Новая мембрана улучшит топливные элементы для водородной энергетики

Международный коллектив исследователей из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Университета имени Сунь Ятсена (Гуанчжоу, КНР) и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого использовал первые образцы российского фторполимера с сульфогруппами, полученные компанией ООО «МТБ Технолоджи», аналог используемого во всем мире материала Nafion. Его предварительная обработка фтором позволила повысить устойчивость материала к перекисным радикалам, выделение которых возможно в ходе работы топливного элемента, сообщили в пресс-службе Минобрнауки России.

Комплекс мероприятий по снижению выбросов углерода и других парниковых газов в атмосферу, которые образуются в процессе сжигания ископаемого топлива (процесс декарбонизации) требует радикального пересмотра источников энергии и перехода от традиционного сжигаемого топлива к различным альтернативным источникам. 

Топливные элементы считаются основными кандидатами в качестве альтернативы двигателей внутреннего сгорания для транспортных средств различного класса, в частности, легковых автомобилей, городских и магистральных грузовых машин, автобусов, водного транспорта и так далее. Протонпроводящая мембрана (электролит) — является «сердцем» топливного элемента и служит для разделения топлива и переноса протона от положительно заряженного электрода к отрицательно заряженному электроду. 

В качестве такой мембраны используют фторсодержащий полимер с сульфогруппами, обеспечивающими перенос протонов. Одним из сдерживающих факторов использования топливных элементов — недостаточный срок их эксплуатации. Решением такого вопроса может служить повышение химической стабильности мембраны.

Российиско-китайский коллектив представил результаты исследования стабилизации перфторсульфополимеров, произведенных в России, за счет обработки фтором. Воздействие фтором позволило перевести уязвимые для атаки радикалов группы в более стабильное состояние. Полученные из обработанного материала протонпроводящие мембраны показали характеристики, сопоставимые с таковыми для коммерческого аналога иностранного производства. Мощность топливного элемента на новой разработанной лабораторной мембране на 20 % выше, чем на применяемом аналоге.

«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. Чтобы решить эту проблему, мы предложили метод обработки полимера фтором. 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 доктор химических наук Екатерина Сафронова, старший научный сотрудник лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН, возглавляемой академиком РАН Андреем Ярославцевым.

По словам ученых, фторирование может значительно улучшить стабильность протонпроводящих мембран в условиях эксплуатации водородно-воздушных топливных элементов. Исследование вносит существенный вклад в разработку российских протонпроводящих мембран на основе полимера, полученного компанией ООО «МТБ Технолоджи», для топливных элементов и электролизеров воды. В дальнейшем планируется возможность получения такого типа мембран большого размера.

Результаты исследования, выполненного в рамках государственного задания ИОНХ РАН, опубликованы в журнале Polymer degradation and stability.