Доцент кафедры химии твёрдого тела и нанопроцессов Челябинского госуниверситета Фёдор Ярошенко модифицировал гибридную мембрану, благодаря которой в низкотемпературных топливных элементах снижается влагозависимость и расширяется рабочий температурный интервал. В результате внедрения поверхностно-модифицированных частиц полисурьмяной кислоты улучшается протонпроводимость мембраны. Всё это приблизит учёных ЧелГУ к созданию технологий, которые улучшат энергоэффективность топливного элемента для машино-, авиа- и космического строения нового поколения.
С этой работой, поддержанной Российским научным фондом, Фёдор Ярошенко выступил на XXII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии.
«Топливный элемент — это устройство, которое позволит уйти от двигателя внутреннего сгорания и таких нефтепродуктов как бензин, дизельное топливо и керосин. Если говорить про двигатель внутреннего сгорания, то КПД всех двигателей не выше 40%. Устройство топливного элемента наиболее эффективно работает на водороде (хотя может работать на метаноле и этаноле), и тогда КПД приближается к 99%. Большой плюс технологии преобразования химической энергии в электрическую заключается в её энергоэффективности и экологичности, — говорит Фёдор Ярошенко. — Сейчас мы получаем электроэнергию путём нагревания воды различными источниками (дрова, уголь, ядерное топливо и др.), когда проходит несколько стадий преобразования энергии прежде чем она превращается в электрическую, теряя на каждом этапе часть энергии. В топливном же элементе нет трущихся деталей и движущих элементов, вследствие чего химическая энергия преобразуется сразу в электрическую. Но если бы было всё так просто, то мы бы передвигались уже на водородных автомобилях и не занимались бы научными проблемами. В малых количествах такие автомобили уже существуют, но основная проблема, над которой работают учёные, — инфраструктура: наличие водорода и особой сети заправок».
Топливный элемент состоит из электродов (анода и катода) и мембраны, которая разделяет эти электроды. Мембрана — это полимерная плёнка, которая обладает уникальными свойствами, основная задача которой — пропустить ионы водорода, не пропуская молекулу водорода.
«Для разделения молекулы водорода на атомы необходимо на электроды нанести слой катализатора. Вследствие его особой природы возникают конкурирующие процессы — сорбируется либо водород, либо угарный газ. При низких температурах сорбируется углекислый газ, который перекрывает работу устройства, поэтому для преимущественной сорбции водорода необходимо повысить рабочую температуру до 120–130 градусов, — говорит Фёдор Ярошенко. — А так как эта температура выше температуры кипения воды, то вода в мембране, которая переносила протоны, испаряется, и протоны не могут передвигаться. Для решения этой проблемы мы пошли путём совершенствования свойств мембраны, используя для этого частицы полисурьмяной кислоты, при введении её в мембрану удерживается вода при температурах выше 100 градусов и улучшается протонпроводимость».
Фёдор Ярошенко продолжает исследование, модифицируя поверхность частиц, вводимых в поры мембраны, путём присоединения молекулы серной кислоты к поверхности диоксида кремния и полисурьмяной кислоты.
«Исследования топливных элементов критически важны для развития энергетики, транспорта и промышленности. Основные области применения: автотранспорт, морской и воздушный транспорт, стационарная энергетика, мобильные устройства, промышленная и водородная энергетика. Исследования направлены на решение глобальных проблем: замену ископаемого топлива, снижение выбросов и создание эффективных энергосистем. Над этими важными задачами мы сейчас работаем», — заключил учёный.