Специалисты из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН совместно с коллегами из НИУ «Высшая школа экономики», Санкт-Петербургского Политехнического Университета Петра Великого и китайского Университета имени Сунь Ятсена предложилиexternal link, opens in a new tab способ повышения стабильности протонпроводящих мембран для топливного элемента, что позволит продлить срок службы устройств, снизить себестоимость вырабатываемой энергии и таким образом приблизить переход к водородной энергетике.
Водородные топливные элементы рассматриваются в качестве основной альтернативы двигателям внутреннего сгорания для транспортных средств различного класса. «Сердцем» таких топливных элементов является протонпроводящая мембрана (электролит), которая служит для разделения топлива и переноса протона от положительно заряженного электрода к отрицательно заряженному электроду. Обычно для этого используют фторсодержащий полимер с сульфогруппами, обеспечивающими перенос протонов. Но такие топливные элементы недолговечны. Решением может стать повышение химической стабильности мембраны.
Авторы представили результаты исследования стабилизации перфторсульфополимеров, произведенных в России, за счет обработки их фтором. Воздействие фтором позволило перевести уязвимые для атаки радикалов группы в более стабильное состояние. Полученные из обработанного материала мембраны показали характеристики, сопоставимые с таковыми для коммерческого аналога иностранного производства, причем мощность элемента на новой лабораторной мембране на 20 % выше, чем у аналога.
«Синтезированный полимер содержит некоторое химические связи, уязвимые к воздействию свободных радикалов. Если из такого материала сразу изготовить мембрану, со временем ее свойства начнут ухудшаться: толщина будет уменьшаться, а функциональные группы, обеспечивающие протонный транспорт, — разрушаться. В результате мощность топливного элемента падает, а срок его службы сокращается. Фторирование стабилизирует слабые связи и делает их устойчивыми к атаке радикалов. Мембраны, полученные из такого полимера, демонстрируют повышенную стабильность и сохраняют свои свойства в течение длительного времени. Наша разработка позволяет значительно увеличить ресурс топливных элементов, что снижает стоимость вырабатываемой энергии. Это важный шаг на пути к массовому внедрению водородных технологий, которые могут стать основой чистой и эффективной энергетики будущего», — рассказала один из авторов исследования, доктор химических наук Екатерина Сафронова, старший научный сотрудник лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН, возглавляемой академиком РАН А.Б. Ярославцевым.
Результаты показывают, что фторирование может значительно улучшить стабильность протонпроводящих мембран в условиях эксплуатации водородно-воздушных топливных элементов. В дальнейшем планируется возможность получения такого типа мембран большого размера.
Исследование выполнено в рамках государственного задания.