Водородные топливные элементы (ТЭ) в течение последних десятилетий отметились сотнями публикаций, в основном посвященных твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ), которые применяются для стационарных энергоустановок и имеют более высокую энергоэффективность сравнительно с рассматриваемым твердополимерным ТЭ или ТПТЭ. Однако прогресс в части ТПТЭ для автотранспота, отраженный в [1], заставил автора развить эту тему применительно к импортозамещению протообменной мембраны, которая является сердцевиной ТПТЭ.
Твердополимерный топливный элемент (ТПТЭ) в принятой терминологии (PEMFC – Proton Exchange Membrane Full Cell) имеет некоторые преимущества перед другим конкурирующим типом ТЭ, таким как твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ). ТПТЭ работают при более низкой температуре, легче и компактнее, имеет высокое быстродействие, что делает их идеальными для таких применений, как автомобили, воздушный, морской, ж/д транспорт и др. Однако есть некоторые недостатки: рабочая температура ~80 °C слишком низка для когенерации, как в ТОТЭ, причем электролит для ТПТЭ должен быть насыщен водой. Однако некоторые автомобили на топливных элементах, включая Toyota Mirai, работают без увлажнителей, полагаясь на быстрое образование воды и высокую скорость обратной диффузии через тонкие мембраны для поддержания гидратации мембраны, а также иономера в слоях катализатора.
Высокотемпературные ТПТЭ работают при температуре от 100 до 200 °C, потенциально предлагая преимущества в кинетике электродов и регулировании нагрева, а также лучшую устойчивость к примесям топлива, особенно CO в риформате. Эти улучшения потенциально могут привести к повышению общей эффективности системы. Однако эти достижения еще предстоит реализовать, поскольку мембраны с перфторированной сульфоновой кислотой (PFSA) золотого стандарта быстро теряют функциональность при 100 °C и выше, если гидратация падает ниже ~100%, и начинают расползаться в этом температурном диапазоне, что приводит к локальному истончению и общему сокращению срока службы системы. В результате активно изучаются новые безводные протонные проводники, такие как протоорганические ионные пластиковые кристаллы (POIPCs) и протонно-ионные жидкости на предмет разработки подходящих ПЭМ.