Об этом сообщил Центр научной коммуникации МФТИ.
Это чрезвычайно важно для водородной энергетики, где существует проблема между производительностью и долговечностью топливных элементов. Разработка обладает уникальным сочетанием свойств - она эффективно проводит ионы водорода и демонстрирует повышенные показатели долговечности и безопасности. По словам заведующей лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ Софии Морозовой, ученым удалось значительно улучшить механические свойства и газобарьерные характеристики, пожертвовав незначительной долей протонной проводимости.
Это достижение открывает путь к созданию топливных элементов с увеличенным ресурсом, способных работать в более жестких условиях. Особую важность это представляет для автомобильного транспорта и систем автономного энергоснабжения.
Топливные элементы являются перспективным способом хранения электрической энергии, где энергия извлекается в результате химических реакций между веществами. Ключевым компонентом таких элементов является специальная мембрана, пропускающая протоны - положительно заряженные ионы водорода.
Свойства мембраны напрямую определяют долговечность и эффективность топливной ячейки. Тонкие мембраны лучше проводят протоны, но хуже сопротивляются нагрузкам и перепадам температур, что повышает риск микротрещин и утечек водорода.
Российские ученые решили эту проблему с помощью принципа самоармирования. Как пояснила С. Морозова, вместо введения в проводящую среду инородных элементов исследователи создали ионоактивный каркас, где волокна одновременно придают жесткость и не создают «мертвых зон» для транспорта протонов.
Эксперименты подтвердили, что новые мембраны лишь незначительно уступают в протонной проводимости, но значительно превосходят аналоги по устойчивости к разбуханию в воде и безопасности.
Нанокомпозитные мембраны на основе иономера типа Aquivion и электропряденых нановолокон на основе сополимеров поливинилиденфторида (ПВДФ) с тетрафторэтиленом (ТФЭ) и иономера типа Aquivion получены методом электропрядения и пропитки жидкой дисперсией иономера Aquivion, которая заполнила все поры между волокнами. Впервые в нетканые электропрядильные маты на основе ПВДФ-ТФЭ введен и систематически испытан иономер с короткой боковой цепью, в том числе в топливном элементе. После технологических операций прессования и вакуумного отжига получилась композитная мембрана, в которой структурная целостность нановолокон ПВДФ-ТФЭ используется для повышения механической прочности и размерной стабильности, а иономер Aquivion обеспечивает протонную проводимость. Aquivion - перфторсульфоновый полимер с высокой способностью проводить протоны.
Определена зависимость протонной проводимости нанокомпозитных мембран, водородопроницаемости и морфологии, и проведено сравнение с мембраной на основе исходного иономера типа Aquivion. Установлено, что нанокомпозитные мембраны демонстрируют небольшое снижение протонной проводимости по сравнению с неармированными мембранами, но улучшенную (т.е. сниженную) проницаемость для водорода и размерную стабильность. Протонная проводимость нанокомпозитных мембран и мембран типа Aquivion составляет 86 и 100 мСм·см−1 соответственно при температуре 80 °C и относительной влажности 100%. Испытания мембраны в составе мембранно-электродной сборки показали повышение производительности по сравнению с исходными мембранами и сопоставимы с показателями коммерческой мембраны Nafion 211. При плотности тока 1,2 А·см−2 композитные мембраны демонстрируют мощность 534 мВт·см−2, что сопоставимо с показателями коммерческой мембраны 571 мВт·см−2.
Интеграция иономерных нановолокон в иономерные мембраны является эффективной стратегией армирования, позволяющей создавать высокопроизводительные топливные элементы и другие ионообменные системы. В перспективе это может привести к созданию более надежных водородных энергетических установок для различных отраслей промышленности.
Автор: А. Шевченко
