Ученые создали важнейший элемент водородных топливных батарей — мембраны, которые станут основой для более экологичной и эффективной энергетики. Новый композитный материал способен надежно преобразовывать химическую энергию водорода и кислорода в электричество при любом уровне влажности, превосходя существующие аналоги. Эта технология ускорит развитие водородного транспорта и робототехники, а также уменьшит зависимость от ископаемого топлива. Подробнее об этом достижении — в статье «Известий».
Переход на водородную энергетикуУченые из Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова Российской академии наук совместно с коллегами предложили инновационный гибридный материал для создания протонообменных мембран — ключевого компонента водородных аккумуляторов. В основе был взят полимер Aquivion, в который добавили неорганические наночастицы кремнезема и цезиевую соль фосфорновольфрамовой кислоты, содержащей фосфор и вольфрам. Эти примеси имеют двойную функцию: они стабилизируют структуру мембраны, ограничивая деформации при изменении влажности, и существенно улучшают ее работу в сухих условиях.
Справка «Известий»Большинство стран стремится к переходу на экологически чистые источники энергии, способствующие снижению выбросов углекислого газа. Одним из многообещающих решений считаются водородные топливные элементы — устройства, преобразующие химическую энергию напрямую в электрическую, при этом образуя лишь воду и тепло без вредных выбросов. Для массового внедрения технологии необходимы долговечные и эффективные материалы для изготовления протонообменных мембран.
Мембраны в топливных элементах выполняют функцию разделения водорода и кислорода. На аноде, который является положительно заряженным электродом, молекулы водорода распадаются на протоны — положительно заряженные частицы, которые проходят через мембрану к катоду, несущему отрицательный заряд. Там протон вступает в реакцию с кислородом, образуя воду, а химическая энергия преобразуется в электрический ток.
Фото: Даниил Голубенко Введение неорганических частиц в мембрану повышает мощность топливного элемента при низкой влажности и стабилизирует ее размеры при изменениях содержания влагиВ настоящее время применяются мембраны на основе перфторсульфополимеров — органических соединений с фтором и серой. Их работа эффективна при достаточном увлажнении, но при снижении влажности до 60% и ниже эффективность снижается из-за ухудшения протонной проводимости. Кроме того, такие мембраны расширяются и сжимаются при изменении влажности, что в итоге ведет к их разрушению. Поэтому ученые ищут пути для улучшения их характеристик.
Фото: Олег Корчагин Трехслойный мембранно-электродный блок
Топливные элементы с новой мембраной продемонстрировали мощность в 3,9–5,3 раза выше по сравнению с традиционными аналогами при влажности всего 30%. Кроме того, данный материал отличается высокой механической стабильностью — его объем практически не изменяется при колебаниях влажности.
— Это существенный шаг на пути к созданию более надежных и высокоэффективных энергетических решений будущего. Разработанный нами материал значительно увеличит срок службы топливных элементов и повысит мощность устройств, сделав водородную энергетику доступнее. В дальнейшем такие технологии помогут уменьшить зависимость от ископаемого топлива и снизить негативное воздействие на окружающую среду, — отметила доктор химических наук, старший научный сотрудник лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН Екатерина Сафронова.
Зеленые технологии будущегоАвторы планируют продолжать усовершенствование свойств подобных мембран, в частности увеличивать их химическую устойчивость в условиях эксплуатации топливных элементов.
Фото: Олег Корчагин Ячейка топливного элемента Electrochem для тестирования мембранно-электродного блокаИсследование является важным этапом в развитии экологически чистой энергетики, рассказал «Известиям» аспирант химико-биологического кластера и младший научный сотрудник Передовой инженерной школы Университета ИТМО Илья Шабалкин. Оно демонстрирует детальную лабораторную проработку и поднимает прикладные вопросы оптимизации работы топливных элементов в реальных условиях.
— Новая мембрана обеспечила мощность в 1,5 раза выше по сравнению с немодифицированной при относительной влажности всего 50%, что является ключевым достижением для практического применения в мобильных и стационарных системах, где сложно контролировать влажность. Это позволит создавать более надежные, эффективные и экономичные топливные элементы и снизить зависимость от ископаемого топлива, — рассказал «Известиям» Илья Шабалкин.
Фото: Олег Корчагин Станция Hydrogenics для тестирования топливных элементовЭксперт отметил, что основные сферы применения новых топливных элементов с разработанной мембраной — водородный транспорт и стационарные энергосистемы. Например, водородные автомобили могут иметь больший запас хода благодаря высокой энергетической плотности водорода в сравнении с дизелем или бензином, а также работать тише за счет электродвигателя. Кроме того, эти технологии способствуют уменьшению нагрузки на окружающую среду, снижая выбросы CO2.
— Такие мембраны применяются в водородно-воздушных топливных элементах с воздушным охлаждением, работающих при низкой влажности или низких температурах. Они функционируют без дополнительной стабилизации влажности и подогрева, что делает разработку особенно важной. Эти топливные элементы находят применение в источниках бесперебойного питания и робототехнике, — подчеркнул эксперт.
Фото: Екатерина Сафронова Двухканальная станция ARBIN для испытаний топливных элементов с оборудованием для измерения электрохимического импеданса SolartronВ работе участвовали специалисты Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина, а также Нью-Йоркского университета в Абу-Даби. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.