В ПНИПУ создали дешевую технологию для твердооксидных топливных элементов

Новый материал, снижающий на 30–40% стоимость производства экологичных систем без вредных выбросов, преобразующих водород или природный газ в электричество, разработали специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 8 августа сообщает пресс-служба вуза.

Ископаемое топливо (уголь, нефть и ее производное — бензин) в настоящее время является основой современной жизни, давая энергию для отопления домов, работы транспорта и генерации электричества. Однако его добыча, производство и использование сопровождается загрязнением воздуха, выделением парниковых газов, приводящих к глобальному потеплению климата.

Используемые в последнее время возобновляемые источники энергии (солнечная, ветровая и гидроэнергетика) являются экологичной альтернативой ископаемому топливу, но нестабильность климатических условий, дороговизна производимой ими энергии и нехватка редких материалов, требуемых для изготовления соответствующих генераторов, задерживают их внедрение.

Системы, преобразующие водород или природный газ в электричество без вредных выбросов, такие как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), стабильно работают в любую погоду и круглосуточно, однако на пути их широкого внедрения стоит дороговизна специального химического порошка, идущего на изготовление керамического электролита.

Ученые Пермского Политеха, решая эту проблему, разработали новый материал для такой керамики, производство которого значительно дешевле используемого в настоящее время, что может сделать «зеленую» энергию значительно доступнее.

Достоинством использования твердооксидных топливных элементов для преобразования энергии сжигания водорода в электрическую является их высокий КПД. ТОТЭ преобразуют в электричество 70% энергии водорода, а 30% теряется в виде тепла, тогда как бензиновые двигатели используют лишь 25–30% энергии топлива, а 70–75% теряется, у угольных электростанций КПД выше, но всё равно не превышает 35–40%.

Основой ТОТЭ является многослойная керамика, а ключевым компонентом — электролит на основе специального порошка, свойства которого определяют работоспособность всей системы. В случае его некачественного состава могут возникать такие проблемы, как плохая проводимость ионов кислорода. Это приводит к тому, что система перегревается и не генерирует ток.

Также, если структура порошка неправильная, то керамика будет трескаться от перепадов температуры. При этом для компенсации недостатков состава вещества необходимо использовать дорогостоящие материалы (например, платину), что резко увеличивает стоимость элементов. Таким образом, качество порошка — это ключевой фактор, от которого зависит, станет ли топливный элемент эффективным источником энергии или бесполезным устройством.

Ассистент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Никита Фаустов рассказал о создании нового материала, который обладает высоким качеством для изготовления из него электролита ТОТЭ:

«Мы разработали новый многокомпонентный состав на основе диоксида церия с добавлением редкоземельных металлов — самария, иттрия, неодима и гадолиния. Для его производства использовали глицин-нитратный метод, который относительно прост и дешев. В ходе экспериментов мы получили три модификации материала, каждая из которых сохранила кристаллическую структуру и приобрела повышенную пористость. Это ключевое свойство для применения в экологичных генераторах электричества. Даже самый сложный вариант с четырьмя добавками оказался стабильным, что позволяет создавать компактные и эффективные энергоустановки».

Результаты своей работы пермские ученые представили в статье «Синтез мультилегированных Sm³⁺, Y³⁺, Nd³⁺, Gd³⁺ твердых растворов на основе диоксида церия глицин-нитратным способом», опубликованной в журнале «ВЕСТНИК ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология», 2025 год, № 2.

Если в настоящее время стоимость производства топливных элементов нового поколения в Японии, США и Германии составляет около $5000 (395 тыс. руб.) за кВт (в 2–3 раза выше, чем у традиционных генераторов), то новая технология, созданная в ПНИПУ, обеспечит снижение стоимости производства на 30–40%.

Кроме того, ТОТЭ, произведенные по этой технологии, могут применяться в Арктике и на Дальнем Востоке, где сейчас используют очень дорогую дизельную генерацию. Также новая технология производства материала для ТОТЭ позволит создавать компактные энергоустановки. Так, системы размером с холодильник смогут обеспечить электричеством целый дом.

Работа таких систем будет практически бесшумной с выделением только чистого водяного пара. Они станут оптимальным решением как для жилых районов городов, так и экопоселений, отмечают разработчики.