Ученые Уральского федерального университета и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН (г. Екатеринбург) предложили новый подход к созданию твердооксидных топливных элементов, в которых анод, катод и электролит имеют идентичный катионный состав. В перспективе разработка позволит упростить их производство, повысить стабильность работы и значительно уменьшить время первого запуска, а также сократить количество бракованных изделий. Результаты работы опубликованы в журналах Nanomaterials и Journal of Power Sources.
Топливные элементы ― это устройства прямого преобразования газа в электроэнергию путем электрохимического окисления топлива. Они отличаются высоким КПД и экологичностью: единственный побочный продукт работы водородного топливного элемента ― чистая вода. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) кардинально отличаются от других видов используемыми материалами: в качестве электролита используется не жидкость, или полимерная мембрана, а керамика. Их преимущества в возможности работы с относительно грязным водородом и генерация большого количества тепла, которое можно использовать. Кроме того, объединяя ТОТЭ можно создавать многокиловатные подстанции.
«Существующие ТОТЭ состоят из разнообразных по химическому, фазовому и структурному составу материалов, которые создают многослойную структуру. Эти слои не всегда эффективно взаимодействуют между собой. Кроме того, традиционные топливные элементы, которые сейчас широко изучаются, подразумевают применение тонкопленочных технологий. Из-за этого производится достаточно большой процент брака: элемент может не работать, если в него попадет буквально пылинка», ― рассказал корреспонденту «Научной России» старший научный сотрудник кафедры экономики природопользования УрФУ и заведующий лабораторией кинетики Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН Денис Осинкин.
Первоначально ученые УрФУ работали над топливными элементами с симметричными электродами: это система, в которой анод и катод одинаковы по химическому составу, но отличные от структуры электролита. Около трех лет назад начали разработку топливного элемента с идентичным катионным составом трех основных функциональных слоев.
«Структура такого химического дизайна подразумевает применение несущего высокопроводящего электролита. Это позволяет отказаться от тонкопленочных технологий и колоссально снизить количество брака. Кроме того, мы применяем симметричные электроды, что упрощает производство и сокращает количество технологических процессов. Также одно из преимуществ разработки ― это отсутствие необходимости предварительного восстановления топливного электрода. Это позволяет нам быстро нагревать ячейки топливных элементов и сразу запускать в работу. Для сравнения: у традиционных топливных элементов процедура восстановления анода очень длительная: чтобы запустить киловаттный топливный элемент, необходимо предварительно восстанавливать анод в течение суток», ― рассказал Денис Осинкин.
Специалисты УрФУ и ИВТЭ провели испытания ячеек новой архитектуры при температуре 800oС в течение 1 тыс. часов ― объекты показали стабильную работу и устойчивость к деградации при высоких температурах. Денис Осинкин отметил, что, несмотря на полученные результаты, разработка остается в начальной стадии ― учением предстоит решить ряд задач, в том числе, связанных с дальнейшей модификацией материалов для анода, катода и электролита. После этого потребуется разработка методики шликерного литья электролита бо́льшего размера. Создание полноразмерного твердооксидного топливного элемента новой архитектуры, предварительно, может занять около трех лет. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-00040.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото: Денис Осинкин / УрФУ
