Энергоустановки с ТОТЭ станут долговечнее: новая технология от ученых новочеркасского политеха и БФУ

Ученые БФУ им. И. Канта и Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова создали технологию, которая поможет значительно увеличить срок службы автономных энергоустановок, использующихся в условиях Крайнего Севера при отсутствии централизованного энергоснабжения, сообщает пресс-служба Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова.

За энергоустановками на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) – будущее, уверены новочеркасские химики, ведь их можно использовать как автономные источники питания для жилья и промышленных объектов, для расширения сети трубопроводов, утилизации сопутствующих газов нефтяных месторождений, в гибридных системах распределенной генерации.

Преимущество энергоустановок на основе ТОТЭ в том, что для их работы подойдет любое газифицированное углеводородное топливо, в том числе природный газ, пропан-бутан, дизельное топливо, бензины и неочищенный водород. Препятствие, которое помогают преодолеть наши учёные, — малый срок службы таких установок, это связано с быстрым выходом из строя их составных деталей – токовых коллекторов, которые изготавливают из нержавеющих сталей. Для того чтобы они прослужили дольше, на их поверхность наносят защитные покрытия определённого состава.

Мы занимаемся подбором этих составов и разрабатываем оптимальные методы их нанесения, — рассказывает руководитель проекта к.т.н., доцент ЮРГПУ(НПИ) Анна Храменкова. - Для этого не требуются ни драгоценные, ни редкоземельные металлы: мы используем соединения кобальта, марганца – доступные и экологичные. Преимущество нашей технологии – ее одностадийность. Современные зарубежные аналоги предполагают несколько стадий нанесения таких покрытий с высокотемпературным обжигом, мы же формируем покрытие заданного состава электрохимически, в течение 40-50 минут.

Коллектив исследователей из ЮРГПУ (НПИ) разработал технологию синтеза и нанесения на токовые коллекторы защитных покрытий на основе кобальт-марганцевой шпинели, их коллеги из ИФТТ РАН провели испытания полученных образцов покрытий в условиях, близких к реальной эксплуатации твёрдооксидных топливных элементов: в воздушной атмосфере, при рабочей температуре и токовой нагрузке, в контакте с материалом катода ТОТЭ на протяжении более 2 500 часов (более ста дней). Важным этапом работы также стал рентгенофазовый анализ, проведенный в ИФТТ РАН, который позволил учёным заглянуть в атомную структуру материала и подтвердить успешное формирование защитной шпинели.

Вклад группы ученых БФУ им. И. Канта заключался в метрологической аттестации функциональных слоев: бесконтактная 3D-профилометрия позволила с высочайшей достоверностью определить параметры рельефа, что стало фундаментом для прогнозирования свойств новых покрытий.

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 (НПИ), и позволили гарантировать долговечность защитных слоёв в экстремальных условиях работы топливных элементов,
пояснил исследователь МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика» БФУ им. И. Канта Иван Лятун.

Завершившийся проект — это только начало тематики и хороший задел для сотрудничества с предприятиями реального сектора экономики, уверены ученые ЮРГПУ (НПИ).

Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (проект № 24-23-00113). Результаты совместной работы ученых Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова и Института физики твёрдого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН (ИФТТ РАН), а также Балтийского федерального университета им. И. Канта опубликованы в журнале Ceramics International.

Материал подготовлен пресс-службой Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова.