Ученые ВятГУ разработали полный технологический цикл производства твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) и подобрали эффективные материалы для их создания. По словам специалистов, результаты исследования будут востребованы при создании отечественных энергоустановок нового поколения. Работа опубликована вжурнале Journal of Applied Electrochemistry.
Для снижения выбросов диоксида углерода (декарбонизации) необходим переход к "зеленой" энергетике, считают исследователи Вятского государственного университета (ВятГУ). Это одна из важнейших задач, прописанных в Энергетической стратегии РФ на период до 2035 года.
Сегодня ученые ВятГУ работают над созданием высокоэффективных и экологичных источников электрической энергии, основанных на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ). Эти элементы представляют собой многослойную конструкцию, состоящую из керамических и композитных материалов.
"Мы разработали набор методов и технологических процессов, необходимый для формирования единичного топливного элемента – получился своего рода эталонный образец. Теперь мы можем воспроизводить и варьировать его основные характеристики: электрическое сопротивление, удельную мощность, коэффициент использования топлива и др.", – рассказал и.о. заведующего кафедрой технологии неорганических веществ и электрохимических производств ВятГУ Антон Кузьмин.
На первом этапе методом литья под давлением ученые получают пористые несущие металлокерамические трубки (выполняют функцию анодов). На готовые основы наносят тонкие слои электролитных и электродных материалов методом окунания в специально подобранные составы суспензий. После нанесения каждого слоя проводится многоступенчатая термическая обработка.
По словам исследователей, всего таких слоев шесть – каждый выполняет свою функцию. Ученые могут изменять различные параметры слоя: состав материалов, размеры порошков, вязкость суспензий, температуры и продолжительности обжигов чтобы добиться оптимальных рабочих параметров. Такой подход позволяет получить единичный элемент ТОТЭ с максимальной мощностью.
Также в ходе исследования были получены новые электродные материалы, отмечают специалисты. Например, композитные материалы коллекторного слоя анода имеют сопротивление в два раза ниже, чем стандартные коммерческие продукты. Это позволит в перспективе увеличить размеры единичной ячейки ТОТЭ и снизить потери на их коммутации.
По утверждению ученых, разработанные материалы функционального слоя анода, производительнее на 10 процентов и потенциально могут быть особенно эффективны при работе на различных видах углеводородного топлива или аммиаке. В целом, использование новых материалов позволит существенно улучшить удельную мощность и массо-габаритные характеристики батарей топливных элементов по сравнению с известными аналогами.
"Фундаментальный интерес представляют изученные закономерности влияния состава и микроструктуры новых материалов на протекание электрохимических реакций в топливных элементах. Эта информация необходима для развития представлений о механизмах и способах управления такими реакциями", – пояснил младший научный сотрудник ВятГУ Алексей Иванов.
По мнению специалистов, наиболее трудной задачей является переход от единичных лабораторных образцов к полноценным прототипам промышленных изделий. Научный коллектив работает над поиском решений, которые позволят внедрить технологии в массовое производство, в том числе и с точки зрения экономической целесообразности.
Работа над созданием источников энергии на основе ТОТЭ проводится в ВятГУ рамках проекта "Среда обитания" программы стратегического академического лидерства "Приоритет-2030".