Знаете ли вы, что в Ухрюпинске собираются перевести автомобили на водородное топливо? Водород будут получать прямо на заправках электролизом воды, а для выработки электричества на станциях поставят бензиновые электрогенераторы. Такой вот круговорот!

А между тем уже всерьез идут испытания современных топливных элементов, которые могут работать не только на чистом водороде, но и на других газах. Физики всего мира давно колдуют над созданием твердооксидных топливных элементов — высокоэффективных генераторов электроэнергии будущего. Напомним, что топливные элементы вырабатывают электроэнергию за счет химических превращений веществ, непрерывно поступающих к электродам извне. В этом они отличаются от аккумуляторов и батарей, где объем запасающих энергию веществ ограничен корпусом устройства.Наиболее перспективными специалисты считают твердооксидные топливные элементы(ТОТЭ), где электрический ток вырабатывается за счет движения ионов кислорода.

Итак, ТОТЭ — это высокоэффективные генераторы электрической энергии, в которых энергия углеводородного топлива преобразуется в электроэнергию посредством электрохимического процесса. Преимуществами ТОТЭ перед традиционными генераторами электроэнергии, сжигающими углеводородное топливо (тепловыми станциями и газотурбинными установками), являются высокие значения мощности на единицу объема, высокие значения КПД и экологичность.

В ТОТЭ ионы кислорода проходят через твердый оксид (одно- или многослойный керамический материал), заменяющий электролит, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде. Поскольку они должны работать при высокой температуре, требуются специальные керамические материалы. Зато в отличие от топливных элементов с протонно-обменной мембраной ТОТЭ не нуждаются в дорогих платиновых катализаторахи не отравляются монооксидом углерода, а потому в них могут использоваться разные виды топлива. Например, они способны работать на метане, пропане, бутане, биогазе.Правда, содержащуюся в некоторых газах серу лучше удалить заранее, что легко сделать с помощью адсорбентов.

Чем привлекательны ТОТЭ? В первую очередь — максимальным КПД преобразования в электрическую энергию (65—70%) и всеядностью, нетребовательностью к топливу. Годится даже природный или синтез-газ, в то время как другие топливные элементы работают только на очень чистом водороде. Таким образом, ТОТЭ смогут не только вырабатывать электричество, но и утилизировать промышленные газовые выбросы или продукты переработки мусора. Но конечно, главная перспектива — применение ТОТЭ в качестве портативных и малогабаритных генераторов электроэнергии, например для удаленных поселков и станций катодной защиты газопроводов. А в сочетании с газовыми турбинами и системами утилизации тепла ТОТЭ смогут обеспечить энергией и довольно большие объекты.

Учитывая все эти преимущества, многие институты и лаборатории мира взялись за создание топливных элементов, способных напрямую использовать углеводородное топливо. В России особенно далеко продвинулись исследователи из Института физики твердого тела РАН (Черноголовка), они уже думают о промышленном производстве.

Следует отметить, что до сих пор промышленное применение ТОТЭ сдерживалось значительной стоимостью и недостаточным ресурсом работы. Дело в том, что высокие рабочие температуры (800—1000°С) вызывают ускоренную деградацию элементов. Особенно быстро выходят из строя токовые коллекторы. Обычно они делаются из двухкомпонентной хромистой стали с содержанием хрома около 23%. Этот материал наилучшим образом удовлетворяет жестким требованиям термостойкости, механической прочности, доступности и цены. Снижение КПД и потеря работоспособности коллектора связаны с образованием на его поверхности непроводящих оксидов хрома, что приводит к повышению переходного электросопротивления токового коллектор-катода и последующей деградации устройства. Нужно высокотемпературное защитное покрытие.

Справиться с проблемой помогут весьма перспективные токовые коллекторы с защитными покрытиями (пат. *******, авторы Н.В.Ледуховская, Г.В.Струков и С.И.Бредихин), уникальная технология получения которых изобретена в ИФТТ. Нанесение электропроводного защитного нанокристаллического покрытия на токовый коллектор из хромистой стали позволяет существенно повысить ресурс работы ТОТЭ. Это электроосаждение одного слоя Ni толщиной 5—20 мкм из раствора электролита с последующей термообработкой в вакууме при 900—1000°С в течение 1 ч. Таким образом, в ИФТТ впервые созданы токовые коллекторы с защитными покрытиями для батарей ТОТЭ, способные работать свыше 25000 ч без деградации характеристик. Результат уникальный и не имеет мировых аналогов.

Кроме того, в Черноголовке разработана технология получения мембранно-электродных блоков (МЭБ) размером 50х50 мм2 и толщиной 150 мкм на скандий-цезиевых электролитах для батарей твердооксидных топливных элементов. МЭБы на электролитах отечественного производства по своим мощностным характеристикам не уступают зарубежным аналогам. А потому годятся для производства мощных батарей ТОТЭ со сроком работы 50—80 тыс. ч.

В прошлом году на базе ИФТТ РАН организована лаборатория материалов для электрохимических технологий(ЛМЭТ) для разработки новых материалов и технологий ТОТЭ, керамических мембран и высокотемпературных электролизеров газов. Главная цель — выйти на серийное производство. В ближайшие годы специалисты прогнозируют понижение рабочих температур ТОТЭ на 100—200°С и значительное уменьшение стоимости конструкции, как это происходит в области аккумуляторов и батарей. Это потребует, однако, модификации известных электродных материалов или создания новых. Кроме того, хорошо испытанные технологические решения придется адаптировать для нужд промышленных предприятий. Такие прорывы возможны только в ходе междисциплинарных исследований на стыке электрохимии, материаловедения, физики и химии твердого тела, катализа и других наук.

В этом году за разработки «Токовые коллекторы с защитными покрытиями и мембранно-электродные блоки для твердооксидных топливных элементов — высокоэффективных генераторов электроэнергии будущего» ИФТТ РАН был награжден дипломами и серебряными медалями салона «Архимед-2014».

******, Московская обл., **********, ул.**********, д.******. Тел.: (***) ***-**-**, (***) ***-**-**.