Твердооксидные топливные элементы преобразуют химическую энергию в электрическую за счет реакции водорода и кислорода. Топливный элемент состоит из плотного слоя керамического электролита, к которому с двух сторон прилегают пористые анод и катод, также выполненные из керамических материалов. На катод подается воздух из атмосферы, на анод — водород, полученный из топлива (природного газа, биогаза и др.). При взаимодействии ионов кислорода с водородом образуется электрическая энергия и вода, пояснили в пресс-службе томских инновационных организаций.
Поскольку процесс не предполагает промежуточных стадий превращения энергии в тепловую и механическую, КПД такого элемента может достигать 60 процентов. Между тем, КПД обычной электростанции составляет всего порядка 30%. Кроме того, в твердооксидных топливных элементах выделяется тепло, использование которого может повысить суммарный КПД до 80 процентов. Эти элементы работают при очень высоких, около 800 градусов Цельсия, температурах, но, в отличие от низкотемпературных топливных элементов с полимерным электролитом, не требуют дорогостоящих платиновых катализаторов. Устройство помещается в теплоизоляционный бокс, высокая температура в котором поддерживается за счет тепла, выделяемого в ходе электрохимической реакции.
Технология
Топливный элемент представляет собой батарею из последовательно соединенных топливных ячеек, каждая из которых состоит из слоев анода, электролита и катода. Одна топливная ячейка вырабатывает всего несколько ватт электроэнергии. Поэтому мощность топливного элемента определяется числом и площадью топливных ячеек в батарее.
Самая перспективная конструкция топливной ячейки — это пористая металлическая пластина (основа), на которую нанесены тонкие слои катода, анода и электролита, заявляют разработчики. Топливные элементы с несущей металлической основой обладают лучшей механической прочностью, термической стойкостью, и они дешевле в изготовлении.
Специалисты ИСЭ с коллегами из отдела структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН предложили изготавливать металлические основы для топливных элементов из никель-алюминиевого сплава методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Такой сплав обладает высокой оксислительной стойкостью при высоких температурах. Метод СВС, очень высокопроизводительный и энергоэффективный, до томичей вообще никто не использовал для изготовления топливных элементов.
Другой особенностью разработки является вакуумный ионно-плазменный метод нанесения электролита топливной ячейки. Разработчики наносят пленки электролита очень малой толщины (несколько микрометров): чем тоньше пленка, тем меньше сопротивление при прохождении ионов кислорода через электролит и больше мощность, вырабатываемая ячейкой.
Перспективы
Кроме высокого КПД, к достоинствам твердооксидных топливных элементов относятся экологичность, возможность применения в труднодоступных районах (не оснащенных линиями электропередач), а также широкий диапазон применений: такие элементы могут использоваться как для бытовых нужд (от зарядки гаджетов до энерго- и теплоснабжения зданий), так и на электростанциях, подводных судах, самолетах, космических станциях.
До конца 2015 года совместно с коллегами из Томского политехнического университета разработчики намерены сделать батареи топливных элементов мощностью несколько киловатт, которые планируется использовать в автономных энергоустановках для объектов «Газпрома». Газопроводы часто идут через ненаселенные местности, где нет линий электропередач. Поэтому для питания электрического оборудования газопроводов нужны энергоустановки, которые позволяют преобразовывать часть газа, идущего по трубе, в электроэнергию.
