Как улучшенные гибридные мембраны ускорят создание водородного транспорта и робототехники

Ученые разработали ключевой компонент водородных топливных элементов — мембран, которые могут стать основой для более эффективной и экологичной энергетики. Новый материал эффективно преобразует химическую энергию водорода и кислорода в электричество при любой влажности, превосходя существующие аналоги. Технология позволит ускорить разработку водородного транспорта и робототехники, а также снизит зависимость от ископаемого топлива. Подробнее об инновации — в материале «Известий».

Переход на водородную энергетику

Исследователи из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН совместно с коллегами предложили новый гибридный материал для создания протонообменных мембран — одного из ключевых элементов водородных аккумуляторов. Они взяли за основу известный полимер Aquivion, добавив в него неорганические наночастицы кремнезема и цезиевую соль фосфорновольфрамовой кислоты (соединения, содержащего фосфор и вольфрам). Эти добавки выполняют сразу две важные функции: стабилизируют структуру мембраны, ограничивая ее деформацию при колебаниях влажности, и значительно повышают эффективность ее работы в сухих условиях.

Справка «Известий»

Большинство стран стремятся перейти к экологически чистой энергетике, которая поможет сократить выбросы углекислого газа в атмосферу. Одно из перспективных решений — водородные топливные элементы. Эти устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую, не производят вредных выбросов — в результате работы помимо электричества они образуют только воду и тепло. Но чтобы эта технология стала массовой, ученым нужно решить важную проблему: создать долговечные и эффективные материалы для изготовления протонообменных мембран.

Мембраны в топливных элементах служат разделителем для водорода и кислорода. На аноде (положительно заряженном электроде) молекулы водорода расщепляются до положительно заряженных частиц — протонов, которые через мембрану должны поступить к катоду (отрицательно заряженному электроду). Там они вступают в реакцию с кислородом, в результате чего образуется вода, а химическая энергия преобразуется в электричество.

Введение в мембрану неорганических частиц позволяет повысить мощность топливного элемента, в том числе при низкой влажности, а также повышает стабильность ее размеров при изменении содержания воды

Сейчас используются мембраны на основе перфторсульфополимеров — фтор- и серосодержащих органических соединений. Такие материалы хорошо работают при достаточном увлажнении, но теряют эффективность, когда влажность уменьшается до 60% и ниже, из-за того, что хуже проводят протоны. Кроме того, они расширяются и сжимаются при изменении влажности, что со временем приводит к их разрушению. Поэтому ученые ищут способ улучшить свойства таких мембран.

Топливные элементы с новыми мембранами продемонстрировали в 3,9–5,3 раза большую мощность по сравнению с традиционными аналогами при низкой влажности (30%). Кроме того, предложенный материал оказался гораздо стабильнее механически — его объем при разной влажности практически не менялся.

— Это важный шаг к созданию более надежных и эффективных энергетических систем будущего. Наша разработка может значительно продлить срок службы топливных элементов и повысить мощность устройств, сделав водородную энергетику более доступной. В перспективе такие технологии помогут сократить зависимость от ископаемого топлива и снизить вредное воздействие на окружающую среду, — сказала доктор химических наук, старший научный сотрудник лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН Екатерина Сафронова.

Зеленые технологии будущего

Авторы планируют и дальше улучшать характеристики аналогичных мембран, в частности, повышать их химическую устойчивость при работе в топливном элементе.

Исследование — важный шаг в переходе к экологически чистой энергетике будущего, рассказал «Известиям» аспирант химико-биологического кластера, младший научный сотрудник Передовой инженерной школы Университета ИТМО Илья Шабалкин. Оно не только демонстрирует глубокую лабораторную проработку, но и поднимает важные прикладные вопросы оптимизации работы топливных элементов в реальных условиях.

— Новая мембрана показала в 1,5 раза большую мощность по сравнению с немодифицированной при относительной влажности всего 50% — критически важное достижение для практического использования в мобильных и стационарных системах, где контроль за влажностью затруднен. Это позволит создавать более надежные, производительные и энергоэффективные топливные элементы и снизить зависимость от ископаемого топлива, — сказал он «Известиям».

В числе основных областей применения новых топливных элементов с разработанной мембраной специалист назвал водородный транспорт или стационарные электросистемы. Например, такие автомобили потенциально имеют больший запас хода за счет большей энергетической плотности водорода на грамм в сравнении с дизелем или бензином. Кроме того, они издают меньше шума из-за наличия электродвигателя. Также подобные технологии могут помочь снизить нагрузку на экологию за счет снижения выбросов CO2, отметил Илья Шабалкин.

— Сфера применения таких мембран — водородно-воздушные топливные элементы с воздушным охлаждением, работающие при низкой влажности или низких температурах. Они служат без дополнительной стабилизации влажности и подогрева, что делает такие работы актуальными. Сфера применения таких топливных элементов — источники бесперебойного питания и робототехника, — сказал эксперт.

В работе принимали участие сотрудники национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина и Нью-Йоркского университета в Абу-Даби. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.

Мария Недюк

https://iz.ru/1933043/maria-neduk/zaradka-po-umu-v-rf-sozdaut-batarei-dla-zelenoi-energetiki-budusego