Стремительное развитие водородной экономики стимулирует инновации в ключевой технологии — топливных элементах с протонообменной мембраной (ПОМ). По прогнозам аналитической компании IDTechEx, в ближайшее десятилетие рынок материалов для таких устройств будет расти в среднем на 24% в год. Этот бум обусловлен ускоренным внедрением водородных технологий в транспорте и стационарной энергетике, что порождает высокий спрос на компоненты и ставит перед инженерами новые задачи.
В основе каждого топливного элемента лежит мембранно-электродный блок — своего рода «сердце» устройства, где и происходит преобразование водорода в электроэнергию. Этот блок состоит из нескольких слоев: протонообменной мембраны, покрытой катализатором, и газодиффузионных слоев, которые обеспечивают подвод реагентов и отвод продуктов реакции. Множество таких ячеек, собранных вместе, образуют топливный стек, а биполярные пластины служат его структурным каркасом, распределяя газы и собирая вырабатываемый ток. Выбор материалов для каждого из этих элементов напрямую зависит от сферы применения — будь то легковые автомобили, поезда, морские суда или стационарные электростанции.
Биполярные пластины, выполняющие сразу несколько критических функций, требуют тщательного подбора материала. Основная конкуренция разворачивается между традиционным графитом и современными металлами. Выбор зависит от баланса таких параметров, как механическая прочность, коррозионная стойкость, а также электрическая и тепловая проводимость. Не менее важен и газодиффузионный слой. Хотя его конструкция кажется простой, именно он играет решающую роль в управлении водным балансом внутри ячейки, что напрямую влияет на ее эффективность и долговечность. Производители постоянно совершенствуют материалы, чтобы оптимизировать транспорт воды.
Центральный элемент системы — протонообменная мембрана, которая пропускает протоны, блокируя при этом электроны и газы. Долгое время на этом рынке доминировал материал Nafion от компании Chemours. Однако сегодня все большее беспокойство вызывает использование в таких мембранах пер- и полифторалкильных веществ (ПФАС), также известных как «вечные химикаты», из-за их стойкости в окружающей среде. В ответ на экологические вызовы и стремление уйти от ПФАС, исследователи активно разрабатывают альтернативы, например, мембраны на основе углеводородных полимеров, которые считаются перспективным решением нового поколения.
Главным препятствием на пути к массовому удешевлению водородных технологий остается стоимость катализаторов. Для эффективной работы при низких температурах (до 100°C) топливным элементам необходимы катализаторы на основе платины и других металлов платиновой группы. Их высокая цена значительно увеличивает общую стоимость всего топливного стека. Научные исследования сегодня сосредоточены на двух направлениях: снижение содержания драгоценных металлов за счет повышения их эффективности или разработка полностью новых, более дешевых каталитических материалов без платины, которые могли бы обеспечить сопоставимую производительность и долговечность.