Новый подход упрощает и удешевляет производство ячеек для водородной энергетики
Уральские ученые создали твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) с революционным химическим дизайном функциональных слоев: анод, катод и электролит имеют идентичный ионный состав. Этот подход упрощает и удешевляет производство новых топливных элементов для водородной энергетики, которые при этом имеют высокий уровень стабильности. Разработка выполнена при поддержке РНФ (грант № 24-19-00040) и опубликована в журнале Nanomaterials.
«Одинаковый ионный состав всех функциональных слоев топливного элемента повышает их сродство друг с другом, благодаря этому значительно снижается химическое взаимодействие слоев. Это позволяет устройству функционировать дольше, чем имеющиеся аналоги, что заметно как при изготовлении единичной электрохимической ячейки, так и во время работы нескольких элементов. Кроме того, для производства ТОТЭ предлагаемой нами конструкции самыми дорогими реагентами являются соединения лантана и галлия, добыча которых осуществляется у нас в России. В будущем это позволит организовать производство из полностью отечественных материалов», — объяснил Денис Осинкин, старший научный сотрудник кафедры экономики природопользования УрФУ и заведующий лабораторией кинетики Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН.
Классическая конструкция топливного элемента предполагает использование множества функциональных слоев, имеющих совершенно разный химический и фазовый состав. Уральские ученые впервые предложили использовать в качестве катода, анода и электролита одинаковые материалы, что помогает сократить время и стоимость изготовления устройств за счет уменьшения технологической цепочки производства порошкового материала и количества высокотемпературных обработок.
Эксперты подчеркивают, что в качестве топлива для ТОТЭ используются водородсодержащие газы, создающие экстремальную восстановительную атмосферу. Новые материалы показали в таких условиях хорошую стабильность, проработав более 950 часов с минимальной деградацией и сохранив низкое сопротивление при температуре 800 °C.
«То, что наша единичная электрохимическая ячейка показывает незначительное снижение характеристик при выдержке в таких условиях на протяжении почти 1000 часов, позволяет нам прогнозировать долговечность устройства на основе нашей разработки. На сегодняшний день известны результаты испытаний ТОТЭ на протяжении 100 тыс. часов. Однако в лабораторных условиях такие длительные испытания не проводятся. Считается, что для анализа стабильности характеристик достаточны результаты долговременных испытаний на протяжении 500-1000 часов», — добавил Денис Осинкин.
Добиться таких показателей ученым удалось за счет использования принципа «симметричной ячейки», когда у топливного элемента и электроды, и электролит сделаны на основе соединений близкого или даже идентичного ионного состава для максимального сближения свойств.
В настоящий момент внедрению в повсеместное пользование подобных инновационных твердооксидных топливных элементов препятствуют в основном инфраструктурные факторы: отсутствие рентабельного способа доставки водорода до устройства и высокая стоимость этого водорода. Классические методы получения электроэнергии хоть и являются не всегда экологически чистыми, но до сих пор считаются самыми дешевыми. Поэтому ученые отмечают, что следующий этап исследования данной технологии — масштабирование.
«Для приближения к промышленному производству ТОТЭ важным этапом является переход на высокопроизводительные технологии получения несущего слоя электролита, например, на технологию шликерного литья. Она позволит увеличить как количество керамических пластин, так и их геометрические размеры. После получения первой укрупненной электрохимической ячейки необходимо будет также убедится в ее стабильной работе в единичной экземпляре и в стэке, что позволит тестировать полноценное устройство в рабочем режиме», — подчеркнул Денис Осинкин.
Напомним, в 2022 году в рамках программы «Приоритет-2030» в Уральском федеральном университете создали НИИ водородной энергетики, специалисты которого разрабатывают и синтезируют для водородной энергетики новые функциональные материалы и устройства с высокими эксплуатационными характеристиками. Один из основных партнеров вуза — Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН. Он является лидером в области электрохимического материаловедения, электрохимической энергетики и в исследованиях твердооксидных систем для топливных элементов и высокотемпературных электролизеров.
Справка
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) — высокоэффективные устройства (КПД до 60–70%) для прямого преобразования химической энергии топлива (водород, природный газ) в электричество с минимальными выбросами. Они являются ключевыми для водородной энергетики. Описанные в научной работе симметричные ТОТЭ (с одинаковыми анодом и катодом) — активно развиваемое направление последних 10 лет, главная цель которого — упрощение производства и повышение надежности за счет лучшей совместимости материалов.
Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня и государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».
