В ТПУ создали образцы импортозамещающих протонообменных мембран для генерирования энергии и получения сверхчистого водорода
Ученые Томского политехнического университета получили экспериментальные образцы радиацинномодифицированной протонообменной мембраны для топливных элементов и электролизеров. Это импортозамещающая разработка, поддержанная программой «Приоритет 2030», может быть использована для получения сверхчистого водорода и генерации энергии.
В последние годы промышленная отрасль топливных элементов активно развивается во всем мире и становится все более стабильной и готовой к массовому внедрению. Свои проекты в разработке топливных элементов реализуют во многих странах мира — России, США, Китае, Японии. Области применения топливных элементов (ТЭ) разнообразны: это аэрокосмическая, автомобильная промышленность, малые и крупные электростанции, портативные генераторы энергии, комбинированная теплоэнергетика, резервное питание.
Одним из самых перспективных видов являются водородные топливные элементы. Их принцип действия основан на выработке электроэнергии в результате электрохимической реакции между водородом и кислородом. При этом этот способ получения энергии является экологически чистым, а единственный побочный продукт — это вода. Конструкция топливных элементов устроена следующим образом: в центре находится мембрана, вокруг нее с двух сторон — каталитический слой. Процесс электролиза воды с протонообменной мембраной происходит в ячейке, снабженной твердым полимерным электролитом, обеспечивающим проводимость протонов, разделение газообразных продуктов и электрическую изоляцию между электродами.
В качестве «сердца» топливного элемента используется полимерная мембрана. Основным производителем мембран в мире является американская фирма DuPont. Именно их мембраны Nafion наиболее распространены в секторе топливных элементов. В ряде стран — Китае, Франции, Японии — их аналоги производят по лицензии. Сейчас в связи с санкциями российские компании потеряли доступ к продукции DuPont.
В Томском политехническом университете исследования, связанные с водородным технологиями, начались еще в 1970-х годах. Сейчас в рамках программы развития «Приоритет 2030» одна из стратегических ставок вуза посвящена «Энергии будущего», в том числе и проектам, связанным с водородом. В ТПУ проводятся фундаментальные и прикладные исследования в области получения чистого водорода, его безопасного хранения, транспортировки, применения в качестве энергоносителя в системах автономного электроснабжения. Одно из направлений — водородные топливные элементы на основе полимерных мембран.
«В России аналоги мембран Nafion не выпускаются. Более того, наладить подобное производство с нуля очень сложно и дорого. Поэтому мы решили пойти другим путем, используя наработки ТПУ по влиянию заряженных частиц на различные материалы и возможности уникальной установки циклотрон «Р-7М».
Для изготовления мембран мы используем широко распространенные и используемые полимерные пленки, коммерчески доступные и производимые в России, например, они применяются для изоляции в кабельной промышленности. Затем мы облучаем их на циклотроне «Р-7М» и проводим радиационно-индуцированную прививку виниловых мономеров с последующим функциональным сульфированием. Совместное использование радиационных и радициацинно-химических методов позволяет значительно улучшить основные характеристики мембраны, а именно — протонную проводимость, долговечность, механическую прочность. Потом на мембраны наносится платиновый катализатор. Причем, в отличие от традиционных методов аэрозольного распыления, мы используем метод магнетронного испарения. Полученные образцы мембран по своим характеристикам сравнимы, а где-то и превосходят продукцию фирмы DuPont», — говорит научный сотрудник научной лаборатории радиоактивных веществ и технологий Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Валентина Сохорева.
На данный момент в Томском политехе уже получили экспериментальные образцы мембран 2x2 сантиметра мощностью порядка 2 Ватт. Мембраны тщательно изучаются по ряду параметров, в том числе их исследовали в Курчатовском институте. Установлено, что по уровню протонной проводимости — порядка 0,1-0,2 См/см — мембраны политехников не уступают Nafion-117, выбранный в качестве эталонного образца. Кроме того, мембраны ТПУ выдерживают большую температуру, чем зарубежные образцы: до 110-120 градусов Цельсия (у Nafion – до 80 градусов). Также благодаря использованию отечественных компонентов квадратный метр мембраны, изготовленной в ТПУ, будет примерно в 15 раз дешевле, чем DuPont.
«Еще одна особенность нашего метода — благодаря использованию циклотрона мы можем получать различную эффективную толщину мембран: от 10 до 400 микрон, тогда как у Nafion максимальная толщина составляет 250 микрон. На что влияет эта характеристика? На применение мембран под разные задачи — для электролизеров, водородовоздушных топливных элементов и так далее. Мы получили поддержку по программе «Приоритет 2030» и планируем провести «развертку» пучка циклотрона, чтобы можно было облучать пленки шириной до 450 мм. Это позволит нам повысить производительность установки и улучшить показатели равномерности облучения образцов большего формата», — поясняет Валентина Сохорева.
По словам ученых, проект уже вызвал много интереса у крупных компаний. Среди них, например, ПАО «КАМАЗ», АО «Силовые машины», Инновационный центр «Бирюч» и другие. Сейчас потенциальные предложения тщательно прорабатываются.
«Итоговым результатом должна стать разработка технологии, позволяющей нам получать мембраны для топливных элементов различного размера и мощности. Кроме того, очень важная задача, для того чтобы сделать топливные элементы более дешевыми и доступными, это формирование каталитических слоев с меньшей платиновой загрузкой. Также мы планируем провести дальнейшие исследования уже полученных образцов — на долговечность, число рабочих часов, на разрыв. Мы стремимся создать мембрану, которая по характеристикам не уступит, а в чем-то и превзойдет существующие аналоги», — отмечает Валентина Сохорева, уточняя, что в исследовании задействованы сотрудники Инженерной школы ядерных технологий, Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий, а также студенты ИЯТШ.