Специалисты томского Института сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН разрабатывают твердооксидные топливные элементы, не уступающие западным аналогам, но со значительно меньшей стоимостью.
Твердооксидные топливные элементы — разновидность устройства для преобразования химической энергии в электрическую за счет реакции водорода и кислорода. Топливный элемент состоит из плотного слоя керамического электролита, к которому с двух сторон прилегают пористые анод и катод, также выполненные из керамических материалов. На катод подается воздух из атмосферы, на анод — водород, полученный из топлива (природного газа, биогаза и др.). При взаимодействии ионов кислорода с водородом образуется электрическая энергия и вода.
«За счет прямого преобразования химической энергии в электрическую, без промежуточных стадий превращения энергии в тепловую и механическую, КПД такого элемента может достигать 60 процентов, тогда как для обычной электростанции это порядка 30 процентов, — говорит руководитель лаборатории прикладной электроники ИСЭ Андрей Соловьев. — Кроме того, в твердооксидных топливных элементах выделяется тепло, использование которого может повысить суммарный КПД до 80 процентов. Эти элементы работают при очень высоких, около 800 градусов Цельсия, температурах, но, в отличие от низкотемпературных топливных элементов с полимерным электролитом, не требуют дорогостоящих платиновых катализаторов. Устройство помещается в теплоизоляционный бокс, высокая температура в котором поддерживается за счет тепла, выделяемого в ходе электрохимической реакции».
Топливный элемент представляет собой батарею из последовательно соединенных топливных ячеек, каждая из которых состоит из слоев анода, электролита и катода.
Одна топливная ячейка вырабатывает всего несколько ватт электроэнергии. Поэтому мощность топливного элемента определяется числом и площадью топливных ячеек в батарее.
«Самая перспективная конструкция топливной ячейки — это пористая металлическая пластина (основа), на которую нанесены тонкие слои катода, анода и электролита. Топливные элементы с несущей металлической основой обладают лучшей механической прочностью, термической стойкостью, и они дешевле в изготовлении», — объясняет Андрей Соловьев.
Специалисты ИСЭ с коллегами из отдела структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН предложили изготавливать металлические основы для топливных элементов из никель-алюминиевого сплава методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
«Наше ноу-хау состоит в том, что в качестве механической основы топливного элемента предложен никель-алюминиевый сплав, обладающий высокой оксислительной стойкостью при высоких температурах. Метод СВС, очень высокопроизводительный и энергоэффективный, до нас вообще никто не использовал для изготовления топливных элементов. Другой особенностью нашей разработки является вакуумный ионно-плазменный метод нанесения электролита топливной ячейки, — рассказывает Андрей Соловьев. — Мы можем наносить пленки электролита очень малой толщины (несколько микрометров): чем тоньше пленка, тем меньше сопротивление при прохождении ионов кислорода через электролит и больше мощность, вырабатываемая ячейкой».
Кроме высокого КПД, к достоинствам твердооксидных топливных элементов относятся экологичность, возможность применения в труднодоступных районах (не оснащенных линиями электропередач), а также широкий диапазон применений: такие элементы могут использоваться как для бытовых нужд (от зарядки гаджетов до энерго- и теплоснабжения зданий), так и на электростанциях, подводных судах, самолетах, космических станциях.
«К концу 2015 года совместно с коллегами из Томского политехнического университета мы должны сделать батареи топливных элементов мощностью несколько киловатт, которые планируется использовать в автономных энергоустановках для объектов «Газпрома», — добавляет Андрей Соловьев из ИСЭ. — Газопроводы часто идут через ненаселенные местности, где нет линий электропередач. Поэтому для питания электрического оборудования газопроводов нужны энергоустановки, которые позволяют преобразовывать часть газа, идущего по трубе, в электроэнергию».
По словам Андрея Соловьева, параметры томской разработки приближаются к западным аналогам, однако стоимость отечественных топливных элементов благодаря ряду предложенных ноу-хау будет существенно дешевле.
Источник: пресс-служба инновационных организаций Томской области
