Как продлить срок службы топливных элементов и мощность устройств?
Международный коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Центра водных исследований Нью-Йоркского университета в Абу-Даби, Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина разработал новый тип мембран для топливных элементов, которые могут стать ключом к более эффективной и экологичной энергетике будущего. Результаты работы, опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.
В борьбе за экологически чистую энергию водородные топливные элементы занимают особое место. Эти устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую, практически не производят вредных выбросов — только воду и тепло. Но чтобы эта технология стала по-настоящему массовой, ученым нужно решить одну важную проблему: создать долговечные и эффективные материалы для ключевого компонента топливных элементов — протонообменных мембран. Сейчас используются протонпроводящие мембраны на основе перфтосульфополимеров. Обычные мембраны на их основе хорошо работают при высокой влажности, но теряют эффективность, когда воздух становится сухим. Кроме того, они расширяются и сжимаются при изменении влажности, что со временем приводит к их разрушению.
Группа ученых из Москвы и Абу-Даби нашла оригинальное решение этой проблемы. Они создали гибридный материал на основе полимера Aquivion с высоким содержанием сульфогрупп, добавив в него неорганические компоненты — наночастицы кремнезема и специальную цезиевую соль фосфорновольфрамовой кислоты. Как объясняет доктор химических наук Екатерина Сафронова из ИОНХ РАН, эти добавки выполняют сразу две важные функции: во-первых, они стабилизируют структуру мембраны, ограничивая изменение размеров материала при изменении влажности, а во-вторых, улучшают протонную проводимость в сухих условиях.
«Результаты впечатляют: топливные элементы с новыми мембранами демонстрируют в 1,5 раза большую мощность по сравнению с традиционными аналогами при низкой влажности и при этом гораздо стабильнее механически. Это важный шаг к созданию более надежных и эффективных энергетических систем будущего», — рассказала Екатерина. Авторы планируют работать над дальнейшим улучшением эксплуатационных характеристик аналогичных мембран, в частности, повышением химической устойчивости при работе в топливном элементе.
Это открытие, поддержанное Российским научным фондом (№ 21-73-10149), может значительно продлить срок службы топливных элементов и мощность устройств, сделав водородную энергетику более доступной. В перспективе такие технологии помогут сократить зависимость от ископаемого топлива и снизить вредное воздействие на окружающую среду.
Рисунок. Допирование мембраны неорганическими частицами позволяет повысить мощность топливного элемента, в том числе при низкой влажности, а также повышает стабильность ее размеров при гидратации/дегидратации (авторсхемы – Даниил Голубенко).
Источник: E. Safronova, N. Stretton, O. Korchagin, D. Golubenko, N. Hilal, A. Yaroslavtsev. Hybrid Aquivion® membranes doped by SiO2 and CsxH3—xPW12O40 with improved dimensional stability for proton exchange membrane fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy. 2025. V. 145. P. 1120-1133. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.06.144.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.06.144
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