Сотрудники Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН (Екатеринбург) разработали инновационный метод создания твердооксидных топливных элементов. Ключевой особенностью предлагаемой технологии является использование идентичного катионного состава для изготовления анода, катода и электролита. Ожидается, что это позволит упростить производственный процесс, повысить надежность работы устройств, уменьшить время их первоначального запуска и снизить процент дефектной продукции. О результатах исследования сообщается в научных публикациях Nanomaterials и Journal of Power Sources.
Топливные элементы – это приборы, осуществляющие непосредственное преобразование газа в электричество посредством электрохимической реакции окисления топлива. Они характеризуются высокой эффективностью и экологичностью: единственным продуктом, образующимся при работе водородного топливного элемента, является вода. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) принципиально отличаются от других типов используемыми компонентами: в качестве электролита применяется не жидкость и не полимерная мембрана, а керамический материал. Их достоинства заключаются в способности функционировать с водородом, содержащим примеси, и в производстве значительного количества тепла, которое можно использовать. Также, объединение ТОТЭ позволяет создавать мощные подстанции, рассчитанные на несколько киловатт.
«Топливно-электрические преобразователи (ТОТЭ) формируются из материалов, различающихся химическим составом, фазовым состоянием и структурой, что приводит к созданию многослойной конструкции. Взаимодействие между этими слоями не всегда является оптимальным. Помимо этого, современные топливные элементы, которые активно исследуются, требуют использования тонкопленочных технологий. Это обуславливает высокий процент дефектов: даже незначительное загрязнение, например, попадание пыли, может привести к неработоспособности элемента, – сообщил корреспонденту «Научной России» старший научный сотрудник кафедры экономики природопользования УрФУ и заведующий лабораторией кинетики Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН Денис Осинкин.
Изначально специалисты Уральского федерального университета проводили исследования топливных элементов с симметричными электродами – конструкцией, где анод и катод имеют одинаковый химический состав, но отличаются от структуры электролита. Приблизительно три года назад началась работа над топливным элементом, в котором три ключевых функциональных слоя имеют идентичный катионный состав.
«Такая структура химического дизайна предполагает использование высокопроводящего электролита в качестве носителя. Это позволяет исключить применение тонкопленочных технологий и значительно уменьшить количество дефектов. Помимо этого, мы используем симметричные электроды, что облегчает процесс изготовления и сокращает число технологических операций. Также одним из достоинств разработки является отсутствие необходимости предварительного восстановления топливного электрода. Это дает возможность быстро нагревать ячейки топливных элементов и оперативно приводить их в рабочее состояние. Для сравнения, в традиционных топливных элементах процедура восстановления анода занимает продолжительное время: для запуска киловаттного топливного элемента требуется сутки на предварительное восстановление анода, ― пояснил Денис Осинкин.
Испытания ячеек, разработанных по новой архитектуре, были проведены специалистами Уральского федерального университета и Института вычислительной техники в условиях, имитирующих температуру 800 градусов oВ ходе эксплуатации в течение 1000 часов объекты продемонстрировали стабильную работу и сохранили устойчивость к разрушению при повышенных температурах. Денис Осинкин подчеркнул, что, несмотря на полученные результаты, работа над проектом находится на ранней стадии, и предстоит решить ряд вопросов, включая дальнейшую модификацию материалов для анода, катода и электролита. Затем потребуется разработать методику литья шликером для электролита большего размера. Создание полноразмерного твердооксидного топливного элемента новой архитектуры, вероятно, займет около трех лет. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-00040.
Материал создан при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации
Фото: Денис Осинкин / УрФУ