Твердооксидный топливный элемент

Твердоокси́дные (твердоо́кисные) то́пливные элеме́нты (англ. Solid-oxide fuel cells, SOFC) — разновидность топливных элементов, электролитом в которых является керамический материал (например, на базе диоксида циркония), проницаемый для ионов кислорода. Эти элементы работают при очень высокой температуре (700—1000 °C) и применяются в основном для стационарных установок мощностью от 1 кВт и выше. Их отработанные газы могут быть использованы для приведения в действия газовой турбины, чтобы повысить общий коэффициент полезного действия. КПД такой гибридной установки может достигать 70 %^{[источник не указан 3671 день]}.

КПД выпускаемых топливных элементов достигает 60 %^[1].

Принцип действия

Твердооксидный топливный элемент состоит из катода, анода и расположенного между ними электролита. В него с разных сторон подается топливо и воздух (кислород). Ионы кислорода и молекулы топлива встречаются и между ними происходит химическая реакция, в результате которой генерируется тепло и электроэнергия. Отходом реакции в случае водородного топлива является вода^[1].

В этих топливных элементах ионы кислорода проходят через твёрдый оксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде. Хотя в твердооксидных топливных элементах необходима высокая рабочая температура (что требует специальных керамических материалов), зато они не нуждаются в таком дорогом катализаторе, как платина (в отличие от топливных элементов с протонно-обменной мембраной). Это также значит, что твердооксидные топливные элементы не отравляются монооксидом углерода, и в них могут использоваться разные виды топлива. Твердооксидные топливные элементы могут работать на метане, пропане, бутане, биогазе. Сера, содержащаяся в топливе, должна быть удалена перед поступлением его в топливный элемент, что легко сделать с помощью адсорбентов. Сера может и не удаляться из топлива, но тогда необходимо будет повысить рабочую температуру (не менее 700 °C).

Область применения

Крупные стационарные установки мощностью 1 МВт и выше;
Бытовые стационарные установки мощностью 100 Вт — 10 кВт;
Установки для бортового электропитания транспорта (например, автомобильные рефрижераторы) мощностью порядка 5 кВт;
Силовые установки водного транспорта.

Перспективные разработки

Ведутся исследования по снижению рабочей температуры. Удалось снизить температуру до 500—600 °C.

Компания FuelCell Energy (США) в 2007 году проведёт испытания силовой установки на SOFC для морских судов.

В США создан альянс Solid State Energy Conversion (SECA). SECA — альянс индустриальных групп, работающих над ускорением коммерциализации SOFC-систем для стационарных, транспортных и военных приложений. Альянс работает над программой Coal-Based Systems («системы на базе угля»), целью которой является строительство чистых угольных электростанций, производящих энергию в водородных топливных элементах.

Члену альянса — компании General Electric — к концу 2006 года удалось снизить стоимость SOFC до 254 долл. за 1 кВт установленной мощности.

Компания Violet Fuel Cell Sticks в марте 2008 года объявила о достижении объёмной плотности мощности SOFC в 15 кВт/литр.

В России производством энергоустановок на базе твердооксидных топливных элементов занимается ООО «Уральская производственная компания», являющаяся резидентом инновационного центра «Сколково».

Особый интерес представляют твердоокисные топливные элементы с прямым окислением сероводорода — Direct Hydrogen Sulfide Solid Oxide Fuel Cell или расплавленной серы — MS-SOFC (недоступная ссылка). Выделяемый при этом диоксид серы может «дожигаться» в топливном элементе с протонно-обменной мембраной до триоксида серы, из которого затем производится серная кислота — ценное химическое сырье^[2]. Кроме того, в производство электроэнергии в данном случае вовлекается металлургическая промышленность, поскольку сероводород может быть получен при переработке сульфидных металлических руд. Учитывая, что запасы сульфидов (включая мантию и ядро Земли) составляют около 2,9 % от массы планеты, данная технология может представлять собой практически неисчерпаемый источник энергии.

См. также

FutureGen

Примечания

↑ ¹ ² Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов : [арх. 10 декабря 2020] // РИА Новости. — 2020. — 10 декабря.
↑ Vladimir S. Bagotsky, fuel cells: Problems and solutions, Hoboken: Wiley, the electrochemical society series, 2009. 320 p.

Ссылки

ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения

[РИАН,_10.12.2020-1] ¹ ² Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов : [арх. 10 декабря 2020] // РИА Новости. — 2020. — 10 декабря.

[2] Vladimir S. Bagotsky, fuel cells: Problems and solutions, Hoboken: Wiley, the electrochemical society series, 2009. 320 p.

[1]

[2]