Ученые сплели броню из нановолокон для сердца водородного двигателя

Укрепив «сердце» водородного двигателя каркасом из уникальных нановолокон, исследователи добились значительного повышения механической прочности и стабильности при сохранении высокой эффективности.

Российский коллектив ученых из МФТИ, Центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, МИСИС и Томского политехнического университета совместно с сотрудниками компании «Инэнерджи» разработал новую композитную протонообменную мембрану. Которая решает одну из ключевых проблем водородной энергетики. А именно – компромисс между производительностью и долговечностью топливных элементов.

В основе водородной энергетики лежит простое и чистое преобразование. Химическая энергия водорода и кислорода превращается в электричество. А единственным «выхлопом» становится обычная вода. Центральный элемент этого процесса — топливный. Его сердце — протонообменная мембрана. Эта тончайшая полимерная пленка выполняет сразу несколько критически важных функций. Она, подобно сверхточному ситу, пропускает через себя протоны (положительно заряженные ядра водорода). При этом служит непреодолимым барьером для электронов и исходных газов — водорода и кислорода. Именно от свойств этой мембраны напрямую зависят мощность, безопасность и срок службы всего устройства.

Технология

Коллектив российских ученых поставил перед собой задачу. Создать материал, сочетающий в себе 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. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Engineering Materials.

«Топливные элементы с протонообменной мембраной привлекают значительное внимание как жизнеспособная альтернатива традиционным источникам энергии. Производительность таких топливных элементов неразрывно связана с характеристиками полимерной мембраны. Выполняющей в них как роль сепаратора, для которого важна механическая прочность и низкая водородная проницаемость. Ттак и роль электролита, чья протонная проводимость напрямую отражается на мощности устройства. Ученые сосредоточились на поиске баланса между проводящими и механическими свойствами. Для обеспечения повышенной безопасности топливного элемента. И при этом сохранения его высокой эффективности. Электроспиннинговое волокно с иономером в составе позволило  укрепить полимерную матрицу мембраны без значительной потери проводимости», — рассказала об исследовании Вера Пузакова, студентка магистратуры МФТИ, инженер-исследователь лаборатории технологий ионообменных мембран МФТИ.

В качестве основного материала исследователи использовали иономер типа Aquivion. Это современный перфторсульфоновый полимер, обладающий высокой способностью проводить протоны. Но главная инновация заключалась в подходе к его армированию. Вместо инертных волокон ученые создали поддерживающий каркас из нановолокон. Ролученных методом электроспиннинга (также называемого «электропрядение»). Этот метод позволяет под действием мощного электрического поля вытягивать из раствора полимера нити толщиной в сотни нанометров. Сплетая из них нетканый материал, похожий на высокотехнологичный войлок. Уникальность этих нановолокон заключалась в их составе. Они состояли из смеси прочного фторполимера и того же самого иономера Aquivion. Таким образом, ученые впервые вплели протон. Это проводящий компонент непосредственно в структуру армирующего каркаса.

Вывод

Комплексные испытания нового материала подтвердили правильность выбранной стратегии. По сравнению с исходной мембраной из чистого Aquivion, протонная проводимость композитной мембраны снизилась незначительно. Зато по ключевым параметрам, отвечающим за долговечность и безопасность, новый материал продемонстрировал впечатляющий прогресс.

Дальнейшая работа ученых будет направлена на оптимизацию состава и структуры нановолокон для водородного двигателя. 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.

Источник: Naked Science
Фото: Лаборатория технологий ионообменных мембран МФТИ