Благодаря удачному сочетанию рекордно высокой удельной поверхности (до 1300 см²/г) с хорошими электрическими характеристиками, углеродные нанотрубки (УНТ) могут быть эффективно использованы для изготовления электродов в топливных элементах. При этом удается полностью избавиться от металлических деталей, что позволяет существенно снизить массу устройства при сохранении его энергетических параметров.

Такая возможность была продемонстрирована недавно сотрудниками Института М. Планка в Штутгарте (ФРГ), которые изготовили топливный элемент с электродами из сетей, состоящих из однослойных УНТ.

Материал, содержащий однослойные УНТ, синтезировали стандартным электродуговым методом и очищали с помощью ультразвуковой обработки в концентрированной азотной кислоте. Полученную суспензию смешивали с политетрафторэтиленом и фильтровали через поликарбонатную мембрану. В результате этого на фильтре оседала запутанная гидрофобная сеть из УНТ, которая служила частью газодиффузионного электрода. Затем через полученную гидрофобную сеть фильтровали новую часть суспензии, что приводило к образованию гидрофильной сети поверх гидрофобной. Затем на верхнюю поверхность гидрофильной сети наносили 0,1М раствор H₂PtCl₆ в изопропаноле, который служил прекурсором для образования катализатора. Восстановление прекурсора до металлической платины (размер частиц 2–3 нм) проводили в течение часа при температуре 100^оС в потоке водорода. Описанную процедуру применяли для изготовления как анода, так и катода. При этом поликарбонатную мембрану не удаляли, а использовали в качестве сепаратора и контейнера для электролита.

Рис. 1. Схема газодиффузионного электрода, изготовленного на основе сетей УНТ (слева) и его расоложение на топливном элементе (справа)

Изготовленные таким образом электроды испытывали в конструкции топливного элемента, представленной на рис. 1. Элемент состоял из биполярных пластин, системы подачи и удаления газа и устройств для формирования газовых потоков. Электроды были обращены гидрофобной стороной к потоку, а гидрофильной стороной, покрытой мембраной, к противоположному электроду. Мембранные фильтры смачивали электролитом, в качестве которого использовали концентрированную фосфорную кислоту.

Испытания показали, что проводимость изготовленных электродов на основе сетей УНТ более чем на два порядка превышает соответствующий параметр для стандартных электродов на основе аморфного углерода, в то время как толщина и масса этих электродов примерно на порядок ниже стандартных. При этом токовые характеристики электродов на основе УНТ пока на несколько десятков процентов уступают соответствующим параметрам стандартных устройств, что может быть обусловлено недостаточно оптимальной процедурой изготовления.

А.В. Елецкий

• 1. M. Kaempgen et al., Appl. Phys. Lett. 92, 094103 (2008)