Ученые Института твердого тела и механохимии Сибирского отделения РАН вместе с коллегами из Вятского государственного университета улучшили защитное покрытие для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Оно гасит воздействие высоких температур, при которых работают ТОТЭ, и позволяет энергоустановкам дольше функционировать без поломок и перебоев.
Топливные элементы — это устройства, в которых химическая энергия топлива преобразуется в электрический ток. Твердооксидный топливный элемент, он же ТОТЭ, —топливный элемент, в котором вместо жидкого электролита, как в обычной батаре йке, используется твердая керамика. В ТОТЭ топливо — водород или синтез-газ — не сгорает, а окисляется, реагируя со специальным веществом-окислителем (как правило, кислородом), в результате чего вырабатываются электрический ток и побочные продукты: водяной пар и углекислый газ. Их можно собирать и изолировать, а можно снова пускать в дело — например, вращать с их помощью лопатки газовых турбин, при помощи которых вырабатывается электричество на газотурбинных электростанциях, и получать таким образом двойную пользу. Кроме того, ТОТЭ работают при высокой температуре — как правило, от 700 градусов. Выделяемое ими тепло тоже можно использовать, например, подогревать с его помощью жидкость-теплоноситель и отапливать таким образом жилые дома или промышленные помещения.
ТОТЭ обладают сравнительно простым устройством, поэтому могут собираться в разных размерах и мощности: от больших стационарных установок до совсем маленьких и переносных, размером с электрочайник. Однако пока что, несмотря на всю свою полезность, ТОТЭ распространены мало. Причина тому — их высокая стоимость, а также то, что под воздействием высоких температур они способны постепенно выгорать и разрушаться. Именно решению последней проблемы и посвящена научная работа ученых СО РАН.
Чтобы получить улучшенное покрытие для ТОТЭ, ученые приготовили суспензию из порошков марганца и кобальта, нанесли ее на стальную подложку и поместили в ванну с электролитом, куда подали электрический ток. Под действием электрического поля частицы металлов осели на поверхность стали, крепко с ней сцепившись. На финальном этапе получившуюся деталь прокалили в специальной печи при температуре в 1100 градусов, чтобы улучшить адгезию элементов.
Данный способ позволяет нам за счет регулируемой подачи напряжения лучше контролировать состав покрытия и, как следствие, итоговый результат. Кроме того, он заведомо дешевле, чем аналоги, поскольку не требует никакого специального дорогостоящего оборудования или расходников. Все, что нужно, — ванна с электролитом и источник электрического тока.
Наиля Саетова
Старший научный сотрудник Института твердого тела и механохимии СО РАН
Полученные образцы проверили на стойкость: в течение 500 часов подвергали воздействию температуры в 850 градусов, рабочей температуры ТОТЭ, в которых они будут использоваться. Как показали испытания, нанесенное электрофоретическим методом покрытие намного лучше защищает металл от высокотемпературной коррозии: скорость его выгорания замедляется в несколько десятков раз.
В настоящее время авторы разработки оформляют на нее патент.
Оригинал статьи и другие материалы об энергетике читайте на сайте журнала «Энергия+».