В Южной Корее исследовательская группа разработала новую прокладку для водородных устройств. Речь про топливные элементы и электролизеры, которые получают водород или используют его для выработки энергии. Ключевая проблема таких систем — утечка водорода. Если прокладка плохо держит газ, падает эффективность, а главное — растет риск пожара или взрыва.

Обычные прокладки из дешёвых материалов вроде силикона или этилен-пропиленового каучука (ЭПДМ) стоят недорого, их легко перерабатывать, но они плохо преграждают путь водороду. Водород просачивается сквозь них, как сквозь решето. Дорогие фторопластовые прокладки служат дольше и лучше держат газ, но они вредны для природы и попадают под жесткие экологические ограничения из-за содержания пер- и полифторалкильных веществ (ПФАС). К тому же они дороги.

Ученые из Корейского института химических технологий во главе с доктором Кенхан О нашли золотую середину. Они взяли обычный силикон и ЭПДМ — доступные и технологичные материалы — и добавили в них специальные чешуйки. Чешуйки эти — из нитрида бора, очень тонкие, в наноразмере, и их обработали особым составом на основе пиренметилакрилата. Такая обработка позволила чешуйкам прочно сцепиться с полимерными цепочками материала прокладки. Получилась густая сетка, которая создает лабиринт для молекул водорода — так называемый «лабиринтный эффект». Водороду становится трудно пройти насквозь.

Лабиринтный эффект — это когда внутрь полимера добавляют плоские твердые частицы-чешуйки. Молекулы газа пытаются пройти сквозь материал, но натыкаются на эти чешуйки, которые не пропускают газ. Чтобы обойти преграду, молекуле приходится петлять, и путь становится намного длиннее. Чем длиннее путь, тем дольше газ просачивается и тем меньше его утекает за то же время. Представьте, что вы пытаетесь пройти через комнату, полную высоких стеллажей, — вы будете кружить, а не идти напрямую. Так и водород — вместо прямого сквозного пути он вынужден блуждать, и прокладка становится почти непроницаемой.

Всего 0,5 процента добавки по весу — и результат впечатляет. У ЭПДМ-прокладки жесткость (модуль упругости) выросла на треть, а проницаемость для водорода упала больше чем наполовину — минус 55,7 процента. У силиконовой прокладки жесткость выросла почти вдвое — плюс 96,6 процента, а проницаемость снизилась на 42,7 процента.

Подробности опубликованы в издании Advanced Composites and Hybrid Materials.

Долговременные испытания в кислой и щелочной среде длились 225 часов. ЭПДМ-прокладка потеряла всего 6,6 процента массы в кислоте и 3,8 процента в щелочи. Силикон показал себя еще лучше — потеря массы всего 0,2 и 2,1 процента соответственно. Это значит, что прокладки не разрушаются внутри агрессивной среды.

Когда прокладки проверили в реальной работе ячейки топливного элемента, они дали такую же или даже лучшую плотность тока, чем дорогие коммерческие аналоги. Кроме того, внутри стека давление распределяется равномерно, а контактное сопротивление между электродами снизилось.

Что было до этого исследования

Ученые и инженеры давно пытались улучшить прокладки с помощью нанодобавок. Но проблема была в том, что чешуйки плохо смешивались с полимером, сваливались в комки и не давали равномерного упрочнения. Корейцы сделали маленький, но аккуратный шажок вперед — они не изобрели велосипед, а придумали, как подружить чешуйки с материалом прокладки на химическом уровне. Это не прорыв, а грамотная инженерная доводка, которая может быстро выйти на рынок.

Сколько это стоит

Добавка дешевая — нитрид бора и пиренметилакрилат доступны, и доля добавки всего полпроцента. В серийном производстве цена такой прокладки будет ненамного выше обычного силикона, но значительно ниже фторопластовых аналогов. Доступность высокая.

Этична ли работа

Вред минимален. Сами прокладки не ядовиты. Единственное — производство наночешуек требует энергии, но это стандартная плата за современные материалы. Вреда для людей и природы меньше, чем от старых фторопластовых прокладок. Никаких подвохов с токсичностью нет.

Когда новая разработка станет доступна

Если технологию внедрят производители водородных автомобилей или стационарных энергоустановок, то в массовых изделиях прокладки появятся через два-три года.

Сравнение с аналогами

Обычный силикон — дешево, но текуч для водорода. Фторопласт — дорого, токсичен при производстве и утилизации. Новая прокладка — средняя цена, хорошая газонепроницаемость, экологична, долговечна в агрессивных средах. По сочетанию свойств лучшая на сегодня недорогая альтернатива.

Ограничения

Исследователи не провели длительных испытаний в реальных циклах включения-выключения. В лаборатории прокладку 225 часов держали в кислоте и щелочи, но в реальной топливной ячейке температура и давление меняются скачками. При циклических нагрузках прокладка может быстрее уставать, и чешуйки со временем могут выпадать из полимерной сетки. Полпроцента добавки — это очень мало, и не факт, что через год эксплуатации эффект сохранится.

Доктор Кенхан О заявил:

Это исследование создает основу для отечественного производства высокоэффективных силиконовых прокладок, которые раньше приходилось импортировать. А доктор Ен Кук Ли, президент института, добавил: разрабатывая материалы для уплотнений без ПФАС и с высокой долговечностью, мы добиваемся одновременно экологической безопасности и повышения надежности.

Разработка ускорит выход на рынок водородных автомобилей, энергоустановок и крупных электролизных систем.

Ранее ученые разработали катализатор для водородных топливных элементов.