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 России аналоги мембран Nafion не выпускаются и наладить подобное производство с нуля очень сложно и дорого. Поэтому ученые из ТПУ решили пойти другим путем, используя свои наработки 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 2×2 сантиметра. 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 работают как протонный проводник при большей температуре, чем зарубежные образцы: до 110-120 градусов Цельсия (Nafion – до 80 градусов). Также благодаря использованию отечественных компонентов квадратный метр мембраны, изготовленной в ТПУ, будет примерно в 15 раз дешевле, чем DuPont.
ЦЕще 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.
«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.