Твердооксидные топливные элементы работают даже без топлива

Материаловеды из Гарвардского университета (США) продемонстрировали работу тонкоплёночных твердооксидных топливных элементов в качестве электрохимических батарей, отдающих энергию некоторое время после того, как топливо перестаёт поступать в элемент.

Анод новых батарей изготовлен из оксида ванадия, действующего в данном случае как многофункциональный материал. Как известно, ванадий может находиться в четырёх разных состояниях окисления, что используется в ванадиевых редокс-аккумуляторах.

Фактически в аноде нового топливного элемента сочетаются три электрохимических механизма запасания энергии. (Здесь и ниже иллюстрации Caroline Perry, SEAS Communications.)

Первоначально эффект остаточного питания был обнаружен в топливном элементе с платиновым анодом, но там электричество продолжало вырабатываться лишь 15 секунд после прекращения подачи топлива. В новом ТТЭ на аноде используется двойной слой «платина — оксид ванадия», что позволило топливному элементу отдавать электричество три минуты и тридцать секунд после перекрытия водорода. Плотность тока при этом составляла 0,2 мА/см². Разработчики утверждают, что, базируясь на выявленных ими механизмах накопления энергии, могут существенно увеличить это время.

Размеры нового топливного элемента предельно малы (сравните с батарейкой рядом, на нижнем фото). Это делает его применение на БПЛА весьма привлекательным.

Механизм, стоящий за остаточным питанием, весьма непрост. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показала, что сначала в дело вступает окисление ионов ванадия, затем — накопление водорода внутри кристаллической решётки оксида ванадия (после отключения топливной подпитки водород постепенно реагирует в элементе). Исследователей удивил третий элемент подпитки: концентрация ионов кислорода на катоде и аноде оказалась различной, поэтому речь может идти об окислении анионов кислорода в качестве ещё одного механизма генерации электричества после перекрытия топливного вентиля. Сходный механизм можно наблюдать в концентрационном элементе.

Твердооксидные топливные элементы такого рода могут найти применение в устройствах автономного питания, требующих низкого веса и длительного времени работы на ограниченных запасах топлива. В частности, речь может идти о широком спектре наземных и подводных дронов, БПЛА и даже мини-БПЛА.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.

Подготовлено по материалам Гарвардского университета.