Инновационную технологию получения керамических мембран для твердооксидных топливных элементов разработала научная группа российских ученых, в состав которых вошли, в том числе, специалисты Московского физико-технического института, 13 марта сообщили в журнале МФТИ «За науку».

В совместной работе, кроме ученых МФТИ, участие приняли исследователи из Института физики твердого тела (ИФТТ) им. Ю. А. Осипьяна РАН, Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева и Московского политехнического университета.

Результаты исследования технологии представлены в статье «Сравнительный анализ структуры и электрических свойств монокристалла и керамики (ZrO₂)0,90(Sc₂O₃)0,09(Yb₂O₃)0,01 твердого электролита», опубликованной в Journal of Solid State Electrochemistry.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) являются электрохимическими источниками энергии, выделяемой топливом при его окислении кислородом воздуха. Для инициации такой реакции в ТОТЭ о стороны анода вводят горючий газ, обычно один из широко распространенных — водород, метан, биогаз и др. С противоположной стороны в устройство подают обычный воздух.

Проходя через твердый электролит (мембрану), состоящий в данном случае в основном из оксидов циркония с небольшими добавками оксидов скандия и иттербия, ионы кислорода реагируют с топливом на аноде с выделением тепла, образованием электрического тока (с рекордной эффективностью) и, для случая водорода, — воды.

Это делает такие батареи перспективными для развития экологически безопасной энергетики с учетом того, что КПД современных ТОТЭ при производстве электроэнергии достигает 65%. Но если при этом эффективно утилизировать теплоту, то КПД доходит до 95%, при том что в наиболее экономичных двигателях внутреннего сгорания он составляет порядка 35–40%.

Роль мембран в ТОТЭ является ключевой: создавая барьер между топливом и окислителем, они одновременно выполняют функции электролита, проводя через себя ионы кислорода и создавая тем самым электрический ток.

Заведующий лабораторией топливных элементов МФТИ, ведущий научный сотрудник ИФТТ РАН Дмитрий Агарков рассказал:

«Для изготовления мембраны мы использовали состав из оксидов циркония, редкоземельных скандия и иттербия. Эта композиция имеет близкие к рекордным характеристики проводимости. Наряду с прочностью и стабильностью это одна из наиболее важных характеристик для твердого электролита».

Инновационность подхода при получении керамики для мембраны заключается в том, что первоначально выращиваются монокристаллы, которые потом измельчаются. Далее приготавливалась суспензия с необходимыми добавками для последующего ленточного литья на подвижную подложку. Тогда как при традиционном способе изготовления керамики для твердых электролитов порошок с оксидами получают из исходных солей.

Исследование новой технологии показало, что она выше по продуктивности и дешевизне, что делает ТОТЭ, произведенные этим методом, более перспективными для широкого их применения, например, при освоении северных территорий, куда проводить ЛЭП сложно и дорого. Такой вариант отопления и выработки электроэнергии, скорее всего, будет оптимальным решением и для особо охраняемых природных территорий.

Еще одним перспективным направлением применения ТОТЭ является его использование на морском транспорте и беспилотных летающих аппаратах в качестве вспомогательной или основной двигательной установки.