Автономные энергоустановки на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ, англ. Solid Oxide Fuel Cell — SOFC), которые рассматриваются как перспективный источник энергии для удаленных районов Крайнего Севера, могут стать значительно долговечнее. Исследователи Южно-Российского государственного политехнического университета имени Платова разработали технологию нанесения защитных покрытий, позволяющую увеличить срок службы одной из наиболее уязвимых деталей таких систем — токовых коллекторов из нержавеющей стали.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда. Его результаты опубликованы в журнале Ceramics International.
Защитное покрытие за один этап
ТОТЭ способны работать на самых разных видах топлива — природном газе, пропан-бутане, дизельном топливе, бензине и даже неочищенном водороде. Благодаря этому их можно использовать как автономные источники энергии для домов и промышленных объектов, а также при освоении нефтегазовых месторождений и развитии трубопроводной инфраструктуры. Однако срок эксплуатации установок ограничивается быстрым разрушением токовых коллекторов.
Российские ученые предложили наносить на эти элементы защитные покрытия на основе кобальт-марганцевой шпинели. Для их получения используются доступные соединения кобальта и марганца без применения драгоценных и редкоземельных металлов. Главная особенность разработки — одностадийный электрохимический синтез, позволяющий сформировать покрытие нужного состава всего за 40–50 минут. Существующие зарубежные технологии обычно требуют нескольких этапов нанесения и последующего высокотемпературного обжига.
Более ста дней испытаний
Разработанные покрытия прошли длительные испытания в Институте физики твердого тела имени Осипьяна РАН. Их тестировали в условиях, максимально приближенных к работе твердооксидных топливных элементов: при высокой рабочей температуре, под электрической нагрузкой, в воздушной атмосфере и в контакте с материалом катода. Испытания продолжались более 2500 часов — свыше ста суток.
Рентгенофазовый анализ подтвердил успешное формирование защитной шпинели. Специалисты Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта выполнили бесконтактную 3D-профилометрию поверхности, что позволило установить, как микрорельеф стальной основы влияет на закрепление покрытия и его долговечность в экстремальных условиях эксплуатации.
С помощью методов бесконтактной профилометрии мы изучили, как микрорельеф стальной подложки влияет на закрепление защитных шпинелей. Эти данные легли в основу оптимизации электрохимического синтеза, проводимого в ЮРГПУ, и позволили гарантировать долговечность защитных слоев в экстремальных условиях работы топливных элементов.
Твердооксидные топливные элементы считаются одной из самых эффективных технологий электрохимического преобразования энергии: их электрический КПД может превышать 60%, а в составе когенерационных установок общий КПД достигает 80–90%.
Одной из главных причин деградации ТОТЭ считается разрушение металлических интерконнектов и перенос соединений хрома к катоду. Именно поэтому разработка долговечных защитных покрытий является одним из ключевых направлений исследований в сфере автономной энергетики.
Альтернативные автономные источники «зеленой» энергии не могут полноценно заменить ТОТЭ. Солнечные панели бесполезны полярной ночью, а достаточно мощные ветрогенераторы дороги, сложны в доставке и монтаже в условиях многолетней мерзлоты.
