Въвеждането на неорганични частици в мембраната позволява увеличаване на мощността на горивната клетка, включително при ниска влажност, както и повишава стабилността на размерите й при промяна на съдържанието на вода.
Повечето държави се стремят към екологично чиста енергетика, която да намали емисиите на въглероден диоксид. Един от перспективните подходи са водородните горивни клетки. Тези устройства, които преобразуват химическата енергия в електрическа, не произвеждат вредни емисии — освен електричество, резултатът е само вода и топлина. За да се превърне технологията в масова, учените трябва да решат ключов проблем: създаване на издръжливи и ефективни материали за основния компонент на горивните клетки — протонно-обменни мембрани.
Тези мембрани разделят горивото: водород и кислород. На анода (положително заредения електрод) молекулите водород се разделят на протони, които преминават през мембраната към катода (отрицателно заредения електрод). Там протонът реагира с кислорода, формирайки вода, а химическата енергия се преобразува в електрическа.
Сега се използват мембрани на основата на перфторсулфополимери — флуор- и серосъдържащи органични съединения. Те работят добре при достатъчна влажност, но губят ефективност при влажност под 60%, тъй като пренасят по-лошо протоните. Освен това материалът се разширява и свива с промяната на влажността, което с времето води до механични повреди. Учените търсят начини да подобрят тези свойства.
Изследователи от Института по обща и неорганична химия „Н. С. Курнаков” (Москва) и колеги предложиха хибриден материал на базата на широко използвания за протонно-обменни мембрани полимер Aquivion. В него са добавени неорганични компоненти — наночастици силициев диоксид и цезиева сол на фосфорноволфрамова киселина. Тези добавки имат две ключови функции: стабилизират структурата на мембраната, ограничават промяната на размерите при колебания на влажността, и повишават ефективността й при сухи условия.
Тестовете показаха, че горивни клетки с новите мембрани демонстрират 3,9–5,3 пъти по-голяма мощност при ниска влажност (30%) в сравнение с традиционните мембрани. Освен това материалът е значително по-стабилен механично — обемът му почти не се променя при различна влажност.
„Това е важна стъпка към създаването на по-надеждни и ефективни енергийни системи на бъдещето. Нашата разработка може значително да удължи живота на горивните клетки и да повиши мощността на устройствата, правейки водородната енергетика по-достъпна. В перспективата тези технологии ще помогнат за намаляване на зависимостта от изкопаеми горива и вредното въздействие върху околната среда”, казва ръководителят на проекта, подкрепен от РНФ, д-р Екатерина Сафронова, старши научен сътрудник в лабораторията по йоника на функционални материали към ИОНХ РАН.
Авторите планират да продължат усъвършенстването на мембраните, включително повишаване на химическата им устойчивост при работа в горивна клетка.
В изследването участваха също учени от Националния изследователски университет „Висша школа по икономика” (Москва), Института по физическа химия и електрохимия „А. Н. Фрумкин” (Москва) и New York University Abu Dhabi (ОАЕ).