Твердооксидный топливный элемент

Твердоокси́дные (твердоо́кисные) то́пливные элеме́нты (, ) — 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  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 %.

КПД выпускаемых топливных элементов достигает .

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.

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  и выше;
 Бытовые стационарные установки мощностью  — ;
 Установки для бортового электропитания транспорта (например, автомобильные рефрижераторы) мощностью порядка ;
 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  (). SECA — альянс индустриальных групп, работающих над ускорением коммерциализации SOFC-систем для стационарных, транспортных и военных приложений. Альянс работает над программой  («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  за  установленной мощности.

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

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. 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. 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

Ссылки 
 ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения

Топливные элементы