.jpg)
Ученые из Московского физико-технического института, Центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, Московского государственного института стали и сплавов и Томского политехнического университета совместно с сотрудниками компании "Инэнерджи" разработали новую композитную протонообменную мембрану, которая решает одну из ключевых проблем водородной энергетики. Укрепив ключевой элемент водородного двигателя каркасом из уникальных нановолокон, они добились значительного повышения механической прочности и стабильности при сохранении высокой эффективности.
В основе водородной энергетики лежит простое и чистое преобразование. Химическая энергия водорода и кислорода превращается в электричество, а единственным выхлопом становится обычная вода. Протонообменная мембрана в этом процессе выполняет сразу несколько важных функций. Она пропускает через себя положительно заряженные ядра водорода и служит непреодолимым барьером для электронов и исходных газов. Именно от свойств мембраны напрямую зависят мощность, безопасность и срок службы всего устройства.
Перед инженерами долго стояла сложная дилемма. Для высокой производительности мембрана должна быть как можно тоньше, чтобы протоны проходили через нее с минимальным сопротивлением. Однако тонкая пленка очень уязвима. В процессе работы топливного элемента она подвергается механическим нагрузкам, перепадам температур и влажности, что может привести к появлению микротрещин, утечке взрывоопасного водорода и выходу устройства из строя. Попытки укрепить мембрану, добавляя в нее армирующие волокна из инертных полимеров, приводили к другой проблеме. Такие материалы не проводили протоны и, занимая часть объема мембраны, снижали ее общую эффективность.
Ученые поставили перед собой задачу по созданию материала, сочетающего механическую стойкость и высокую протонную проводимость. Для этого они разработали элегантную двухкомпонентную структуру, в которой армирующий каркас не только придает прочность, но и сам активно участвует в работе топливного элемента.
Электроспиннинговое волокно с иономером позволило укрепить полимерную матрицу мембраны без значительной потери проводимости. В качестве основного материала ученые использовали иономер типа Aquivion. Этот современный перфторсульфоновый полимер обладает высокой способностью проводить протоны, но главная инновация заключалась в подходе к его армированию. Вместо инертных волокон ученые создали поддерживающий каркас из нановолокон, полученных методом электроспиннинга, позволяющим под действием мощного электрического поля вытягивать из раствора полимера нити толщиной в сотни нанометров и сплетать из них материал, похожий на высокотехнологичный войлок.
Уникальность этих нановолокон заключается в их составе. Они состоят из смеси прочного фторполимера и того же иономера Aquivion. Таким образом, ученые впервые вплели проводящий протоны компонент непосредственно в структуру армирующего каркаса.
На следующем этапе нановолоконный каркас пропитали жидкой дисперсией иономера Aquivion, которая заполнила все поры между волокнами. После специальных процедур прессования и вакуумного отжига получилась тонкая и однородная композитная мембрана, в которой прочный нановолоконный каркас был намертво слит с основной проводящей протоны матрицей.
Комплексные испытания нового материала подтвердили правильность выбранной стратегии. Протонная проводимость композитной мембраны снизилась незначительно, зато по ключевым параметрам, отвечающим за долговечность и безопасность, новый материал продемонстрировал впечатляющие результаты.
Во-первых, его водородная проницаемость оказалась значительно ниже. Это означает, что риск утечки водорода через мембрану был сведен к минимуму. Во-вторых, композитная мембрана показала улучшенную размерную стабильность. Она гораздо меньше разбухает в воде, что предотвращает механические напряжения в топливном элементе во время работы.
Механические тесты также продемонстрировали превосходство новой разработки. Если сравнивать с коммерческим аналогом Nafion 211, композитные мембраны обладают более высоким модулем Юнга и улучшенной прочностью на разрыв, что подтверждает их повышенную механическую надежность.
Финальным экзаменом стала проверка мембраны в составе сборки, имитирующей работу топливного элемента. Результаты превзошли ожидания. Мембрана толщиной 24 микрона показала пиковую удельную мощность 534 милливатта на квадратный сантиметр, что практически сопоставимо с показателем коммерческого эталона Nafion 211, составляющим 571 милливатт на квадратный сантиметр. Это доказывает, что разработанная технология позволяет создавать значительно более прочные и безопасные топливные элементы с высокой производительностью.
Дальнейшая работа ученых будет направлена на оптимизацию состава и структуры нановолокон, а также на долгосрочные испытания мембран в реальных условиях эксплуатации, чтобы оценить их деградацию с течением времени. Успех этой работы приближает эру водородной энергетики, делая ее более надежной, безопасной и доступной.
