ОПТИМАЛЬНЫЙ ДИЗАЙН

— Сценарии практического использования установок на основе ТОТЭ/ТОЭ весьма разнообразны, в частности, они могут применяться как стационарные системы в промышленности, народном хозяйстве, на морском и авиационном транспорте. Уже сейчас многие компании предлагают автономные электростанции на основе ТОТЭ. Однако на данный момент спрос на такие устройства невелик из-за высокой стоимости целевого продукта (электроэнергии и водорода), а также ряда недостатков нынешнего поколения ТОТЭ и ТОЭ. Эти недостатки — большие финансовые затраты на изготовление, крайне долгое время выхода на рабочий режим (до нескольких суток из-за длительного восстановления никель-керметных электродов), химическое взаимодействие между материалами — обусловлены выбранным несколько десятилетий назад вектором развития химического дизайна ТОТЭ и ТОЭ, а именно использованием многослойных гетерофазных структур с различающимися физическими, химическими и термомеханическими свойствами слоев.

— Относительно недавно стало развиваться направление так называемых симметричных элементов, в которых анод и катод имеют одинаковый химический состав и микроструктуру. Такой подход имеет ряд весомых преимуществ перед традиционным дизайном ячеек, в частности, появляется возможность быстрого первого запуска.

Мы начали работать в этом направлении в 2016 г. и уже достигли некоторых успехов как в разработке новых высокоэффективных электродных материалов, так и в понимании природы процессов, происходящих на межфазных границах в таких ячейках.

Предложенная мной концепция заключается в разработке нового химического дизайна электрохимических ячеек, предполагающего полное сближение ионного состава электролита, анода и катода. Такой подход колоссально снизит сроки и ресурсозатраты на изготовление ячеек и позволит сократить время запуска благодаря высокой термомеханической и химической совместимости компонентов ячейки и отсутствию стадии восстановления топливного электрода. Более того, такие ячейки способны работать как обратимые устройства в широком диапазоне напряжений, что существенно расширяет возможности их использования.

Для дальнейшего продвижения в первую очередь нужно решить важные вопросы материаловедческого характера, а именно, подобрать такие материалы, чтобы, не меняя их ионный состав, а только варьируя соотношение между концентрацией катионов, можно было бы радикально изменять их (материалов) характеристики. У нас есть определенный задел в этом направлении, который был получен при работах с обычными симметричными ячейками и взят за основу.

— Наш коллектив молодежный (из девяти человек восемь моложе 39 лет) и междисциплинарный. Это специалисты в области синтеза, физических методов исследования, изучения кинетики обмена между твердым телом и газовой фазой методом изотопного обмена, а также твердотельные электрохимики — специалисты в области спектроскопии электрохимического импеданса и процессов токообразования на электродах электрохимических устройств.

О том, что наш проект поддержан РНФ, мы узнали нынешней весной, но работы начали еще осенью прошлого года, поэтому сейчас у нас уже есть ряд значимых положительных результатов, которые свидетельствуют о перспективности генеральной идеи — достигнуть идентичности ионного состава электролита, анода и катода электрохимических ячеек.

Решение названных задач позволит продвинуться в реализации стратегии научно-технологического развития Российской Федерации «H2. Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». Электрохимические устройства на основе новых материалов и электрохимических ячеек будут востребованы в энергетическом секторе, в атомной промышленности, в малой авиации и многих других областях.