Появилась концепция устойчивых полимерных электролитов для топливных элементов

Исследовательская группа под руководством Ацуси Норо из Университета Нагоя, Япония, представила новую концепцию дизайна электролитов для топливных элементов, в которой используется полимер фосфоновой кислоты с углеводородными спейсерами.

Эта инновационная концепция позволяет топливным элементам эффективно работать в условиях высоких температур (выше 100°C) и низкой влажности, устраняя важнейшие препятствия для их более широкого использования.

Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Polymer Materials.

Электрохимически реагируя с водородом и кислородом, топливные элементы вырабатывают электричество, выделяя при этом только воду, что подчеркивает их возможности использования в качестве экологически чистой энергии. Однако полимеры перфторсульфоновой кислоты, тип пер- и полифторалкильных веществ (PFAS), широко используемых в топливных элементах, вызывают обратную реакцию. Присутствие PFAS в окружающей среде и их накопление в живых организмах послужило причиной принятия регулирующих мер во многих странах.

В отличие от PFAS, углеводородные полимеры фосфоновой кислоты не содержат фтора, что делает их менее склонными к сохранению в окружающей среде. Эти полимеры также демонстрируют умеренную химическую стабильность в условиях высокой температуры и низкой влажности. Несмотря на эти преимущества, плохая проводимость и гидрофильная природа фосфоновых кислотных групп, которые притягивают воду, ограничивают их применение, что может привести к растворению во влажной среде.

Чтобы преодолеть эти трудности, компания Noro ввела гидрофобный спейсер между основой полимера и группами фосфоновой кислоты в углеводородный полимер фосфоновой кислоты. Это позволило добиться нерастворимости в воде, химической стабильности и умеренной проводимости даже при высоких температурах и низкой влажности. Кроме того, гидрофобный спейсер эффективно отталкивал воду, обеспечивая стабильность материала.

Новая мембрана продемонстрировала значительно более высокую нерастворимость в горячей воде по сравнению с мембраной из полистирола фосфоновой кислоты без гидрофобного спейсера и коммерчески доступной мембраной из сшитого сульфонированного полистирола.

«В условиях 120°C и относительной влажности 20% проводимость разработанной мембраны в 40 раз выше, чем у мембраны из полистирола с фосфоновой кислотой, и в 4 раза выше, чем у мембраны из сшитого сульфонированного полистирола», — сказал Норо.

Создание топливного элемента, работающего в условиях низкой влажности и высокой температуры, дает много преимуществ для автомобилей на топливных элементах, — продолжает Норо.

Во-первых, реакции на электродах топливного элемента протекают быстрее при более высоких температурах, что повышает общую производительность топливного элемента и эффективность выработки электроэнергии.

Во-вторых, уменьшается отравление электродов окисью углерода (СО), поскольку следовые количества СО в водородном топливе склонны адсорбироваться на катализаторе при более низких температурах, но не при более высоких.

В-третьих, топливный элемент получает более эффективный отвод тепла при высоких температурах, что позволяет упростить конструкцию системы охлаждения и отказаться от внешнего увлажнения, что делает системы более легкими и компактными.

Ранее ученые объявили о том, что не за горами создание дешевых водородных топливных элементов.

10.12.2024