Учёные ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН в Черноголовке исследовали, как взаимосвязь процессов, материалов и конструктивных решений влияет на эффективность работы водородно-воздушных топливных элементов с твердополимерной мембраной.

Новый обзор, который охватывает более 400 работ, заполняет нишу между слишком общими работами и специализирующимися на конкретной проблеме. Работа, которая может стать «точкой входа» для учёных, собирающихся заниматься данной тематикой удостоилась обложки в самом авторитетном российском научном журнале «Успехи химии».

Водородные топливные элементы — химические источники тока, напрямую преобразующие химическую энергию реакции окисления водорода в электрический ток без горения. Они были изобретены еще в 1839 году, однако только в XXI веке современные материалы и технологии позволили им получить массовое применение. В настоящее время разработки уже позволяют водородным топливным элементам конкурировать с двигателями внутреннего сгорания и литий-ионными аккумуляторами в ряде областей техники, но для того, чтобы расширить их сферу применения, нужно существенно улучшить их характеристики.

«Наш обзор заполняет нишу в тематике топливных элементов между существующими обзорами слишком общего характера и специализированными на конкретной проблеме. В нём мы последовательно рассматриваем все основные компоненты топливных элементов — протонообменные мембраны, каталитические и газодиффузионные слои, биполярные пластины, системы охлаждения, а также факторы, которые влияют на мощность топливных элементов. Опыт, накопленный в нашем центре — как в фундаментальных разработках, так и в практической плоскости, — <...> позволил нам рассмотреть огромный объём литературы в 428 наименований именно с практической точки зрения и сформировать общее представление как об актуальном уровне разработок в этой области, так и о перспективах их применения и дальнейшего развития», — рассказал один из авторов работы, руководитель Центра компетенций «Новые и мобильные источники энергии» ФИЦ ПХФ и МХ РАН, заведующий лабораторией твердотельных электрохимических систем ФИЦ ПХФ и МХ РАН Алексей Левченко.

Авторы обращают внимание, что на эффективность работы топливного элемента влияет четыре параметра: проводимость компонентов (протонобменной мембраны, каталитических слоев), скорость электрохимических реакций на электродах, эффективность разделения газовых пространств анода и катода и эффективность подвода компонентов и отвода продуктов реакции. Каждый из этих параметров определяется свойствами нескольких компонентов топливного элемента — и, наоборот, свойства одного материала могут влиять на несколько характеристик. Так, например, чем тоньше мембрана, тем меньше потери за счёт сопротивления в топливном элементе, но при этом увеличиваются другие потери. Соответственно, для каждого конструктива топливного элемента существует оптимальная толщина этого ключевого компонента.

При этом в современном мире топливных элементов существует два основных тренда. Часть групп работают на краткосрочную перспективу и занимаются оптимизацией существующих разработок топливных элементов — увеличением стабильности катализаторов и стойкости их к отравлению, улучшением характеристик протонообменных мембран и каталитических слоев, оптимизацией геометрии топливного элемента и так далее. Часть же работает на долгосрочную перспективу и ищет принципиально новые решения — бесплатиновые катализаторы (в том числе биокаталитические), новые типы ион-проводящих материалов, с акцентом на анион-проводящие, которые позволяют использовать эти бесплатиновые катализаторы как на катоде, так и на аноде.

«Наша область — бурно развивающаяся и требующая новых идей, новых людей и новых коллабораций, поэтому такие обзоры, одновременно показывающие научно-технологические принципы работы топливных элементов и ситуацию на переднем крае науки, крайне важны», — резюмировал Алексей Левченко.

Источник: InScience.