Российские ученые улучшили свойства материалов для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов

Снижение рабочих температур в топливном элементе - одна из актуальных научных задач. ИК СО РАН Москва, 7 сен - ИА Neftegaz.RU. Ученые Института катализа СО РАН (ИК СО РАН) и Центра коллективного пользования Сибирский кольцевой источник фотонов (ЦКП СКИФ) повысили термическую стабильность материалов для катодов, которые могут быть применены в среднетемпературных твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ).
Об этом сообщила пресс-служба ИК СО РАН.

Работы выполнены в рамках проекта по модернизации и проведению исследований на уникальной научной установке Станция EXAFS-спектроскопии, который реализует ИК СО РАН при поддержке госпрограммы Научно-технологическое развитие РФ.

Обычный высокотемпературный ТОТЭ работает при температурах 800-1000 C.
Это позволяет:

• генерировать больше тепла,
• отказаться от использования в качестве электродов дорогих металлов платиновой группы.

Но при этом такие высокие рабочие температуры:

• увеличивают общую стоимость ячейки,
• уменьшают ее долговечность, т.к. материалы быстро изнашиваются.

Снижение рабочих температур в топливном элементе - одна из актуальных научных задач.
В рамках ее решения ученые из ЦКП СКИФ и ИК СО РАН определили подходящее для среднетемпературной (500-700 C) ячейки соединение - никелат празеодима, который относится к слоистым перовскитоподобным материалам.

Тезисы младшего научного сотрудника ЦКП СКИФ, инженера отдела физико-химических методов исследований ИК СО РАН Д. Мищенко:

• основная проблема при снижении температур в ТОТЭ - замедление реакции восстановления кислорода, которая протекает на катоде - там, куда подается воздух, и из-за этого генерация электроэнергии также снижается;
• мы решили использовать для катодов слоистые перовскиты;
• в них перовскитные слои чередуются со структурой каменной соли;
• в этой структуре накапливается высокоподвижный кислород, активный уже при температуре 500700 C.

Никелат празеодима обладает наилучшими свойствами для кислородного транспорта, но есть серьезная проблема - он нестабилен термически в рабочих условиях катода.
Частичная замена празеодима на другие редкоземельные элементы - лантан и неодим - повышает термическую стабильность.

Тезисы Д. Мищенко:

• мы проверяли долгосрочную термическую стабильность - держали наши образцы при высокой температуре на воздухе в течение 90 часов, т.е. в тех же атмосферных условиях, что и в топливном элементе;
• замещение лантаном и неодимом значительно повысило стабильность, и это почва для дальнейших исследований - мы планируем не только подобрать оптимальный состав, но и повысить кислородную подвижность.

Для определения кристаллической структуры вещества исследователи применяли метод порошковой рентгеновской дифракции на уникальной научной установке Станция-EXAFS-спектроскопии с помощью синхротронного излучения.
Эти исследования проводились в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения на базе Института ядерной физики СО РАН.

Модернизацией установки занимается ИК СО РАН, и она позволяет планировать и проводить самые современные научные эксперименты.
После модернизации она станет единственной подобной установкой в России.
Ее перенесут на строящийся в настоящее время новый источник синхротронного излучения ЦКП СКИФ сразу после его ввода в эксплуатацию.

По словам Д. Мищенко, новизна работы заключается в изучении структуры веществ in situ, в условиях, приближенных к рабочим состояниям катода - это дает возможность ускорить исследование и получить более точные данные о структуре.

Тезисы Д. Мищенко:

• нам не нужно собирать ячейку - мы можем взять синтезированный порошок, исследовать нашим методом и сделать предварительные выводы об эффективности соединения;
• и на основе этих данных двигаться дальше.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

• перспективное направление водородной энергетики;
• электроэнергия и тепло в них вырабатываются в ходе взаимодействия водорода с кислородом, и побочным продуктом становится только вода;
• их используют не только в легковых и грузовых автомобилях, но также рассматривают для электрификации и обогрева домов и других помещений;
• теоретически КПД для твердооксидного топливного элемента может достигать 80%.

Напомним, что ранее ученые центра Перспективные технологии в микроэлектронике Томского государственного университета создали новый тип многоэлементных детекторов из карбида кремния высокой чувствительности.
Эти измерительные приборы нужны для источника синхротронного излучения на станции СКИФ.