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.