Композитные мембраны для высокотемпературных топливных элементов с протонообменной мембраной и электролизёров: критический обзор

Топливные элементы и электролизёры с протонообменной мембраной (PEM) обеспечивают эффективное использование и производство водорода для транспорта без выбросов и устойчивых энергетических систем. Мембраны на основе перфторсульфоновой кислоты (PFSA), такие как Nafion® и Aquivion®, являются современным стандартом PEM-мембран; однако необходимо повысить рабочую температуру, чтобы улучшить массоперенос, предотвратить отравление катализатора и затопление электродов, повысить эффективность, а также снизить стоимость и сложность системы. Вместе с тем мембраны на основе PFSA характеризуются более низкой механической и химической стабильностью, а также сниженной протонной проводимостью при низкой относительной влажности и температурах выше 80 °C. Один из подходов к сохранению рабочих характеристик заключается во введении неорганических наполнителей и повышении удержания воды благодаря их гидрофильности. Альтернативно могут разрабатываться полимеры, в которых протоны переносятся не в виде гидратированных ионов H3O+ через подобные жидкости водные каналы, как в мембранах PFSA, а в виде свободных протонов (H+) через бренстедовские кислотные центры в полимерной цепи. Поли(бензимидазол) (PBI) и сульфированный полиэфирэфиркетон (SPEEK) относятся к таким материалам, однако они требуют значительного кислотного допирования. Для решения некоторых сопутствующих проблем и достижения достаточной проводимости исследуются различные композиты. В настоящей работе критически обсуждаются несколько репрезентативных исследований композитных PEM-мембран и оценивается их значимость. Кроме того, представлены достижения в области введения электронной проводимости в полимерное связующее каталитических слоёв.