Новый Протон

Топливные элементы — это компактные устройства преобразования энергии, которые используют чистые источники энергии, такие как водород, и преобразуют их в электричество посредством серии окислительно-восстановительных реакций. В частности, топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC), неотъемлемая часть электромобилей, используют для работы протонпроводящие мембраны. К сожалению, эти мембраны страдают от компромисса между высокой прочностью и высокой ионной проводимостью, что влияет на срок службы и производительность PEMFC.

Чтобы решить эту проблему, ученые синтезировали химически и физически модифицированные мембраны из полимера перфторсульфоновой кислоты, такие как Nafion HP, Nafion XL и Gore-Select, которые оказались гораздо более долговечными, чем немодифицированные мембраны, традиционно используемые в топливных элементах. К сожалению, ни одна из существующих протонпроводящих мембран не выполнила чрезвычайно сложную техническую задачу — пройти ускоренное испытание на долговечность или комбинированное химическое и механическое испытание, установленное Министерством энергетики США (DOE) для облегчения их использования в автомобильных топливных элементах. 2025.

На этом фоне группа исследователей из Японии во главе с профессором Кэндзи Миятаке из Университета Васэда и Университета Яманаси недавно синтезировала новые протонпроводящие мембраны для PEMFC. Их работа, опубликованная в журнале Science Advances, написана в соавторстве с доктором Лю Фанхуа из Университета Васэда и Университета Яманаси и доктором Иком Су Кимом из Университета Синсю.

Исследователи синтезировали протонпроводящие мембраны, используя частично фторированный ароматический иономер (полимерный материал, состоящий из термопластичных смол, стабилизированных ионными поперечными связями) под названием SPP-TFP-4.0 (SPP: сульфированный полифенилен, TFP: бис(трифторметил)терфенилен). Затем они использовали метод нанесения покрытия для армирования иономера либо электропрядением, неткаными и изотропными нановолокнами поливинилиденфторида (ПВДФ) с высокой пористостью (78%), либо использованием пористого расширенного политетрафторэтилена (ePTFE). В результате были получены композитные мембраны SPP-TFP-4.0-PVDF и SPP-TFP-4.0-ePTFE толщиной 14 и 16 мкм соответственно.

Исследователи провели широкий спектр испытаний этих протонпроводящих мембран и продемонстрировали превосходство мембран, армированных ПВДФ. «Она превзошла современную химически стабилизированную и физически армированную перфторированную мембрану Nafion XL с точки зрения работы топливных элементов и химической стабильности in situ при высокой температуре 120°C и низкой относительной влажности 30%», — подчеркивает Миятаке. .

Мембрана SPP-TFP-4.0-PVDF продемонстрировала длительный срок службы — 148 870 циклов или 703 часа — более чем в семь раз дольше, чем у целевого показателя Министерства энергетики — в ускоренном тесте на долговечность с частым циклическим циклом влажно-сухой работы в условиях напряжения разомкнутой цепи. Кроме того, он продемонстрировал высокую химическую стабильность с незначительной деградацией, стабильную энергию разрыва при различных уровнях влажности, высокостабильные механические свойства при относительной влажности от 0 до 60% при 80°C и отличные характеристики топливных элементов при высоких температурах (100–120°C).

По сути, предлагаемая армированная протонпроводящая мембрана на основе ароматического полимера соответствует цели Министерства энергетики США в отношении будущих автомобильных топливных элементов, обеспечивая прибыльную альтернативу. Таким образом, это исследование может проложить путь к PEMFC, способным работать при высоких температурах и долговечным. «В результате электромобили на топливных элементах могут стать более мощными и доступными. Это также будет способствовать созданию общества, основанного на водороде и без выбросов углекислого газа», - заключает оптимистичный Миятаке.

Мы тоже надеемся, что такие высокоэффективные электромобили с мощными, долговечными и экологичными топливными элементами скоро станут реальностью!

***

Ссылка

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adg9057.

Авторы: Фанхуа Лю1,2, Ик С. Ким3 и Кенджи Миятаке1,4,5

Принадлежности:

1Исследовательский центр чистой энергии, Университет Яманаси

2Исследовательская организация по нанотехнологиям и инновациям в жизни