Ученые создали новый материал для водородных топливных элементов, который может сделать «зеленую» энергетику эффективнее. В основе разработки — мембрана из фторполимера с добавками кремнезема и неорганической кислоты. Она отлично проводит протоны даже при низкой влажности, в отличие от аналогов, которым нужно постоянное увлажнение. Исследование поддержал Российский научный фонд, а результаты опубликованы в издании International Journal of Hydrogen Energy.

Сейчас мир ищет способы сократить выбросы CO₂, и водородные топливные элементы — одно из самых многообещающих решений. Они превращают энергию реакции водорода и кислорода в электричество, а на выходе дают только воду и тепло. Но чтобы технология стала массовой, нужно решить проблему мембран — ключевого компонента, который разделяет водород и кислород и проводит протоны.

Протонообменная мембрана — это тонкая пленка в топливном элементе, которая пропускает только положительно заряженные частицы (протоны), но не дает смешиваться водороду и кислороду. От ее качества зависит КПД и долговечность всего устройства.

Современные мембраны делают из перфторсульфополимеров. Они хорошо работают при высокой влажности, но если воздух становится суше, их эффективность падает. К тому же они расширяются и сжимаются, из-за чего быстрее изнашиваются.

Российские ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН вместе с коллегами усовершенствовали популярный полимер Aquivion, добавив в него наночастицы кремнезема и цезиевую соль фосфорновольфрамовой кислоты. Эти добавки сделали мембрану стабильнее и улучшили ее работу в сухих условиях.

Что получилось:

• При влажности 30% новые мембраны дали в 3,9–5,3 раза больше мощности, чем обычные.
• Материал почти не меняет объем при колебаниях влажности, а значит, дольше служит.

Это серьезный шаг к надежным энергосистемам. Наша мембрана увеличит срок службы топливных элементов и их КПД, что приблизит эру водородной энергетики, — говорит Екатерина Сафронова, руководитель проекта, доктор химических наук.

Сейчас ученые работают над тем, чтобы сделать мембраны еще устойчивее. В исследовании участвовали специалисты из НИУ ВШЭ, ИФХЭ РАН и Нью-Йоркского университета в Абу-Даби.

Главное преимущество этой разработки — устойчивость к низкой влажности. Современные топливные элементы требуют сложных систем увлажнения, что увеличивает их стоимость и снижает надежность. Если мембраны смогут стабильно работать в сухом климате или при перепадах влажности, это упростит конструкции и расширит сферу применения — от электромобилей до стационарных энергоустановок.

Кроме того, механическая стабильность материала снизит частоту замены компонентов, что критично для коммерциализации технологии. Если удастся масштабировать производство, водородная энергетика станет ближе к реальности.

Исследование не затрагивает вопрос стоимости производства новых мембран. Добавки вроде цезиевой соли фосфорновольфрамовой кислоты могут быть дорогими, а их доступность в промышленных масштабах — под вопросом. Кроме того, тестирование проводилось в лабораторных условиях; как материал поведет себя при длительной эксплуатации, пока неизвестно.

Ранее ученые разработали новую технологию хранения энергии на основе водорода.