Исследователи обобщили данные о водородных топливных элементах

Ученые из ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН в Черноголовке изучили взаимосвязь процессов, материалов и конструктивных решений на эффективность работы водородно-воздушных топливных элементов с твердоплимерной 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 ученых, собирающихся заниматься данной тематикой, удостоилась обложки в самом авторитетном российском научном журнале вообще: «Успехи химии» (IF =7,6).

Водородные топливные элементы – химические источники тока, напрямую преобразующие химическую энергию реакции окисления водорода в электрический ток без горения – были изобретены еще в 1839 году, однако только в XXI веке современные материалы и технологии позволили им получить массовое применение. В настоящее время активные разработки в области топливных элементов уже позволяют им 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 специализированные на конкретной проблеме. В нем мы последовательно рассматриваем все основные компоненты топливных элементов – протоннообменные 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 – создании топливных элементов с воздушным охлаждением малой мощности и применению их в беспилотных летательных аппаратах и системах накопления энергии, позволил нам рассмотреть огромный объем 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», - говорит 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 (протоннобменной мембраны, каталитических слоев), скорость электрохимических реакций на электродах, эффективность разделения газовых пространств анода и катода и эффективность подвода компонентов и отвода продуктов реакции, при этом 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 счет сопротивления в топливном элементе, но при этом увеличиваются другие потери – и, 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 протоннообменных мембран и каталитических слоев, оптимизацией геометрии топливного элемента и тому подобное. 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 и так далее.

«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», - резюмирует цель этой работы Алексей Левченко.