Введение
Среди известных высокотемпературных топливных элементов твердооксидные единственные, которые осваиваются в мире в настоящее время. Рабочая температура составляет 600-1000 °С. В связи с чем в качестве ионного проводника применяется твердооксидный электролит - диоксид циркония ZrО2, стабилизированный триоксидом иттрия Y2О3
Ионная проводимость электролита данного состава становится достижимой при температуре не ниже 900 °С. Поэтому твердооксидные топливные элементы с таким электролитом работают температуре от 900 до 1000 °С.
1. Принцип работы
На рисунке представлен принцип работы ТОТЭ и основные электрохимические реакции
Одним из главных достоинств - это образование высокотемпературной теплоты, сопровождающей получение конечного продукта реакции, т.е., речь идет о высокотемпературном водяном паре, который можно затем использовать в газовой турбине.
А кроме того, в качестве топлива помимо водорода может использоваться природный газ и его производные.
2. Разновидности исполнения
По конструктивному исполнению различают:
- планарные (плоские) - элементы выполнены в виде прямоугольных пластин или дисков;
- трубчатые - элементарная ячейка выполнена в виде трубки;
- монолитные - соединены в единую батарею элементы путем спекания.
Далее кратко рассмотрим принципиальное устройство ячейки и внешний вид сборки батарей из наиболее ходовых ТОТЭ.
3. Требования
Требования к электролиту - высокая ионная проводимость, низкая электронная проводимость, химическая и физическая стойкость, беспористость. В ТОТЭ используется ZrO2 допированный Y2O3.
Толщина электролита зависит от конструкции. Например, Siemens Westinghouse использует электролиты толщиной 40мкм.
В качестве катодов (окислительный электрод) используется оксидные полупроводниковые соединения - манганит лантана или кобальтит лантана, допированные стронцием - La(1–x)SrxMnO3 или La(1–x)SrxCoO3. Толщина катода 0,2 мм. Из недостатков - взаимодействие с электролитом при температурах выше 1500 °С с образованием соединений с низкой электрической проводимостью.
Материалом анодов (он же топливный электрод) служит кермет на основе Ni-ZrO2 толщиной 0,1-0,2 мм, имеющий малое электрическое сопротивление, высокую стабильность и характеризуемый высокой электрохимической активностью к реакциям анодного окисления водорода и диоксида углерода.
4. Области применения
В качестве основной области применения ТОТЭ являются системы регионального энергоснабжения.
Освоенный КПД находится в диапазоне 55-65 % при уровне мощности до 200 кВт.
Внешне энергоустановки с ТОТЭ выглядят вполне красиво компактно в виде блок-шкафов.
Далее рассмотрим некоторые примеры реальных энергоустановок с ТОТЭ.
Далее, несколько подробнее про отечественный образец.
Автономная энергоустановка в модульной конструкции мощностью 1,5кВт. Разработка Завода электрохимических преобразователей совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии Уральского отделения академии наук (ИВТЭ УрО РАН). В качестве топлива - природный газ.
Применяется для энергообеспечения станций катодной защиты, расположенных на отдаленных или труднодоступных локациях.
Заключение
Твердооксидные топливные элементы являются одними из многообещающих, поскольку их можно использовать как в качестве автономных компактных энергоустановок, так и в сочетании с газовой турбиной в виде гибридной электростанции различной мощности. Все благодаря их высокотемпературному уровню работы.
Среди разновидностей по конструктивному исполнению фокус сосредоточен на планарных и трубчатых.
Данный тип топливных элементов в мире активно осваивается. Лидерами являются США, ЕС и Япония. В этих странах выделяется господдержка для разработки и усовершенствования данной технологии. SECA в США; Real-SOFC, Flame-SOFC, LargeSOFC и др. в ЕС, NEDO в Японии. Кроме того, ТОТЭ разрабатывают и готовят к коммерциализации более сотни компаний Европы, Азии, Австралии, Канады и т.д.
Ну и, как мы можем убедиться, в России также ведутся разработки в области ТОТЭ. И это очень хорошо, поскольку сделаны первые ходы и имеются не просто лабораторные образцы, а установки энергетического масштаба, пусть пока не слишком мощные, но это не главное сейчас. А главное – это именно понять, что и как надо делать, т.е., освоить технологию. Поэтому вопрос масштабирования — это уже по потребности.