Ученые повысили производительность твердооксидных топливных элементов
(а) Схема стека ТОТЭ, (b) фотография биполярной пластины из нержавеющей стали
Энергоустановки на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) обеспечивают экологически чистую выработку энергии с минимальными выбросами. Ученые Института физики твердого тела имени Ю. А. Осипьяна РАН и Московского физико-технического института разработали контактный материал, который позволяет существенно повысить электрический контакт внутри батареи ТОТЭ, что увеличивает ее удельную мощность и продлевает срок службы. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Letters.
«ТОТЭ — это электрохимический генератор, представляющий собой многослойную пластину площадью около 100*100 мм и толщиной менее 0,3 миллиметра. Для его работы на одну сторону подается воздух, а на другую — топливо. Это может быть продукт конверсии любого углеводорода или природный газ. Таким образом, прямого сгорания не происходит, а выработка энергии идет за счет электрохимических реакций. На выходе мы получаем чистую полезную энергию: электрическую и тепловую.
Перспективы применения ТОТЭ уже сейчас довольно впечатляющие. В России данная технология пока недостаточно развита, несмотря на то, что она экологична (выбросы СО и NOx ниже пределов обнаружения современных детекторов, CO2 минимальный). Действующих устройств у нас в стране пока нет, но они созданы в Японии, Европейском союзе и США и уже успешно используются в качестве автономных источников энергии, в том числе в стационарной энергетике, грузовом транспорте и даже летающих дронах», — рассказал Дмитрий Агарков, старший научный сотрудник ИФТТ РАН, доцент кафедры физики организованных структур и химических процессов МФТИ.
За счет того, что в процессе работы ТОТЭ происходит прямое преобразование энергии окисления топлива в электричество и высокопотенциальное тепло (минуя промежуточные стадии формата механической энергии, как, например, на ГЭС, ТЭЦ, в дизельных генераторах и пр.), ТОТЭ имеют достаточно высокий КПД — 60 %, а при использовании когенерационных систем с выработкой тепловой энергии его можно увеличить и до 90 %. Для сравнения: КПД бензиновых генераторов в среднем составляет 18–24%. Кроме того, это автономные, бесшумные и безопасные источники энергии. Но у них пока есть и свои недостатки (в первую очередь высокая стоимость), которые по большей части связаны с тем, что технология молодая, не успела внедриться в нашу жизнь и масштабироваться по объему производства.
Батареи на основе технологии ТОТЭ состоят из чередующихся керамических твердооксидных топливных элементов и металлических биполярных пластин. Надежность их работы в большой степени определяется стабильностью электрического контакта между электродами и биполярными пластинами (current collectors) — они должны иметь низкое сопротивление и обеспечивать стабильную работу батареи на протяжении не менее чем 30–50 тысяч часов.
«У керамической пластины есть катодная и анодная сторона, и если с анодной стороны для хорошего контакта достаточно использовать металлическую сетку, то со стороны катода возникают затруднения. Наши разработки были посвящены поиску наиболее оптимального контактного материала — пасты, которая наносится на катодную сторону и обеспечивает контакт между керамическими и металлическими пластинами. Контактные материалы катода должны быть стабильными в окислительной атмосфере.
Мы синтезировали материалы на основе манганита лантана стронция. Для получения нужных нам свойств (однофазность, приемлемые электрохимические характеристики, нужная дисперсность зерен) применяли механическую обработку и в итоге нашли лучший вариант для обеспечения стабильности контакта на границе катодный электрод / биполярная пластина», — резюмировала Екатерина Агаркова, младший научный сотрудник лаборатории спектроскопии дефектных структур ИФТТ РАН.
Субмикронный порошок LSM был синтезирован глицин-нитратным методом. Затем с помощью шаровой мельницы зерна порошка в разной степени измельчались для уменьшения среднего размера зерна, увеличения электрической проводимости и повышения стабильности системы. Испытания показали, что контактные слои из предварительно активированных порошков обладают более высокой проводимостью по сравнению со слоем из необработанного LSM. При рабочих температурах ТОТЭ разница между соответствующими значениями сопротивления достигает 300 %.
Использование контактного слоя из предварительно обработанного LSM-порошка позволило добиться достаточно высоких плотностей тока и стабильной работы.