Протонообменные мембранные топливные элементы (ПОМТЭ) представляют собой устойчивые и высокоэффективные энергетические технологии. Мембранно-электродный блок (МЭБ), являясь их ключевым компонентом, определяет общую производительность батареи, в то время как протонообменная мембрана (ПОМ) играет критическую роль в проведении протонов, разделении газов и эффективности. Современное производство ПОМ в основном опирается на методы литья из раствора, которые страдают от таких проблем, как неравномерная толщина и сложность контроля микроструктуры. Хотя были исследованы методы модификации полимеров, производительность и долговременная стабильность в практических применениях всё ещё требуют улучшения. Высокотемпературные ПОМТЭ (ВТ-ПОМТЭ), работающие при повышенных температурах (120°–200°C), обладают преимуществами, такими как отсутствие необходимости в сложном управлении водой, устойчивость к примесям в водородном топливе и возможность использования отработанного тепла, что делает их идеальным выбором для энергетических применений. Однако ключевой проблемой фосфорнокислотных (ФК)-допированных ПОМ является вымывание ФК, что приводит к деградации каталитического слоя и снижению эффективности.
Недавно команда из Университетского колледжа Лондона разработала систему нановолоконных мембран с синергетическими структурными и интерфейсными улучшениями. Их результаты были опубликованы в Science Advances (ИФ=12,5, цитирование: Sci. Adv. 11, eadw5747 (2025)) под заголовком «Нановолоконные мембраны для повышения производительности и оптимизации протонообменных мембранных топливных элементов». Благодаря нановолоконной структуре и инженерии поверхности команда достигла баланса протонной проводимости, механической прочности и электрохимической производительности мембраны. Примечательно, что сэндвич-структурированная нановолоконная мембрана (ССНМ) продемонстрировала выдающуюся производительность, достигнув пиковой плотности мощности 942 мВт·см⁻² после 100 часов ускоренных стресс-тестов, что значительно превосходит 520 мВт·см⁻² обычных коммерческих мембран. Электрохимическая характеристика показала протонную проводимость 40,4 мСм·см⁻¹, что выше 17,5 мСм·см⁻¹ коммерческих мембран.
В исследовании использовались многомасштабные аналитические методы, включая рентгеновскую компьютерную томографию и многофазное моделирование, чтобы выявить улучшения в производительности мембраны, стабильности каталитического слоя и формировании трёхфазной границы, обеспечиваемые нановолоконной мембраной, тем самым способствуя эффективному переносу заряда и массы. Команда также провела электрохимические оценки поверхностно-модифицированных пористых PBI NFM и SSNFM МЭБ (при 160°C, анод: H₂ 100 мл мин⁻¹, катод: O₂ 100 мл мин⁻¹), которые показали превосходные результаты по изменению напряжения холостого хода (НХХ), поляризационным кривым и стабильности при ускоренных стресс-тестах (УСТ). Предложенная в данном исследовании стратегия проектирования мембран представляет важное решение для повышения производительности топливных элементов в применениях устойчивой энергетики.
