В настоящее время наблюдается значительный рост применения различных устройств, имеющих специфические требования по размеру, мощности и стоимости. Топливные элементы (ТЭ) часто используются для автономных и мобильных приложений. Однако у ТЭ есть некоторые недостатки, такие как необходимость использования дорогих платиновых катализаторов на катодах для снижения высоких активационных потерь во время реакции кислорода. Чтобы преодолеть этот недостаток, исследователи изучили альтернативные решения, такие как замена реакции восстановления кислорода в газовой фазе на редокс-реакции в водных электролитах, что привело к разработке гибридных источников водородной энергии. Эти системы объединяют преимущества независимого масштабирования емкости и мощности, присущие редокс-проточным батареям, с высокой энергетической плотностью водородно-воздушных ТЭ. Кроме того, их емкость можно дополнительно повысить за счет использования многозарядных реакций или химически регенеративных редокс-топливных элементов.

Коллектив ученых из ФИЦ ПХФ и МХ РАН, Научно-учебной лаборатории электроактивных материалов и химических источников тока, Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева, Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, а также Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН проанализировал работу водородно-броматного топливного элемента (HBFC), функционирующего в режиме пакетной рециркуляции. Ученые корректировали состав католита и условия работы, чтобы обеспечить стабильную разрядку элемента и предотвратить образование жидкого брома. Для достижения этой цели проводился анализ эволюции броматных католитов с различным содержанием кислоты с использованием термодинамических расчетов, учитывающих равновесие между бромными соединениями и материальный баланс для протонов. На основе результатов этих расчетов и данных о химической стабильности католита исследователи отобрали составы, подходящие для испытаний HBFC.

Чтобы получить данные о эволюции католита, были применены новейшие спектрофотометрические и электрохимические in situ/operando методики. Исследование показало, что состав католита и его среднее окислительное состояние, а также взаимодействие между химическими и электрохимическими реакциями значительным образом влияют на выход мощности HBFC. Главное практическое открытие данного исследования заключается в том, что при оптимизированных условиях HBFC продемонстрировал как высокую энергетическую плотность, так и разумные показатели производительности. Например, при составе католита 1 М LiBrO₃ и 0.3 М H₂SO₄, энергетическая плотность составила 116 Вт·ч/л (теоретическая 1270 Вт·ч/л для 5.5 М LiBrO₃), при этом ячейка работала с коэффициентом использования мощности 98.7% и мощностью 194 мВт/см² при 250 мА/см².

Таким образом, водородно-броматный топливный элемент (HBFC) сочетает в себе два из вышеперечисленных подходов для повышения энергетической плотности водородно-броминовой батареи, используя реагент катода (бром) с химической регенерацией многоэлектронным оксидантом бромата в объеме католита: например, для 5.5 М LiBrO₃ теоретическая энергетическая плотность равна 1270 Вт·ч/л.

Speshilov I.O., Pichugov R.D., Loktionov P.A., Konev D.V., Petrov M.M., Rybakova A.L., Artemeva U.V., Karpenko K.A., Vereshchagin A.N., Vorotyntsev M.A., Antipov A.E. // Unraveling an interplay between factors affecting the performance of hydrogen-bromate fuel cell by operando monitoring methods. //International Journal of Hydrogen Energy, v. 85, p. 88-96, 4 October 2024, Q-1, IF = 8,1

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.08.322