Твердооксидный топливный элемент ТОТЭ

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ, Solid-oxide fuel cells, SOFC)

ТОТЭ - разновидность топливных элементов (ТЭ), электролитом в которых является керамический материал, проницаемый для ионов кислорода.
ТОТЭ конструктивно прост:

• в одном корпусе собрано несколько слоев ТОТЭ;
• у каждого элемента есть анод и катод, со стороны анода к нему подведено топливо, а со стороны катода - воздух.

ТОТЭ - это устройства для прямого преобразования химической энергии в электрическую:

• структура: катод, анод и мембрана между ними;
• технология:
• со стороны анода в топливный элемент подается топливо,
• со стороны катода - окислитель,
• мембрана пропускает через себя окислитель,
• на аноде на поверхности катализатора топливо окисляется,
• при окислении:
• возникает ток, который можно использовать для питания потребителей,
• выделяется тепло, которое можно использовать и для отопления помещений;
• в качестве топлива для ТОТЭ проще всего использовать водород
  

Эти элементы работают при высокой температуре (700 - 1000 °C) и применяются 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).
КПД такой гибридной установки может достигать 70 %.
КПД ТОТЭ:

• более 50% по выходу э/энергии;
• до 90% - при учете теплового выхода.

Поскольку они преобразуют химическую энергию в электричество электрохимическим путем, они более эффективны, чем тепловые электростанции (ТЭС), работающие на сжигании, из-за термодинамических ограничений циклов сгорания и имеют более низкую интенсивность использования углерода.
Срок службы без обслуживания - до 4 лет, в отличие от дизельных генераторов.
ТОТЭ не отравляются монооксидом углерода (СО), и в них могут использоваться разные виды топлива.
ТОТЭ может использовать разные виды топлива:

• чистый водород;
• угарный газ;
• различные углеводородных соединений, в частности метан, пропан, бутан, биогаз.

Одним из основных недостатков ТОТЭ является то, что они со временем разрушаются, скорость деградации зависит от различных условий эксплуатации.
При работе в режиме постоянной мощности (наиболее распространенный способ производства энергии базовой нагрузки) скорость деградации высока, так что срок службы стека ТОТЭ составляет примерно1/10 срока службы в режиме постоянного напряжения (в котором выходная мощность стека ТОТЭ уменьшается).

Применение ТОТЭ:

• гибридные энергоустановки: объединение высокотемпературных ТОТЭ и газотурбинной установки (ГТУ):
• теплота отработавших газов ТОТЭ используется в цикле ГТУ или парогазовой установок,
• более высокая температура работы ТОТЭ позволяет использовать высокопотенциальное тепло в газотурбинном цикле с большей эффективностью;
• применение ТОТЭ в сочетании с возобновляемыми источниками энергии: ветряными электростанциями (ВЭС) и солнечными (СЭС):
• ТОТЭ с рабочим диапазоном температур 500-700°C - среднетемпературные (СТ) ТОТЭ:
• могут использоваться в переносных устройствах, автомобилях (в качестве основного или вспомогательного двигателя) и на обеспечение теплом и электроэнергией отдельных помещений,
• с понижением температуры ТОТЭ быстрее включается и выключается,
• уменьшается коррозия металлических деталей,
• уменьшается деградация керамических компонентов,
• повышается срок службы ТОТЭ, что их удешевляет.

ТОТЭ пока дороги.
Ученые работают с целью удешевить технологии до рентабельной коммерческой стоимости.

В январе 2023 г. ученые ИК СО РАН сообщили о возможном применении катализаторовдля создания важных приложений водородной энергетики, в тч использовании протонно-обменных мембран (ПОМ) в ТОТЭ.
В апреле 2023 г. дерзкие ученые Института катализа СО РАН сообщили о том, что перовскиты могут быть использованы в качестве электродных материалов в ТОТЭ.
Перовскиты - это соединения с кристаллической решеткой, в которые можно поместить до 90% известных химических элементов.