На Урале в 8 раз увеличили мощность твердооксидных топливных элементов
Научная группа Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук и Уральского федерального университета в 8 раз повысила эффективность твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Это одни из самых эффективных устройств для преобразования химической энергии водорода в электричество. Улучшить показатели удалось за счет изменения «конструкции» одного из компонентов высокотемпературных электрохимических ячеек — анода. Испытания обновленного анода показали, что по меньшей мере 500 часов он работает без заметной потери эффективности. Описание обновленной структуры исследователи опубликовали в Journal of Power Sources. Работу поддержал Российский научный фонд (проект № 24-19-00040).
Твердооксидные топливные элементы работают при высоких температурах, что позволяет достигать рекордных КПД. Но их широкое применение сдерживается рядом факторов: сложностью и дороговизной производства, требовательностью к материалам и длительным временем запуска.
Технология уральских ученых предполагает использование элементов ТОТЭ (катода, анода и электролита) с одинаковым ионным составом. Такой подход решает ряд проблем, в частности, упрощает и удешевляет производство готовых изделий. Когда все слои близки по составу, объясняют ученые, их проще спекать, они не трескаются при нагреве (нет химической несовместимости), такие элементы можно быстро запускать (не нужна долгая предварительная обработка анода) и быстро нагревать/охлаждать, что критично для мобильных или циклических устройств. В итоге готовые изделия получаются более дешевыми (по сравнению с многослойными аналогами), надежными и долговечными.
«Представьте, что вам нужно сделать батарейку, где все детали — плюс, минус и прокладка между ними — сделаны из одного и того же материала. Это очень удобно и дешево, но у такого материала на „минусе“ (аноде) химическая реакция с водородом идет очень медленно, как через густой кисель. Мы нашли два простых приема, чтобы разогнать эту реакцию: приклеили к аноду проводящую серебряную „паутинку“, чтобы она „ловила“ электрический ток, и пропитали анод микроскопическими частицами никеля и оксида церия, которые помогают водороду быстрее расщепляться и отдавать электроны. В итоге „кисель“ превратился в „воду“, батарейка заработала в 8 раз мощнее, а сам анод не сломался за 500 часов работы. При этом мы ничего не меняли в основном составе материала, оставив его везде одинаковым», — описывает суть работы Денис Осинкин, руководитель научной группы, старший научный сотрудник кафедры экономики природопользования УрФУ, заведующий лабораторией кинетики ИВТЭ УрО РАН.
Модификация структуры увеличила электрохимическую активность топливного электрода более чем в 20 раз, добавляют ученые. Это, в свою очередь, увеличило мощность топливного элемента до 450 мВт/см2 при 800 ℃. Для сравнения — схожую рабочую удельную мощность имеют энергоустановки на сотни киловатт, которые могут обеспечивать электричеством удаленные от централизованного энергоснабжения объекты.
Технологию можно масштабировать для коммерческого использования, уверены разработчики. Новые элементы могут стать более дешевой и технологичной альтернативой существующим аналогам, что также важно для масштабирования технологии, коммерциализации и появления устройств на российском рынке.
«Наша концепция масштабируема. Стандартные размеры единичных топливных элементов, которые сегодня используют для сборки энергогенераторов на сотни киловатт, не превышают 20×20 см. Я не вижу фундаментальных проблем, не позволяющих довести нашу разработку до таких размеров. Для этого нужны серьезные работы технологического характера», — констатирует Денис Осинкин.
В планах ученых — продолжить работу по увеличению мощности топливных ячеек и поднять показатели более чем в 1,5 раза.
Справка
По данным Research and Markets, мировой рынок твердооксидных топливных элементов вырастет с 3,2 млрд долларов в 2025 году до 9,6 млрд долларов к концу 2030 года, при среднегодовом темпе роста 24,4 %.
Основным драйвером роста является спрос на эффективные и экологичные решения для стационарной энергетики. Так, в 2024 году EKPO Fuel Cell Technologies GmbH и China FAW Group заявили о разработке и поставках прототипов модулей топливных элементов для технологии ТОТЭ, а Nimbus Power Systems и Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. совместно разработали топливный элемент следующего поколения на чистом водороде стационарного использования, а также для крупногабаритных транспортных средств: автобусы и грузовики.
На Азиатско-Тихоокеанский регион приходится более 70 % рынка водородной энергетики (преимущественно Япония и Китай). Северная Америка и Европа также активно наращивают инвестиции, поддерживая разработки в области ТОТЭ на государственном уровне.
Источник: Пресс –служба УрФУ