Японские исследователи из Токийского института науки создали компактное портативное устройство, работающее на твердооксидном топливном элементе (ТОТЭ) и имеющее размер, сопоставимый с ладонью. Данная разработка может служить надежным источником энергии для автономных систем, которым требуется высокая производительность, например, для беспилотных летательных аппаратов, мобильных роботов и оборудования для обработки данных искусственного интеллекта, используемого в полевых условиях.
Твердооксидные топливные элементы представляют собой многообещающую технологию, поскольку их энергетическая плотность может быть в четыре раза выше, чем у широко используемых литий-ионных аккумуляторов. Электричество они производят посредством электрохимической реакции, преобразующей водородное топливо, что характеризуется высокой эффективностью и минимальными потерями. Ключевым ограничением для уменьшения их габаритов является очень высокая рабочая температура – порядка 600 °C. Уменьшение размеров приводит к возникновению значительной разницы температур между внутренней, сильно нагретой частью и внешней оболочкой, что вызывает критические механические напряжения и разрушение керамических элементов.
Японские ученые нашли решение этой задачи, разработав совершенно новую конструкцию. Вместо громоздких компонентов они создали гибкий каркас из специальной керамики – диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Этот каркас служит основой для тонкопленочного топливного элемента и включает в себя сеть микроканалов, предназначенных для подачи топлива и удаления продуктов реакции. Разработанная конструкция снижает теплопроводность и возникающие термические напряжения. Кроме того, система оборудована легкой многослойной теплоизоляцией, которая эффективно сохраняет тепло в рабочей зоне. Благодаря этому инновационному решению в области терморегулирования установка достигает рабочей температуры 600 °С всего за пять минут, начиная с холодного состояния, в то время как ее крупные промышленные аналоги требуют для этого около получаса.
Ключевым аспектом разработки является интегрированная пассивная система безопасности. При повреждении корпуса или теплоизоляции устройство очень быстро теряет тепло, и температура опускается ниже критического уровня воспламенения водорода менее чем за пять минут. Это предотвращает возникновение пожара или взрыва в случае аварии, обеспечивая безопасность технологии при мобильном применении.
Представленное исследование является прототипом, который может быть расширен и станет основой для создания нового типа портативных источников энергии в журнале Microsystems & Nanoengineering.