Российские ученые предложили новации в создании твердооксидных топливных элементов

Монокристаллические мембраны из кристаллов ZrO₂, стабилизированных Yb₂O₃, размером 50 × 50 мм^2. Фото: пресс-служба МФТИ

Ученые из Института физики твердого тела им. Осипьяна РАН, Московского физико-технического института, Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, НИТУ МИСИС, МГУ имени Н. П. Огарева и Московского Политеха разработали новаторскую технологию получения керамических мембран для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Научная работа опубликована в Journal of Solid State Electrochemistry.

ТОТЭ — это электрохимические источники энергии, в которых топливо окисляется кислородом воздуха. При этом в качестве первого компонента для реакции используют водород, метан, биогаз или прочие широко распространенные вещества. С другой стороны в устройство подают обычный воздух. При этом на выходе образуются электрический ток, тепло (с рекордной эффективностью) и вода. Поэтому во всем мире такие батареи считают одним из перспективных направлений для развития экологически безопасной энергетики.

Коэффициент полезного действия в современных ТОТЭ при производстве электроэнергии достигает 65%, а если, кроме того, эффективно утилизировать теплоту, — доходит до 95%, что в два-три раза выше, чем в двигателях внутреннего сгорания.

Вместе с тем мембраны в ТОТЭ играют ключевую роль. Они создают барьер между топливом и окислителем и выполняют функции электролита — то есть проводят через себя ионы кислорода, создавая электрический ток.

«Для изготовления мембраны мы использовали состав из оксидов циркония, редкоземельных скандия и иттербия. Эта композиция имеет близкие к рекордным характеристики проводимости. Наряду с прочностью и стабильностью это одна из наиболее важных характеристик для твердого электролита. При этом мы применили новый метод получения керамики. А именно, мы создали керамику путем первоначального выращивания монокристаллов, затем их измельчения, создания суспензии с необходимыми добавками и ленточного литья на подвижную подложку», — рассказал Дмитрий Агарков, заведующий лабораторией топливных элементов МФТИ, ведущий научный сотрудник ИФТТ РАН.

По его словам, такая техника отличается от традиционного способа изготовления керамики для твердых электролитов, при котором порошок с оксидами получают из исходных солей. При этом исследование показывает, что новый метод выигрывает по продуктивности и дешевизне, что делает его более перспективным.

Специалист отметил, что на сегодняшний день основные области применения ТОТЭ — это производство электроэнергии и обеспечение теплом объектов, удаленных от основных коммуникаций. В этом качестве их широко используют за рубежом. В частности, в Японии существует программа с государственной поддержкой, в рамках которой поощряется установка в домохозяйствах экологически чистых локальных генераторов энергии. Твердооксидные топливные элементы как раз соответствуют этим критериям.

Для России ТОТЭ актуальны, в частности, при освоении северных территорий, где сложно и дорого проводить централизованные линии электроснабжения. Также многие исследователи считают технологии на их основе оптимальным решением для обеспечения энергией и теплом особо охраняемых природных территорий.

Кроме того, в текущий момент активно разрабатываются решения с использованием ТОТЭ в качестве вспомогательной или основной двигательной установки на морском транспорте и беспилотных летающих аппаратах.