Учёные разработали новые полимерные топливные элементы

Недавно учёные Лос-Аламосской национальной лаборатории США разработали новые полимерные топливные элементы, которые могут работать при температуре от 80 до 160 градусов Цельсия. Они имеют более высокую номинальную удельную мощность, чем у современных моделей топливных элементов. Таким образом, учёные заявляют о преодолении давней проблемы перегрева. Она является одним из наиболее существенных технических препятствий при использовании средних и тяжелых топливных элементов в таких транспортных средствах, как автобусы и грузовые автомобили.

Фото: lanl.gov

Топливные элементы представляют собой устройства для преобразования энергии. Они производят электроэнергию посредством электрохимического объединения водорода и кислорода из воздуха. Как говорит один из авторов исследования, Ю Сеунг Ким, автомобили на топливных элементах представляют собой транспортные средства с нулевым уровнем выбросов. Они не создают проблем связанных со смогом и парниковой газами. Кроме того, отмечает он, водород можно выпускать на производстве с использованием возобновляемых источников энергии. Всё это делает водородные топливные элементы отличным вариантом для использования на автомобильном транспорте средней и большой грузоподъёмности. Помимо автобусов и грузовиков, такие элементы могут быть использованы на железнодорожном, морском и авиационном транспорте.

Электрификация автомобильного транспорта средней и большой грузоподъёмности крайне необходима с учётом предпринимаемых в мире усилий по сокращению выбросов парниковых газов. По сравнению с аккумуляторными электромобилями такой транспорт имеет плюсы в более быстрой заправке и большем запасе хода. В течение довольно длительного времени исследователи разрабатывали топливные элементы, которые могут функционировать при температуре выше 100 градусов Цельсия. Это позволяет создавать более простые системы за счёт лучшего управления теплом и водой. В результате недавнего исследования были получены высокоэффективные топливные элементы для использования в жарком и сухом климате. Однако ученые подчеркивают, что для определения долговечности ещё требуется проведение дополнительных исследований.

Разработки в сфере технологии топливных элементов как поддерживают инициативу под названием Intermountain West Energy Sustainability & Transitions (I-WEST). В её рамках разрабатывается технологическая дорожная карта по переходу западной части США к более экономически устойчивой, углеродной-нейтральной энергетической системе. В дорожной карте  будут изложены способы, с помощью которых будут решаться проблемы энергетического перехода.
 

Как работают новые водородные топливные элементы?

В стандартных топливных элементах с мембраной из полимерного электролита на электроде используется фосфорная кислота. В исследовании, которые провели учёные из Лос-Аламоса, они разработали полимерный электролит, который состоит из перфторсульфоновой кислоты и фосфонированного полимера. Им удалось обнаружить, что в композитной структуре электролита протон перфторсульфоновой кислоты переходит к фосфонированному полимеру. В результате резко увеличивается протонная проводимость.

В результате внедрения композитного полимерного электролита, учёные смогли добиться номинальной удельной мощности топливного элемента почти 800 мВт на квадратный сантиметр при 160 C. Это на 60% больше, чем у топливных элементов, изготавливаемых на основе фосфорной кислоты.

Проведённые исследования является результатом деятельности Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E), которая направлена на разработку инновационных высокотемпературных топливных элементов с полимерным электролитом для использования на транспорте. Проведенная исследовательская работа также поддерживается Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, водороду и технологиям на топливных элементах (EERE-HFTO) «L’innovator» Министерства энергетики США. Их программа направлена на ускорение коммерциализации использования водородного топлива.

Описание работы и результаты исследования опубликованы здесь.