Топливные элементы с протонообменными мембранами (ПЭМТЭ) представляют собой электрохимические устройства, преобразующие химическую энергию топлива непосредственно в электрическую через окислительно-восстановительные реакции. Основой конструкции является протонпроводящая мембрана, обычно изготовленная из перфторсульфоновой кислоты, способной проводить протоны от анода к катоду при сохранении электроизоляционных свойств.
На аноде происходит окисление топлива (чаще всего водорода):
$$ \ce{H2 -> 2H+ + 2e-} $$
Протоны проходят через мембрану к катоду, а электроны направляются через внешнюю цепь, создавая электрический ток. На катоде кислород из воздуха восстанавливается и реагирует с протонами, образуя воду:
$$ \ce{O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O} $$
Эффективность ПЭМТЭ определяется кинетикой реакции на электродах, проводимостью мембраны и управлением массопереносом газов и жидкости.
Протонообменная мембрана — центральный элемент, который обеспечивает селективный транспорт протонов при барьере для электронов. Наиболее распространены мембраны на основе nafion, обладающие высокой химической и термической стабильностью, а также хорошей механической прочностью. Поры мембраны насыщены водой, что критично для подвижности протонов.
Анод и катод формируются из пористых углеродных материалов, покрытых катализатором, обычно платиной или её сплавами. Пористая структура обеспечивает эффективный контакт топлива и окислителя с катализатором, а также облегчает удаление продуктов реакции. Газодиффузионные слои обеспечивают равномерное распределение газов и отвод воды, предотвращая затопление мембраны.
Биполярные пластины выполняют функцию распределения газа, отвода тепла и соединения отдельных ячеек в многосекционные сборки. Материал должен быть химически устойчивым и обладать низким сопротивлением электрическому току.
Электродвижущая сила ПЭМТЭ зависит от термодинамических потенциалов реакции и проявляется через стандартный электродный потенциал водорода и кислорода. На практике напряжение элемента ниже теоретического из-за:
Поляризационные кривые (I–V) используются для количественной оценки этих эффектов. Типичная рабочая плотность тока ПЭМТЭ составляет от 0,5 до 1 А/см², а рабочее напряжение одной ячейки — около 0,6–0,7 В при стандартных условиях.
Эффективная работа ПЭМТЭ невозможна без правильного управления транспортом влаги и теплоотводом. Мембрана теряет проводимость при недостаточной гидратации, что снижает эффективность и ускоряет деградацию материала. Избыточная вода может вызывать затопление катода, препятствуя доступу кислорода. Поэтому система водного баланса требует контролируемого увлажнения газов и отвода конденсата.
Тепло, выделяющееся при реакции, необходимо удалять через конструкцию сборки, так как перегрев мембраны снижает её механическую и химическую устойчивость.
Ключевым фактором эффективности является катализаторная активность анода и катода. На аноде предпочтительно использование материалов с высокой активностью к окислению водорода, минимизирующих образование побочных продуктов. На катоде основной задачей является ускорение восстановления кислорода, реакция которой ограничена низкой скоростью переноса электронов.
Разработка двухфазных катализаторов и композитных структур повышает селективность и долговечность, снижая потребность в драгоценных металлах и улучшая стабильность при пульсирующей нагрузке.
Основные механизмы деградации ПЭМТЭ:
Продление срока службы связано с оптимизацией химического состава мембран, защитой от радикалов и разработкой катализаторов с высокой устойчивостью к коррозии.
ПЭМТЭ находят применение в транспортных средствах, стационарных энергосистемах и портативных источниках питания благодаря высокой удельной мощности, низкому уровню выбросов и быстрому запуску. Современные исследования сосредоточены на снижении стоимости катализаторов, увеличении стабильности мембран и разработке методов эффективного управления влагой и теплом для повышения долговечности и экономической эффективности.