На Урале в восемь раз повысили мощность "газовых батареек"
Одним из перспективных направлений считаются устройства, способные напрямую преобразовывать химическую энергию в электрическую без стадии горения. МОСКВА, 31 авг — РИА Новости. Ученым Уральского федерального университета в составе научного коллектива удалось в восемь раз увеличить мощность топливных элементов, которые превращают в электричество газообразное топливо и кислород из воздуха. По мнению исследователей, ключевую роль в этом играет модификация поверхности одного из компонентов батарейки, что позволяет заметно повысить ее эффективность. Результаты работы опубликованы в Journal of Power Sources.
Твердотельные топливные элементы (ТОТЭ) представляют собой устройства, которые преобразуют энергию химической реакции между газообразным топливом и кислородом воздуха непосредственно в электрический ток. Такие системы считаются особенно востребованными там, где важны высокая энергоэффективность, экологичность и возможность длительной автономной работы. В отличие от традиционных источников энергии, ТОТЭ работают за счет электрохимических процессов, что делает их одним из наиболее интересных вариантов для развития современной энергетики.
По словам авторов исследования, повышение мощности стало возможным благодаря целенаправленному изменению поверхности одного из элементов конструкции. Этот подход помогает улучшить взаимодействие между материалами внутри системы и снизить потери энергии. В перспективе подобные технологии могут найти применение в энергетических установках нового поколения, а также в промышленных и транспортных решениях, где особенно важны компактность, надежность и высокая производительность.
Таким образом, полученные результаты демонстрируют, что даже точечная доработка отдельных компонентов топливного элемента способна существенно повлиять на его характеристики. Ученые рассчитывают, что дальнейшие исследования позволят еще больше повысить эффективность таких устройств и приблизить их широкое практическое внедрение.
Исследователи Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ) пояснили, что в таких устройствах, в отличие от обычных батареек, электричество вырабатывается не за счет постепенного расходования внутренних запасов, а благодаря постоянному преобразованию веществ, поступающих извне. Это делает технологию более перспективной для длительной и стабильной работы.
По словам специалистов, в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) катод, анод и промежуточный слой могут изготавливаться из схожих материалов. Такой подход заметно снижает стоимость производства и одновременно упрощает технологический процесс. Кроме того, использование универсальных материалов открывает дополнительные возможности для масштабирования подобных систем в промышленности.
Старший научный сотрудник кафедры экономики природопользования УрФУ, заведующий лабораторией кинетики Института высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) УрО РАН Денис Осинкин отметил, что за последние два года ученым удалось добиться ощутимого прогресса в разработке электролита и катода. Однако одна из ключевых проблем сохранялась: топливный электрод, то есть анод, работал недостаточно эффективно. Из-за этого реакция расщепления молекул водорода протекала слишком медленно, что сдерживало общую производительность устройства.
В настоящее время работа над улучшением анода остается одним из главных направлений исследований. Ученые стремятся повысить скорость электрохимических процессов, чтобы топливные элементы могли работать надежнее, дольше и с более высокой эффективностью. Подобные разработки особенно важны для будущей энергетики, где востребованы экологичные и экономичные источники энергии.
Ученые УрФУ вместе с коллегами из ИВТЭ УрО РАН разработали подход, который позволяет заметно ускорить работу анода и эффективнее перерабатывать топливо. Благодаря этой технологии удалось увеличить мощность ТОТЭ в восемь раз, что делает такие устройства более перспективными для энергетики. Подобные исследования особенно важны, поскольку совершенствование топливных элементов может повысить их практическую применимость в промышленности и автономных энергосистемах.Как пояснил Осинкин, исследователи применили сразу два простых, но очень результативных приема, чтобы “разогнать” реакцию. Сначала к аноду прикрепили проводящую серебряную “паутинку”, которая помогает собирать электрический ток и улучшает его перенос. Затем анод пропитали микроскопическими частицами никеля и оксида церия: они ускоряют расщепление водорода и способствуют более активной отдаче электронов. За счет такой комбинации удалось повысить электрохимическую активность электрода в 20 раз и добиться мощности 450 милливатт на квадратный сантиметр при температуре 800 °C.По сути, предложенное решение показывает, что даже относительно простые изменения в структуре анода могут сильно повлиять на эффективность всей системы. Это открывает путь к созданию более мощных и экономичных твердооксидных топливных элементов, которые смогут работать стабильнее и продуктивнее в реальных условиях.В ходе работы над проектом исследователи дополнительно отметили, что ключевая конструкция ТОТЭ осталась без других изменений, а внесенная небольшая доработка уже успела подтвердить свою надежность в ходе длительных испытаний продолжительностью 500 часов. Это особенно важно, поскольку подобные результаты позволяют оценить перспективы технологии не только в лабораторных условиях, но и с точки зрения дальнейшего практического применения. По словам специалистов, даже незначительные конструктивные улучшения могут заметно повлиять на стабильность и эффективность всей системы.
Ученый пояснил, что стандартные размеры единичных топливных элементов, из которых затем собирают энергогенераторы мощностью в сотни киловатт, как правило, не превышают 20 на 20 сантиметров. При этом, как отмечают авторы разработки, на данном этапе они не видят принципиальных, то есть фундаментальных, препятствий для увеличения размеров их решения до сопоставимых значений. Вместе с тем такой переход требует не только инженерной точности, но и серьезной технологической проработки, включая оптимизацию материалов, режимов работы и методов производства.
По мнению исследователя, дальнейшее развитие этой технологии может открыть путь к созданию более мощных и масштабируемых энергетических установок. Однако для этого потребуется комплексная работа, направленная на адаптацию конструкции к промышленным условиям, повышение воспроизводимости параметров и обеспечение долговременной надежности. Таким образом, успешные 500-часовые испытания можно рассматривать как важный шаг к следующему этапу разработки.
Исследование было реализовано при финансовой и организационной поддержке Российского научного фонда, что позволило обеспечить необходимый уровень научной проработки и качественное выполнение всех этапов работы. Подобная поддержка играет важную роль в развитии перспективных направлений науки, создавая условия для проведения актуальных исследований, внедрения новых подходов и получения значимых результатов. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Благодаря содействию фонда были расширены возможности для анализа материала, уточнения методологии и более глубокого рассмотрения темы. Это, в свою очередь, способствует повышению научной ценности проекта и укреплению его практической значимости. Таким образом, участие Российского научного фонда стало важным фактором успешной реализации данной работы.
Источник и фото - ria.ru
