Установку, входящую в состав линии по производству топливных элементов для энергетического сектора и беспилотных авиационных систем, разработали для инновационного центра «Бирюч» (группа компаний «ЭФКО») специалисты Института сильноточной электроники Томского научного центра (ТНЦ) СО РАН, 27 апреля сообщает пресс-служба ТНЦ.

Как рассказал заведующий лабораторией прикладной электроники института Андрей Соловьев, «твердооксидные топливные элементы лежат в основе перспективных электрохимических генераторов, которые позволяют получать электрическую энергию путем прямого преобразования энергии химического топлива (водорода или водородсодержащего газа, например, получаемого из метана. При соединении топлива с окислителем (обычным воздухом) в топливном элементе происходит химическая реакция, в результате которой на выходе получается электричество и чистая вода».

При этом, если у традиционных методов получения электроэнергии коэффициент полезного действия составляет всего порядка 20–30%, то у генераторов на основе твердооксидных топливных элементов он достигает 50–60%. Кроме того, эти генераторы экологичны, так как дают низкие выбросы вредных газов в атмосферу.

Такие устройства могут быть и мобильными, и стационарными. Предполагается, что на их основе могут создаваться целые электростанции. Твердооксидные топливные элементы также находят применение в бурно развивающейся в последнее время водородной энергетике.

Коллектив лаборатории прикладной электроники разработал для производства таких элементов промышленную технологию нанесения тонкопленочного электролита с помощью магнетронного распыления.

Созданная ими технология позволяет равномерно наносить тончайшие оксидные пленки на образцы разного размера — от нескольких миллиметров до 10×10 сантиметров (именно такого размера будут топливные элементы планарной конструкции в составе батарей для энергоустановок).

Суть технологии томичей такова: на пористую керамическую пластину анода, на которую в генераторе электричества будет подаваться топливо — водород, наносится 5-микронная газонепроницаемая пленка электролита. Далее, на нее, также в виде тонкой пленки, наносится катод, на который будет подаваться окислитель — воздух и образовываться отрицательные ионы кислорода.

Электролит при высоких температурах обладает ионной проводимостью, что позволяет ионам кислорода двигаться через тонкую пленку электролита от катода к аноду. Здесь, в результате реакции, происходит высвобождение электронов, которые и создают электрический ток.

От толщины этой пленки в обратной пропорции зависит мощность такого элемента — чем тоньше пленка, тем большую мощность можно получить с одного квадратного сантиметра ее поверхности.

В настоящее время для пленок используются оксиды циркония и церия, обладающие, согласно проведенным исследованиям, оптимальным набором свойств. Однако ученые исследуют возможности применения и других оксидов.

Научный сотрудник лаборатории Сергей Работкин продемонстрировал разработанную коллективом установку. В ее состав входят: источники питания, вакуумные насосы, системы подачи воды и газа и вакуумная камера, где, собственно, и выполняется процесс нанесения пленки.

В барабан камеры помещаются 24 образца. На них при температуре около 400 °C и равномерном вращении барабана с магнетронных распылительных систем производится напыление пленки электролита.

Созданная томичами установка станет частью производственной линии изготовления твердооксидных топливных элементов для энергетики. Также одним из перспективных направлений их применения является использование таких элементов в качестве источников питания беспилотных авиационных систем.