Новый класс электролитов с супер-протонной проводимостью на основе сложных оксидов, построенных по блочному типу из фрагментов различных структур, для практического применения в среднетемпературных электрохимических устройствах для водородной энергетики и экологической безопасности

В настоящее время сильно меняются контуры всей мировой экономики − главной темой становятся декарбонизация, то есть, снижение углеродного следа, и развитие водородной энергетики. Все европейские страны планируют выйти на карбоновую нейтральность до 2050 года. Это очень сложная задача для Российской экономики, которая все еще функционирует в логике старого технологического уклада с использованием углеводородных ресурсов. Это предполагает, что все усилия науки должны быть направлены на повышение энергоэффективности производства, передачи и использования энергии, а это возможно лишь при условии инновационного развития на основе достижений фундаментальной науки, создания и внедрения новых эффективных, более надежных и долговечных материалов, оборудования и технологий. Одним из перспективных направлений решения проблем обеспечения электрической энергией потребителей в различных, в том числе и сложных климатических условиях, являются разработки в области технологий топливных элементов (ТЭ). Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства для превращения энергии топлива в электрическую энергию. В таких устройства происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую за счет протекания окислительно-восстановительных реакций на межфазных границах электронных проводников с ионными проводниками (электролитами). Так как минуется промежуточная стадия сжигания топлива с получением тепла и, соответственно, преобразование тепла в работу в этих устройствах отсутствует, их КПД и теоретически, и практически выше, чем у теплоэнергетических установок. Твердооксидные топливные элементы – это наиболее перспективный тип источников энергии данного вида. Преимущества твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) по сравнению, например, с ТЭ, работающих на комнатных температурах, в том, что они не нуждаются в дорогом катализаторе (платине). Преимуществом ТЭ также является также их экологическая чистота, так как продуктом сгорания в них водорода, как топлива, является вода. В последнее время существует мировой тренд на понижение рабочей температуры ТОТЭ вплоть до 500°C, что значительно уменьшает коррозию металлических и деградацию керамических компонентов, существенно повышает срок службы топливного элемента, что в, конечном итоге, позволяет добиться существенного удешевления стоимости производимой электроэнергии. Основным направлением разработок, позволяющим понизить рабочую температуру ТОТЭ без понижения эффективности, является научно обоснованный подбор материалов электролита с достаточно высокой протонной проводимостью при пониженной температуре и электродов (катода и анода) с приемлемыми эксплуатационными характеристиками. На решении этих проблем в настоящее время сосредоточены большие исследовательские усилия по всему миру, направленные на разработку новых материалов и совершенствование уже известных. Разработки и внедрение технологий топливных элементов в Уральском регионе, и в Свердловской области, в частности, имеют крайне высокую важность для освоения удаленных районов (автономные источники питания для жилья и техники), расширения сети трубопроводов (станции катодной защиты), утилизации сопутствующих газов нефтяных месторождений и проектирования новых образцов техники (гибридная и распределенная генерация). Однако, задача широкого коммерческого внедрения ТОТЭ до сих пор не решена. Предлагаемые в настоящее время материалы для ТОТЭ подвержены значительной деградации, поэтому малоэффективны, так как не могут обеспечить стабильность характеристик устройства. В настоящем Проекте предлагается разработка новых материалов с высокой протонной проводимостью в сочетании с химической стойкостью, что гарантирует достаточную долговременную эксплуатацию материалов в электрохимических устройствах при неизменности их рабочих характеристик.