Томские ученые работают над созданием водородных топливных элементов

Опубликовано 11.11.2014 г.

Специалисты томского Института сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН разрабатывают твердооксидные топливные элементы, не уступающие западным аналогам, но со значительно меньшей стоимостью.

Источник: tsc.ru

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.