Российские ученые усилили мембрану для водородных топливных элементов

Исследователи Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН, НИУ ВШЭ и Томского политехнического университета разработали армированную протонпроводящую мембрану для водородно-воздушных топливных элементов. О работе 21 сентября 2026 года сообщило издание «Наука Mail» со ссылкой на пресс-службу Минобрнауки России.

Внутрь проводящего полимера ученые ввели нетканый слой из волокон сополимера винилиденфторида с тетрафторэтиленом. По данным разработчиков, армирование увеличило механическую прочность мембраны в 1,8 раза, почти подавило ее расширение в плоскости при увлажнении и повысило устойчивость к химическому разрушению. При этом протонная проводимость и мощностные характеристики испытанного топливного элемента сохранились.

Почему мембрана изнашивается

В низкотемпературном топливном элементе мембрана разделяет анод и катод, проводит протоны и одновременно должна препятствовать прямому смешению водорода с воздухом. Для ее работы необходима вода. Поэтому при изменении нагрузки, температуры и влажности материал многократно поглощает и отдает влагу.

Циклы увлажнения и высыхания изменяют размеры полимера. Если отдельные участки расширяются неодинаково, в тонкой пленке возникают напряжения, которые со временем могут привести к трещинам, проколам и росту газопроницаемости. Дополнительную нагрузку создают химически активные радикалы, образующиеся в электрохимической системе. Они атакуют полимерные цепи и ускоряют деградацию.

Для тяжелого транспорта и стационарных установок ресурс особенно важен: оборудование должно выдерживать длительную работу, частые пуски и смену мощности. В публикации «Наука Mail» в качестве ориентира для тяжелого транспорта приводится срок до 25 тысяч часов. Это отраслевое требование, а не уже подтвержденный ресурс нового образца.

Как работает армирующий слой

Нетканый материал образует внутри мембраны пространственный каркас из тонких волокон. Проводящий полимер заполняет промежутки между ними, а каркас принимает часть механической нагрузки и ограничивает изменение размеров. Авторы выбрали сополимер винилиденфторида с тетрафторэтиленом — химически стойкий фторсодержащий материал, который можно получать в виде волокнистого полотна.

Важным результатом стала совместимость армирующей основы с иономером. По сообщению исследователей, предварительная сложная обработка нетканого слоя не потребовалась: раствор проводящего полимера равномерно распределился по толщине заготовки. Такой подход потенциально упрощает изготовление композитной мембраны.

Подавление плоскостного набухания означает, что при контакте с водой материал меньше меняет длину и ширину. Это снижает напряжения в мембранно-электродном блоке и нагрузку на его уплотнения. Рост прочности в 1,8 раза относится к лабораторному сравнению образцов и не означает автоматического увеличения срока службы топливного элемента в 1,8 раза.

Что показали электрохимические испытания

Армирование полезно только в том случае, если каркас не перекрывает пути переноса протонов и не ухудшает работу ячейки. В представленном исследовании мембрана сохранила высокую протонную проводимость, а введение нетканого слоя не привело к заметному снижению мощности испытанного топливного элемента.

Разработчики также отмечают более высокую устойчивость к воздействию свободных радикалов. Это согласуется с задачей увеличить химическую стабильность мембраны наряду с механической. Однако публикация не содержит результатов многотысячного ресурсного цикла, достаточного для оценки коммерческой эксплуатации.

Что еще предстоит проверить

Следующий этап — длительные испытания в условиях, близких к реальной работе. Важно оценить сохранение характеристик при циклическом увлажнении, пусках и остановках, изменении температуры и давления газов. Потребуются измерения газопроницаемости, сопротивления мембраны и мощности мембранно-электродного блока после продолжительной нагрузки.

Для промышленного применения имеют значение воспроизводимость толщины, однородность пропитки нетканого каркаса, возможность изготовления больших листов и стоимость полного технологического процесса. Необходимо также подтвердить совместимость материала с серийными электродами, уплотнениями и режимами сборки стека.

Поэтому разработку корректно считать перспективным лабораторным материалом. Сообщение не означает начало серийного производства или готовность мембраны к установке в транспортные и стационарные системы. Ее практическое преимущество будет определено после ресурсных испытаний и масштабирования.

Значение для российской водородной энергетики

Армирование позволяет разделить функции материала: иономер отвечает за перенос протонов, а волокнистый каркас — за механическую стабильность. Такой подход дает возможность улучшать долговечность без радикального изменения электрохимической основы мембраны.

Работа объединяет компетенции ИОНХ РАН в области ионики и мембранных материалов, НИУ ВШЭ и Томского политехнического университета. Для отечественных топливных элементов особенно важны технологии, которые можно воспроизводимо масштабировать из доступных компонентов и проверять в составе полноценного мембранно-электродного блока.

Изображение: стадии получения армированной мембраны. Источник — Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, публикация «Наука Mail».

Редакционная версия h2power.pro подготовлена по сообщению «Наука Mail» и материалам научных организаций. Численные показатели относятся к представленным лабораторным образцам.