Аналитика - Генерация энергии

«Потрясающее усовершенствование» топливных элементов

18.08.08 14:00

В Испании разработан низкотемпературный электролит, который позволит сделать твердооксидные топливные элементы еще практичнее. Применение топливных элементов в качестве источников электроэнергии позволит создать эффективные электромобили и локальные электростанции разного назначения.

Твердооксидные топливные элементы (Solid oxide fuel cells) - это наиболее перспективный тип источников энергии данного вида. Преимущества твердооксидных элементов в том, что они не нуждаются в дорогом катализаторе (платине) и могут работать на многих видах топлива. Основная проблема использования твердооксидных элементов связана с высокой температурой протекания процесса (700-1000ºC) и необходимостью утилизировать тепло.

Усилия ученых, исследующих данный тип топливных элементов, связаны с поиском путей снижения температуры реакции. Ранее удалось снизить температуру до 500 ºC. Журнал Technology Review сообщает, что учеными Испании разработан новый низкотемпературный электролит для твердооксидных топливных элементов. Ученым удалось снизить температуру, при которой начинается электрохимическая реакция, до комнатной температуры. Применение такого электролита в топливных элементах существенно упростит их использование.

На снимке: новый электролит для твердооксидных топливных элементов работающий при комнатной температуре под электронным микроскопом.
Источник: Technology Review

Понижения температуры реакции группе ученых Мадридского Университета (Universidad Complutense de Madrid) под руководством Jacobo Santamaria удалось добиться модификацией традиционно используемого в качестве электролита оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Кроме того, была усовершенствована конструкция электродов.

Твердооксидные топливные элементы до сих пор рассматривались как перспективное решение для больших электростанций. Было доказано, что использование тепла электрохимической реакции для дополнительной выработки электроэнергии при помощи газовой или паровой турбины может довести кпд теплоэлектростанций до 80%. Причем в качестве топлива для этого типа элементов может применятся любое жидкое или газообразное органическое топливо либо водород.

Высокая температура реакции, являющаяся преимуществом применения твердооксидных топливных элементов в большой энергетике, усложняет и делает слишком дорогим их широкое распространение в других областях. Директор «Института устойчивого развития энергетики» штата Флорида Eric Wachsman, называет разработку испанских ученых «потрясающим усовершенствованием», которой спровоцирует долгожданный прорыв топливных элементов на рынок источников электроэнергии.

Схема работы твердооксидного топливного элемента
Источник: Wikimedia

В твердооксидных топливных элементах, ионы кислорода проходят через твёрдый оксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде. Источником водорода может быть органическое жидкое или газообразное топливо. В том случае, если в качестве топлива применяется чистый водород, результатом реакции является только вода. Электролит не позволяет образовавшимся на аноде электронам двигаться обратно в сторону катода. Если замкнуть катод и анод на внешнюю нагрузку, движение электронов от анода к катоду начнется именно через нее. Будет создан электрический ток.

Обычный электролит обладает ионной проводимостью только при высоких температурах. Команда ученых под руководством Jacobo Santamaria, в результате опытов доказала, что ионная проводимость при низких температурах может быть существенно улучшена, если на слой обычного электролита будет нанесен слой титаната стронция (SrTiO3) толщиной 10 нанометров.

Ученые открыли, что благодаря отличию строения кристаллических решеток оксида циркония и титаната стронция, в области контакта этих материалов образуется большое число «кислородных вакансий» (дырок) - мест, которые могут быть заняты атомами кислорода. Эти «кислородные вакансии» образуют пути, по котором ионы кислороды движутся сквозь электролит. Благодаря использованию двух материалов вместе значение фактора проводимости (мера проводимости электролита) при комнатной температуре достигает 100 млн.

Прежде чем открытие испанских ученых будет использовано при создании реальных топливных элементов предстоит преодолеть еще целый ряд препятствий. Во-первых, сам факт улучшения ионной проводимости через разработанный электролит необходимо еще не раз проверить. Это непростая задача, когда речь идет об измерениях свойств сверхтонких материалов. Во-вторых, для использования нового электролита потребуется изменить конструкцию твердооксидных топливных элементов. Дело в том, улучшенная электропроводность электролита наблюдается вдоль поверхности соприкосновения материалов, а не перпендикулярно. В-третьих, ограничение на применения низко-температурного электролита накладывает материал, из которого сделаны электроды. Для того, чтобы они могли выполнять свою функцию при низкой температуре их также необходимо совершенствовать.

Если свойства нового электролита подтвердятся, это может послужить мощным импульсом для развития технологии топливных элементов – так считает один из самых известных в мире ученых в области разработки суперрешеток, создания наноструктур и новых материалов Ivan Schuller из университета Калифорнии.