Учёные из Гарвардского университета сконструировали первый относительно крупный тонкоплёночный твердооксидный топливный элемент (solid oxide fuel cell, SOFC).

В SOFC-элементах используется твёрдый керамический электролит, проницаемый для отрицательных ионов кислорода, которые перемещаются от катода к аноду. Основным недостатком технологии SOFC становится то, что она требует высоких рабочих температур (чаще всего — более 800 ˚C). При этом твердооксидные устройства не нуждаются в дорогих платиновых катализаторах, необходимых обычным топливным элементам с протонообменной мембраной, в которых положительные ионы водорода движутся от анода к катоду.

Одним из наиболее известных и хорошо изученных керамических материалов, подходящих для SOFC-элементов, считается диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ). Чтобы обеспечить требуемую ионную проводимость, элемент с YSZ-электролитом должен работать при температуре в 800–1 000 ˚C.

Специалисты, разумеется, пытаются снизить требования к температуре, и самым простым и действенным способом здесь можно признать сокращение толщины слоя YSZ: это позволяет экономить дорогой материал и уменьшать омическое сопротивление электролита. Опытные образцы тонкоплёночных SOFC-элементов уже созданы и исправно функционируют, но об использовании таких устройств на практике речи не идёт, поскольку они слишком малы.

«Если площадь обычной тонкой мембраны увеличить, она просто разрушится, — говорит один из авторов работы Бо-Куай Лай (Bo-Kuai Lai). — Вы сможете работать с ней только в лаборатории».

Рис. 1. Готовая SOFC-пластина (фото Shriram Ramanathan).

Проблему инженеры из Гарварда решили с помощью металлической сетки, которая стала ключевым структурным элементом изготовленных ими YSZ-мембран и заметно увеличила их механическую прочность. Таким способом авторы получили «усиленные» тонкие мембраны размером 5 мм, при объединении которых были созданы SOFC-пластины величиной с ладонь.

В экспериментах новые устройства продемонстрировали плотность мощности в 155 мВт/см² при 510 ˚C. Эта цифра сравнима с показателями сконструированных ранее микроскопических тонкоплёночных SOFC-элементов.

Полная версия отчёта будет опубликована в статье

Masaru Tsuchiya, Bo-Kuai Lai & Shriram Ramanathan Scalable nanostructured membranes for solid-oxide fuel cells. – Nature Nanotechnology. – Nature Nanotechnology. – 2011. –doi:10.1038/nnano.2011.43; Published online 03 April 2011.