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 3372 дня ]} .

КПД выпускаемых топливных элементов достигает 60 % .

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 ). 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 М Вт 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 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 , являющаяся резидентом инновационного центра « Сколково ».

Особый интерес представляют твердоокисные топливные элементы с прямым окислением сероводорода — или расплавленной серы — (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 . 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

• Источники тока химические. Термины и определения