Твердотельные оксидные топливные элементы (sofc)

Твердотельные оксидные топливные элементы отличаются простотой конструкции (Рис. 2), но пока что обычно функционируют при достаточно высоких температурах - 700-1000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо. Эти особенности позволяют их использовать как крупные стационарные источники электрической энергии.

Рис. 2. Схема устройства SOFC.

В SOFC применяется керамический электролит на основе оксида циркония (ZrO₂), стабилизированного оксидом иттрия (Y₂O₃). На катоде происходит электрохимическая реакция с образованием отрицательно заряженных ионов кислорода:

O₂ + 4e = 2O^2–

Отрицательно заряженные ионы кислорода движутся в электролите по направлению от катода к аноду, где происходит окисление топлива (обычно — смеси водорода с монооксидом углерода с образованием воды и углекислого газа):

H₂ + O^2– = H₂O + 2e^–

CO + O^2– = CO₂ + 2e^–

Теоретические основы создания твердотельных оксидных топливных элементов были заложены еще в конце 1930-х годов, когда швейцарские ученые Бауэр (Emil Bauer) и Прейс (H. Preis) экспериментировали с цирконием, иттрием, церием, лантаном и вольфрамом, используя их оксиды в качестве электролитов.

Первые опытные образцы таких топливных элементов были созданы в конце 1950-х годов рядом американских и голландских компаний. Большинство этих компаний вскоре отказались от дальнейших исследований из-за технологических трудностей, однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.» (сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»), продолжила работы. В настоящее время эта компания принимает предварительные заказы на коммерческую модель твердотельного оксидного топливного элемента трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году. Рыночный сегмент таких элементов - стационарные установки для производства электрической энергии мощностью от 250 кВт до 5 МВт.

Топливные элементы типа SOFC продемонстрировали очень высокую надежность. Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 часов и продолжает работать, что стало самым длительным непрерывным сроком эксплуатации топливного элемента в мире.

Компоненты SOFC обладают более высокой химической стабильностью, анод, катод и электролит изготовлены из специальных сортов керамики. Наиболее часто в качестве электролита используются смесь оксида циркония и оксида кальция, но могут использоваться и другие оксиды. Электролит образует кристаллическую решетку, покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом. Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок или плоских плат, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. В результате твердотельные оксидные топливные элементы могут работать при очень высоких температурах, поэтому их выгодно использовать для производства и электрической, и тепловой энергии.

В таблице представлены сравнительные характеристики PEMFS и SOFC.

Тип элемента	Рабочие темпера-туры, °С	КПД , %		Используемые реагенты		Применение
		элек-трич.	сумм.	топливо	окисли-тель
Твердо-полимерныеТЭ (PEMFC).	30–160	до 40	50–70	водород, метанол,и др.	воздух		спецтехника, электромобили, портативная аппаратура, децентрал.энерго-снабжение
Твердо-оксидныеТЭ (SOFC).	700–1000	50–60	70–80	метан, продукты конверсии углеводо-родов,биогаз	воздух		стационарные и мобильные источники электро- и теплоснабжения,

В PEMFC в качестве электролита используется твердая полимерная мембрана с протонной проводимостью (Proton Exchange Membrane, PEM). Неподвижный твердый электролит упрощает герметизацию в процессе производства, уменьшает коррозию, и обеспечивает более долгий срок службы топливного элемента. В качестве катализатора в них используется платина и ее сплавы, осажденные на углеродном носителе. PEMFC работают при относительно низких температурах, что значительно расширяет область их применения.

В SOFC в качестве электролита используется керамический материал с кислородоионной проводимостью. Электроды не содержат дорогостоящих металлов. SOFC работают при температурах 600 - 1000°C, что позволяет использовать относительно загрязненные виды топлива, например, получаемые при газификации угля.

На данный момент из известных топливных элементов наибольшее распространение и применение в области стационарных систем нашли SOFC, MCFC и PEMFC. Основными поставщиками на Европейский рынок топливных элементов для стационарного применения являются Ваllard, Vaillant, UTC Power, Plug Power, Nuvera (PEMFC),CeresPower, Bloomenergy, Siemens, Ceramic Fuel Cells Ltd (SOFC).