Водородно-воздушные топливные элементы — экологически безопасный и эффективный альтернативный источник энергии. Топливный элемент состоит из электродов, между которыми расположена протон-проводящая мембрана. Для роста эффективности этой технологии немаловажно повышение ее эксплуатационных характеристик. Ученые МФТИ, ФИЦ ПХФ и МХ РАН, МГТУ им. Н. Э. Баумана совместно с сотрудниками компании ИнЭнерджи предложили повысить механическую прочность мембран путем оптимального отжига. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.
Топливные элементы на основе протонообменных мембран представляют собой активно развивающуюся технологию. Наиболее эффективны иономерные мембраны на основе перфторированной сульфоновой кислоты. Они особенно востребованы из-за их высокой химической стойкости к кислороду. Но эти мембраны имеют низкую механическую прочность. Для решения данной проблемы группа российских ученых провела ряд экспериментов.
«Для водородной энергетики чрезвычайно важны характеристики исходных материалов, в частности протон-проводящих мембран. Мы в данной работе изучали влияние условий отжига мембран на характеристики топливных элементов и нашли способ улучшения характеристик, позволяющий получать мембраны сопоставимые, а иногда и превосходящие по показателям зарубежные коммерческие мембраны», — рассказал об исследовании Сергей Голубков, младший научный сотрудник лаборатории технологий ионообменных мембран МФТИ.
В ходе экспериментов ученые выяснили, что отжиг мембран при температурах 140, 150 и 160 °C, то есть выше температуры стеклования пленок, существенно влияет на структурные параметры, в частности, на размер каналов, образованных гидрофильными сульфокислотными группами.
«Существует множество видов водородо-воздушных топливных элементов, но мы сфокусировались на том, который работает с полимерной мембраной — одном из наиболее перспективных для использования на транспорте. Особенность этих перфторированных мембран в том, что у них высокая химическая стойкость, что обуславливается высокой энергией связи C–F, и относительно высокая ионная проводимость по сравнению с обычными полимерами. Но в то же время ионная проводимость недостаточно высокая относительно жидких электролитов, и все усилия ученых в этой области направлены на то, чтобы ее повысить, не затронув механические свойства», — отметила Татьяна Стаценко, младший научный сотрудник лаборатории технологий ионообменных мембран МФТИ.
Проводимость зависит от наноструктуры в мембране. Полимер состоит из двух частей: политетрафторэтилен, кристаллический и гидрофобный (кстати, он активно применяется в качестве покрытия на сковородки) и ионный полимер с гидрофильной сульфокислотной группой. В итоге внутри мембраны происходит самоорганизация этих двух разных частей полимера: образуются проводящие каналы, сформированные гидрофильными участками полимера и разделенные гидрофобными участками.
Софья Морозова в лаборатории
«Большое влияние на протонную проводимость имеют условия обработки. В нашем случае при нагревании полимера выше его температуры стеклования, в нем происходят процессы реорганизации: увеличение или уменьшение размера этих каналов и их разветвленности. Благодаря серии экспериментов мы действительно получили очень интересные результаты по структуре каналов и доказали, что с помощью отжига можем изменять их размеры и, соответственно, протонную проводимость мембраны», — добавила Софья Морозова, заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ.
В своей работе ученые тщательно исследовали все стадии получения мембраны. Вначале из полимера готовят дисперсию, его диспергируют в жидкой фазе, затем формируют мембрану и она подвергается постобработке — отжигу.
Исследовано влияние жидкой фазы в дисперсии на свойства мембраны. Были изучены два варианта жидкой фазы — водно-спиртовая смесь и диметилацетамид. Варьируя температуру и время отжига исследователям удалось подобрать условия таким образом, чтобы получить материал близкий по своим характеристикам имеющимся коммерческим аналогам. А один из образцов мембран смог даже превысить мощностные характеристики коммерческих мембрано-электродных блоков.
«Дальнейшее усовершенствование разрабатываемых в лаборатории технологии ионообменных мембран и полимеров будет направлено на решение проблемы стабильности мембраны при работе в топливных элементах, а также в иных химических источниках тока, что расширит область их применения и будет способствовать развитию технологий перспективной энергетики», — подытожил Алексей Кашин, директор Института Электродвижения МФТИ.
В качестве коммерческих аналогов ученые использовали Nafion 211 и Gore Select M735.18. Коммерческий иономер Nafion®, разработанный компанией DuPont, является наиболее широко используемым протонпроводящим мембранным материалом еще с 1960-х годов. Но недавние исследования показали, что иономеры с короткой боковой цепью, такие как Aquivion® или иономер 3M, или отечественный иономер ИНИОН К, демонстрируют большую кристалличность, более высокие температуры стеклования и, следовательно, более эффективную работу топливных элементов по сравнению с полимерами типа Nafion®.
