Этот материал состоит из фторполимера с сульфатными группами, дополненного частицами диоксида кремния и неорганическими кислотами. Подобное сочетание обеспечивает эффективное преобразование химической энергии водорода и кислорода в электрическую, даже при различных уровнях влажности окружающей среды, сообщается на сайте Российской академии наук.
Мембраны в водородных топливных элементах играют ключевую роль, так как они отделяют водород от кислорода. На аноде, который является положительным электродом, молекулы водорода расщепляются на положительно заряженные протоны. Затем протоны проходят через мембрану к катоду, отрицательному электроду. На катоде происходит реакция между протонами и кислородом, в результате которой образуется вода. Химическая энергия этого процесса преобразуется в электричество.
На сегодняшний день применяются мембраны, основанные на перфторсульфополимерах — особых материалах, содержащих атомы фтора и серы. Они показывают высокую эффективность при достаточной влажности окружающей среды. Когда уровень влажности падает ниже 60%, их способность проводить протоны значительно снижается, что негативно отражается на производительности топливных элементов. Кроме того, изменение уровня влаги вызывает деформацию материала: мембрана сначала расширяется, затем сжимается, что постепенно приводит к физическому износу и ухудшению ее свойств.
Российские эксперты представили гибридный материал, созданный на основе известного полимера Aquivion. Он используется для производства протонообменных мембран. К этому полимеру добавили неорганические вещества: наночастицы кремнезема и цезиевую соль фосфорновольфрамовой кислоты. Эти компоненты усилили структуру мембраны, минимизируя изменения ее размеров при колебаниях влажности, и улучшили эксплуатационные характеристики при низкой влажности.
Ученые провели испытания новой мембраны на предмет её способности пропускать протоны. Установлено, что топливные элементы с такими мембранами продемонстрировали в 3,9–5,3 раза большую выходную мощность по сравнению с традиционными материалами при работе в условиях низкой влажности (примерно 30%). Также было обнаружено значительное улучшение механической стабильности нового материала. Его объем оставался практически неизменным, несмотря на колебания уровня влажности.
Таким образом, российское изобретение может существенно увеличить срок службы водородных топливных элементов и значительно повысить их производительность, что сделает водородную энергетику более доступной. Применение подобных разработок в будущем позволит сократить потребность в традиционных видах топлива и снизить негативное воздействие на окружающую среду.
Фото: hi-tech.mail.ru