В последние десятилетия устройство топливных ячеек было сильно улучшено благодаря замене электролитических растворов на полимерные электролиты. Топливные ячейки уменьшились в размере и выиграли в мощности. Использование полимерных электролитов полностью исключило возможность утечек и позволило эффективно отделять топливо (например, водород) от окислителя (кислорода) тонкой пластинкой толщиной всего несколько десятков микрон. В настоящее время в качестве электролитов используются кислотные полимеры (в основном нафион), для которых нужен катализатор из благородного металла, что сильно повышает стоимость таких ячеек. Протонообменные мембраны имеют сильнокислую природу, и только благородные металлы относительно устойчивы в таком коррозионном окружении.
Китайские ученые предложили модель топливной ячейки с полимерным электролитом, не нуждающейся в катализаторах из благородных металлов. Для этого в качестве электролита они использовали проводящий полимер (по гидроксид-ионам) – четвертичный аммонийный полисульфонат. Для катализатора взяли никель, модифицированный хромом, и серебро.
Используемый щелочной полимерный электролит имеет ряд преимуществ. При его эксплуатации не возникает карбонизации, губительной для мембраны. Он стабилен при температурах ниже 120°C и поэтому может безопасно использоваться при 100°C. Этот полимер также растворим в определенных растворителях, что позволяет делать из него мембраны определенной толщины и размера, а также располагать их между слоями катализатора. Этот полимер состоит из протяженных гидрофобных сетей, в которых находятся гидрофильные наноразмерные домены. Такая структура мембраны способствует высокой ионной проводимости (>10-2 Сименс/см) и превосходной механической прочности (модуль Юнга составляет 1000 МПа).
Для катализатора на аноде ученые синтезировали наночастицы никеля, модифицированные хромом. Добавка хрома позволила снизить пик десорбции с 260°C для чистого никеля до 130°C. Такой катализатор может быть легко активирован водородом при комнатной температуре. Для катодного катализатора использовали серебро.
Хотя технология еще не оптимизирована до конца, эта ячейка уже демонстрирует неплохую производительность (максимум мощности – 50мВ/см2 при 60°C). Эффективность ячейки не снижалась на протяжении 100 часов.
Ученые надеются, что предложенная ими идея даст толчок развитию нового направления
Работа «Alkaline polymer electrolyte fuel cells completely free from noble metal catalysts» была опубликована в PNAS.
.
)
. Народ ведь бросится лопатить этот "клондайк".