Протонообмен в сухих условиях

Большинство стран стремятся перейти к экологически чистой энергетике, которая поможет сократить выбросы углекислого газа в атмосферу. Одно из перспективных решений — водородные топливные элементы. Эти устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую, не производят вредных выбросов: в результате работы они, помимо электричества, образуют только воду и тепло.

Чтобы эта технология стала массовой, ученым нужно решить важную задачу: создать долговечные и эффективные материалы для ключевого компонента топливных элементов — протонообменных мембран. Такие мембраны в топливных элементах разделяют топливо: водород и кислород. На аноде (положительно заряженном электроде) молекулы водорода расщепляются до положительно заряженных частиц — протонов, которые через мембрану должны поступить к катоду (отрицательно заряженному электроду). Там в результате реакции между протоном и кислородом образуется вода, а химическая энергия этого процесса преобразуется в электрическую.

Сейчас используются мембраны на основе перфторсульфополимеров — фтор- и серосодержащих органических соединений. Такие материалы хорошо работают при достаточном увлажнении, но теряют эффективность, когда влажность уменьшается до 60% и ниже из-за того, что хуже проводят протоны. Кроме того, они расширяются и сжимаются при изменении влажности, что со временем приводит к их разрушению. Поэтому ученые ищут способ улучшить свойства таких мембран.