Исследование ученых ПНИПУ поможет усовершенствовать топливные элементы
Способ модификации твердых растворов электролитов твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), позволяющий оптимизировать работу ТОТЭ, предложили ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 14 мая сообщает пресс-служба вуза.
Водородная энергетика на основе применения твердооксидных топливных элементов в последнее время в мире получила широкую популярность за счет того, что ТОТЭ обеспечивают экологически чистое превращение химической энергии топлива в электрическую.
Такие элементы можно с успехом использовать как источник электроэнергии и тепла в жилых домах отдаленных поселений, так и для крупномасштабного производства электроэнергии на мегаваттных электростанциях.
Поскольку отрасль производства ТОТЭ еще очень молода, повсеместно ведутся научные исследования с целью повысить их срок службы и надежность за счет совершенствования важнейших компонентов этих элементов. К таким компонентам относятся электроды и электролиты ТОТЭ. Ученые Пермского Политеха предложили повысить качество электролитов, введя в них несколько добавок.
Профессор кафедры химических технологий, доктор технических наук ПНИПУ Владимир Пойлов пояснил принцип работы ТОТЭ:
«Топливный элемент состоит из электролита, который обладает ионной проводимостью, и электродов (анод и катод), в которых происходит электрохимическая реакция. В упрощенном варианте устройство можно рассматривать как батарею, которая служит для прямого превращения энергии химической реакции в электрическую энергию и тепло с непрерывной подачей топлива и окислителя (воздуха)».
При том, что существуют различные виды топливных элементов, сам процесс получения энергии в них идентичен, а отличаются они материалами, из которых состоят компоненты, и рабочей температурой.
В настоящее время перед учеными поставлена задача поиска оптимального состава электролитов и электродов для работы при средних и низких рабочих температурах ТОТЭ (500–750 °C). Такие условия обеспечивают значительное уменьшение их коррозии и деградации, что приводит к повышению срока службы ТОТЭ и снижению стоимости производства электроэнергии.
Сейчас наиболее часто в качестве электролита используют диоксид циркония, стабилизированный иттрием, но устойчивую работу он обеспечивает только при рабочих температурах, близких к 1000 °C.
Ученые ПНИПУ для решения этой проблемы разработали процесс модификации электролита на основе диоксида циркония несколькими добавками, используя классический глицин-нитратный метод. В этом случае полученный электролит стабильно работает при температурах 500–750 °C. В качестве таких добавок были использованы редкоземельные элементы — иттрий, гадолиний, самарий и неодим.
«Мы растворяли нитраты этих металлов в деионизованной воде и добавляли глицин, используемый в качестве органического „топлива“. Он образует комплексы с металлами, что способствует предотвращению выпадения осадков и равномерному распределению добавки. После полного растворения глицина мы выпаривали полученный раствор до тех пор, пока смесь не воспламенялась. В процессе этой реакции выделяется большое количество газов, и образуются твердые мелкие частицы, которые в дальнейшем составят основу электролита», — рассказал магистрант кафедры «Химические технологии» ПНИПУ Никита Фаустов.
Исследование полученных образцов электролитов проводилось с помощью рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии и лазерной дифрактометрии.
Анализ показал отсутствие в образцах примесей, правильное развитие структуры и соответствие состава соотношению компонентов, рассчитанному теоретически. Это доказывает перспективность предложенного способа стабилизации электролитов на основе диоксида церия несколькими добавками.
Кроме того, исследование ученых ПНИПУ продемонстрировало применимость классического глицин-нитратного способа для получения мелкодисперсных чистых порошков сложных оксидов, идущих на мультидопирование среднетемпературных электролитов ТОТЭ. Предложенный метод позволит оптимизировать работу таких топливных элементов, повысив их срок службы и надежность.
