Сверхтонкие мембраны для ТЭ

Специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН предложили и разработали новый метод синтеза электролитных мембран. Полученная пленка обладает высокой протонной проводимостью и устойчивостью к механическому воздействию и будет применяться в среднетемпературных топливных элементах. Результаты работы опубликованы в журнале Ionics.

На сегодняшний день одним из перспективных направлений исследований являются топливные элементы (ТЭ). Это устройства, с помощью которых можно превратить химическую энергию топлива, например от окисления водорода, в электричество, минуя процесс горения. Важнейшей составляющей ТЭ является мембрана, которая при протекании химической реакции должна пропускать только протоны. Существующие топливные элементы работают либо в низкотемпературном, либо в высокотемпературном диапазоне, однако промежуточная область ничем не занята. Среднетемпературный диапазон является наиболее значимым с точки зрения энергозатрат, используемых материалов, скорости протекания электродных процессов и функционального дизайна. Возможность использования дигидрофосфата цезия (CsH2PO4), имеющего суперпротонную проводимость, в качестве протонпроводящей мембраны привлекает внимание ученых, однако мощностные характеристики полученных устройств далеки от совершенства. Поэтому специалисты ИХТТМ СО РАН сосредоточили свои исследования на синтезировании тонкопленочного материала, который можно применить в среднетемпературных топливных элементах.

Мембрана — собирательное понятие, которое характеризуется не только высокой (в данном случае — протонной) проводимостью и низкой электронной, но и хорошими прочностными механическими свойствами, а также термической, термодинамической и химической устойчивостью. Чем она тоньше и пластичнее, чем однороднее ее структура при высокой проводимости, тем мощнее и долговечнее получится топливный элемент. 

«Среди кислых солей щелочных металлов наиболее перспективным для использования в качестве мембран является дигидрофосфат цезия с высокой суперпротонной проводимостью при температурах выше 230 оС и крайне низкой электронной составляющей. Введение в его состав полимерных добавок, в частности Butvar B-98, позволяет увеличить прочность и гидрофобность», — рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории неравновесных твердофазных систем ИХТТМ СО РАН доктор химических наук Валентина Георгиевна Пономарёва.

Полимерная добавка Butvar B-98 на сегодняшний день широко используется для получения защитных покрытий и пленок. Полимер хорошо растворим в спиртах и устойчив к воздействию щелочей и кислот. Сибирские ученые выяснили, что при смешении Butvar с дигидрофосфатом цезия получается композиционный электролит, распределение соли в котором недостаточно однородно, следовательно, свойства синтезированной мембраны далеки от требуемых. Поскольку неизвестно общих растворителей соли и полимера, для создания пленки специалисты предложили сделать «шаг назад», использовав не готовую соль, а подобрав общий растворитель для получения CsH2PO4 из исходных веществ и Butvar. В итоге методом полива была сформирована прочная тонкая мембрана толщиной менее 100 мкм.

«Получилось так, что, подобрав методику синтеза из исходных компонентов, соответствующие растворители, составы и условия, удалось синтезировать дигидрофосфат цезия непосредственно в полимерной матрице. Поскольку исходные соединения имеют общий растворитель, мы получили соль с маленькими частицами, не требующими дальнейшего измельчения. Подобный метод ранее не использовался, хотя в нем нет ничего сложного», — отмечает старший научный сотрудник лаборатории неравновесных твердофазных систем ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Ирина Николаевна Багрянцева.

«Наши исследования осуществляются в относительно новом направлении. Первые работы коллег с дигидрофосфатом цезия были начаты лишь в 2013—2015 годах. Наши экспериментальные установки создаются под соответствующую задачу, всё строится с нуля. Полученная нами мембрана является лишь первой стадией к созданию среднетемпературного топливного элемента. Сейчас мы работаем над электродными композициями для синтезированной пленочной мембраны, которая сможет устойчиво функционировать в выбранной среде», — рассказывает Валентина Пономарёва. 

Андрей Фурцев