10 декабря 2020

Ученые ТПУ предложили новый метод получения тонких электролитов для «сердца» водородной энергоустановки

Ученые Томского политехнического университета разрабатывают твердооксидные топливные элементы. Батарея из нескольких таких элементов — «сердце» энергетических установок, вырабатывающих электроэнергию из углеводородного топлива или водорода. Для создания одного из ключевых элементов топливной ячейки — электролита — ученые ТПУ и Института сильноточной электроники СО РАН впервые в России предложили использовать метод магнетронного распыления. Благодаря этому методу им удалось получить очень тонкий слой электролита — не более 5 микрон. Это позволило снизить температуру, при которой происходит выработка электроэнергии, на 100 °С. А это напрямую влияет на срок службы топливных элементов: чем меньше температура, тем больше срок службы элементов.

Твердооксидные топливные элементы — это устройства для превращения энергии топлива в электрическую энергию и частично в тепловую без его сжигания. Они могут работать с углеводородным топливом, например, метаном и бутаном, а также с водородом. Топливный элемент представляет собой пластину из трех слоев: катода, анода и электролита между ними. В энергетической установке на них с разных сторон подается водород и воздух. Ионы кислорода и молекулы водорода встречаются, и между ними происходит химическая реакция, в результате которой генерируется тепло и электроэнергия. Побочный продукт реакций — чистая вода.

«У твердооксидных топливных элементов есть два серьезных преимущества. Во-первых, их электрический коэффициент полезного действия достигает 60 %, в то время как у тепловых, газотурбинных или атомных электростанций КПД на уровне 40 %. Разница существенная. Во-вторых, они экологичные. Именно поэтому на них сегодня обращают  внимание во всем мире. Однако до сих пор такие элементы широко не распространены. Ученые во всем мире ищут способы, как получать еще более эффективные, надежные и дешевые топливные элементы, чтобы приблизить их внедрение. В Томске давно развивается направление нанесения тонкопленочных покрытий методом магнетронного распыления, поэтому мы решили попробовать наносить электролит именно этим методом. И получили хороший результат: 5 микрон — это один из лучших на сегодня результатов среди других методов нанесения электролитов», — говорит доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Андрей Соловьев.

Электролит в топливном элементе играет роль барьера между молекулами водорода и кислорода. Если смешать их напрямую, может произойти взрыв. Слой электролита пропускает только нужные для безопасной реакции ионы кислорода. Это тонкая пленка из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и оксида церия, допированного гадолинием. Наносят электролит на керамический анод.

«Суть метода магнетронного распыления заключается в выбивании (распылении) атомов вещества из поверхностных слоев мишени ионами рабочего газа, обычно аргона, и последующем их осаждении на подложке», — говорит инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Егор Смолянский.

В Томском политехе для нанесения таких покрытий создана собственная вакуумная установка магнетронного распыления.

«Обычно твердооксидные топливные элементы работают в среднем при температуре 850 °С. Наши — при 750 °С. Это за счет тонкого электролита. Снижение рабочей температуры влияет на срок службы батареи топливных элементов, так как при меньшей температуре снижается скорость деградация материалов. Также тонкий электролит позволяет повысить плотность мощности. Это значит, что при том же размере топливного элемента можно получать больше энергии. Чтобы выяснить, насколько можно увеличить срок службы элементов, необходимо провести долгосрочные ресурсные испытания», — отмечает Егор Смолянский.

Томский политехнический университет выступил инициатором создания консорциума «Технологическая водородная долина». Его участники будут вести совместные исследования и разрабатывать технологии для получения водорода, его транспортировки, безопасного хранения и использования в энергетике.
В консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.