Новый подход к повышению эффективноститопливных элементов для водородной энергетики.
Международный коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Университета имени Сунь Ятсена и Санкт-Петербургского Политехнического Университета Петра Великого предложили способ повысить стабильность протонпроводящих мембран для топливного элемента, что позволит продлить срок службы устройств, снизить себестоимость вырабатываемой энергии и таким образом приблизить переход к водородной энергетике. Коллектив 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. Результаты исследования, выполненного в рамках государственного задания ИОНХ РАН, опубликованы в журнале «Polymerdegradationandstability».
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 являются 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 др. 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 используется фторсодержащий полимер с сульфогруппами, обеспечивающими перенос протонов. Одним из сдерживающих факторов использования топливных элементов является недостаточный срок их эксплуатации. Решением такого вопроса может служить повышение химической стабильности мембраны.
Ученые из России и Китая представили 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. Особенно следует отметить, что мощность топливного элемента на новой разработанной лабораторной мембране на 20% выше, чем на применяемом аналоге.
Екатерина Сафронова и Анжелика Бедарькова
«Синтезированный полимер содержит некоторое химические связи, уязвимые к воздействию свободных радикалов. Если из такого материала сразу изготовить мембрану, со временем её 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 Сафронова Екатерина Юрьевна, старший научный сотрудник Лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН, возглавляемой академиком РАН Ярославцевым А.Б.
Формирование мембраны методом полива. (фото предоставлено Анжеликой Бедарьковой)
Протонпроводящая мембрана для топливного элемента. (фото предоставлено Екатериной Сафроновой)
Мембранно-электродный блок топливного элемента. (фото предоставлено Анжеликой Бедарьковой)
Результаты исследования показывают, что фторирование может значительно улучшить стабильность протонпроводящих мембран в условиях эксплуатации водородно-воздушных топливных элементов. По словам авторов, 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.
Источник: Safronova E.Yu., Bedarkova A.O., Novikova S.A., Yurova P.A., Pashkevich D.S., Kambur P.S., Meng Yu., Yaroslavtsev A.B. Perfluorosulfonic acid polymer membrane with increased chemical stability for hydrogen-air fuel cell. Polymer degradation and stability. 2025. V. 240. Art.N 111477. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2025.111477
Пресс-релиз подготовлен ИОНХ РАН для проекта «Виртуальный музей химии: продолжение осмотра» при грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий». Проект выполняется в рамках Десятилетия науки и технологий.