Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают твердооксидные топливные элементы для установок, вырабатывающих электроэнергию из углеводородного топлива или водорода.

Ученые ТПУ совместно со своими коллегами из Института сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) предложили новый метод производства одного из ключевых элементов топливного элемента - электролита. Это увеличит срок службы топливных элементов, сообщили в пресс-службе вуза.

По словам ученых, они первыми в России предложили использовать метод магнетронного распыления для создания электролита. Таким методом был получен очень тонкий слой электролита, толщиной не более пяти микрон. Это снизило температуру, при которой вырабатывается электричество, на 100 ° C, что поможет увеличить срок службы топливных элементов.

Образцы топлива

Твердооксидные топливные элементы (или ТОТЭ) можно считать «сердцем» водородной электростанции. Они преобразуют энергию топлива в электрическую и частично в тепловую, не сжигая ее. Твердооксидные топливные элементы могут работать с углеводородным топливом, таким как метан и бутан, а также с водородом.

Топливный элемент состоит из трех слоев: катода, анода и электролита между ними. В силовой установке к ним с разных сторон подают водород и воздух. Когда ионы кислорода и молекулы водорода объединяются, происходит химическая реакция, в результате которой выделяется тепло и электричество. Побочным продуктом реакции является чистая вода.

Твердооксидные топливные элементы имеют два основных преимущества, отметил доцент Вайнбергского научного центра ТПУ Андрей Соловьев.

«Прежде всего, они имеют электрический КПД до 60%, тогда как тепловые, газотурбинные или атомные электростанции имеют электрический КПД 40%. Во-вторых, они экологически чистые, поэтому сегодня они привлекают внимание во всем мире. Однако они все еще не получили широкого распространения, и ученые ищут методы и способы производства еще более эффективных, надежных и дешевых топливных элементов. В Томске давно и успешно разрабатываются тонкопленочные покрытия методом магнетронного напыления, поэтому мы решили попробовать нанести электролит этим методом. И мы получили толщину слоя в пять микрон - один из лучших результатов среди других методов нанесения электролита », - сказал он Sputnik.

Электролит в топливном элементе действует как барьер между молекулами водорода и кислорода, которые могут взорваться при прямом смешивании. Слой электролита пропускает только ионы кислорода, необходимые для безопасной реакции. Сам электролит представляет собой тонкую пленку диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия и церия, легированного гадолинием. Электролит нанесен на керамический анод.

«Суть метода магнетронного распыления - выбивать (распылять) атомы вещества из поверхностных слоев мишени ионами рабочего газа, обычно аргона, и их последующее осаждение на подложку», - инженер Исследовательской Об этом Sputnik сообщил факультет физики высоких энергий ТПУ Егор Смолянский.

В Томском политехническом университете создана собственная вакуумно-магнетронная установка для нанесения такого покрытия.

«Обычные твердооксидные топливные элементы работают при температуре около 850 ° C. Благодаря тонкому электролиту наши работают при температуре 750 ° C. Снижение рабочей температуры увеличивает срок службы батареи топливных элементов, поскольку скорость разрушения материалов снижается при более низкой температуре. Тонкий электролит также увеличивает удельную мощность. Это позволяет получить больше мощности при том же размере топливного элемента. Чтобы выяснить, насколько можно продлить жизненный цикл элементов, нам необходимо провести длительные ресурсные испытания », - сказал Егор Смолянский.

ТПУ инициировал создание консорциума под названием «Технологическая водородная долина». Его участники будут проводить совместные исследования и разрабатывать технологии производства, транспортировки, безопасного хранения и использования водорода в энергетике. В консорциум вошли Институт катализа им. Н.А. Борескова СО РАН, Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН), Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук ( ИППи РАН), Самарский государственный технический университет (СГТУ) и Сахалинский государственный университет.
Источник

Ученые обнаружили, как продлить жизненный цикл водородных топливных элементов