Твердооксидный топливный элемент: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
(Показать все непатрулированные изменения)
[непроверенная версия][непроверенная версия]
← Предыдущая правка
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
Нет описания правки
м Добавлены ссылки
Метки: с мобильного устройства через мобильное приложение через приложение для Android
 
(не показано 65 промежуточных версий 37 участников)
Строка 1: Строка 1:
[[Файл:Solid oxide fuel cell.svg|thumb|Схема работы твердооксидного топливного элемента]]
⚫
'''Твердооксидный топливный элемент''' — (англ. Solid oxide fuel cells, SOFC), применяется в основном для стационарных установок мощностью от 1 кВт и выше. Они работают при очень высокой температуре (700ºC- 1000ºC), и их отработанные газы могут использоваться для приведения в действия [[газовая турбина|газовой турбины]], чтобы повысить коэффицент полезного действия ([[КПД]]) установки. КПД такой гибридной установки может достигать 70%. В этих топливных элементах, [[ион|ионы]] [[кислород|кислорода]] проходят через твердый [[оксид]], который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагирует с [[водород|водородом]] на аноде. Хотя в твердооксидных топливных элементах необходима высокая рабочая температура (что требует специальных керамических материалов), зато они не нуждаются в таком дорогом катализаторе, как [[платина]] (топливные элементы с протонно-обменной мембраной). Это также значит, что твердооксидные топливые элементы не отравляются [[моноокид углерода|монооксидом углерода]], и с в них могут использовать разные виды топлива. Твердооксидные топливные элементы могут работать на [[метан|метане]], [[пропан|пропане]], [[бутан|бутане]], [[биогаз|газе полученном из биомассы]]. Конечно, [[сера]] содержашаяся в топливе должна быть удалена, перед поступлением его в топливный элемент, но это легко сделать с помощью адсорбентов.
'''Твердоокси́дные''' ('''твердоо́кисные''') '''то́пливные элеме́нты''' ({{lang-en|Solid-oxide fuel cells}}, {{lang-en2|SOFC}}) — разновидность [[Топливный элемент|топливных элементов]], [[электролит]]ом в которых является керамический материал (например, на базе [[Оксид циркония(IV)|диоксида циркония]]), проницаемый для ионов [[кислород]]а. Эти элементы работают при очень высокой температуре (700—1000 °C) и применяются в основном для стационарных установок мощностью от {{num|1|кВт}} и выше. Их отработанные газы могут быть использованы для приведения в действия [[газовая турбина|газовой турбины]], чтобы повысить общий [[коэффициент полезного действия]]. КПД такой гибридной установки может достигать 70 %{{нет АИ|17|10|2014}}.


КПД выпускаемых топливных элементов достигает {{nobr|60 %}}<ref name="РИАН, 10.12.2020"/>.
⚫
==Область применения==

⚫
* Крупные стационарные установки мощностью 1 МВт. - 2 МВт.
== Принцип действия ==
⚫
* Бытовые стационарные установки мощностью 3 кВт. - 10 кВт.

⚫
* Установки для бортового питания транспорта (например, [[автомобиль]]ные рефрижераторы) мощностью 5 кВт.
Твердооксидный топливный элемент состоит из катода, анода и расположенного между ними электролита. В него с разных сторон подается топливо и воздух (кислород). Ионы кислорода и молекулы топлива встречаются и между ними происходит химическая реакция, в результате которой генерируется тепло и электроэнергия. Отходом реакции в случае водородного топлива является вода<ref name="РИАН, 10.12.2020">{{публикация|статья
|заглавие=Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов
|издание=РИА Новости |год=2020 |месяц=12 |день=10
|ссылка=https://ria.ru/20201210/tpu-1588428198.html
|архив дата=2020-12-10
|архив=https://web.archive.org/web/20201210111316/https://ria.ru/20201210/tpu-1588428198.html
}}</ref>.

⚫
В этих топливных элементах [[ион]]ы [[кислород]]а проходят через твёрдый [[Оксиды|оксид]], который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с [[водород]]ом на аноде. Хотя в твердооксидных топливных элементах необходима высокая рабочая температура (что требует специальных керамических материалов), зато они не нуждаются в таком дорогом катализаторе, как [[платина]] (в отличие от топливных элементов с [[Протонно-обменная мембрана|протонно-обменной мембраной]]). Это также значит, что твердооксидные топливные элементы не отравляются [[Оксид углерода(II)|монооксидом углерода]], и в них могут использоваться разные виды топлива. Твердооксидные топливные элементы могут работать на [[метан]]е, [[пропан]]е, [[Бутан (вещество)|бутане]], [[биогаз]]е. [[Сера]], содержащаяся в топливе, должна быть удалена перед поступлением его в топливный элемент, что легко сделать с помощью адсорбентов. Сера может и не удаляться из топлива, но тогда необходимо будет повысить рабочую температуру (не менее 700 °C).

⚫
== Область применения ==
⚫
* Крупные стационарные установки мощностью {{num|1|М[[Ватт|Вт]]}} и выше;
⚫
* Бытовые стационарные установки мощностью {{num|100|Вт}} — {{num|10|кВт}};
⚫
* Установки для бортового электропитания транспорта (например, [[Авторефрижератор|автомобильные рефрижераторы]]) мощностью порядка {{num|5|кВт}};
* Силовые установки водного [[судно|транспорта]].
* Силовые установки водного [[судно|транспорта]].


==Перспективные разработки==
== Перспективные разработки ==
Ведутся работы по снижению температуры процесса. Удалось снизить температуру до 500 ºC-600 ºC.
Ведутся исследования по снижению рабочей температуры. Удалось снизить температуру до 500—600 °C.


Компания FuelCell Energy (США) в [[2007]] году проведёт испытания силовой установки на SOFC топливных элементах для морских [[судно|судов]].
Компания FuelCell Energy (США) в 2007 году проведёт испытания силовой установки на SOFC для морских [[судно|судов]].


В [[США]] создан альянс Solid State Energy Conversion (SECA). SECA – альянс индустриальных групп, работающих над ускорением коммерциализации SOFC систем для стационарных, транспортных и военных приложений. Альянс работает над программой Coal-Based Systems. Цель программы - строительство чистых [[уголь]]ных [[электростанция|электростанций]], производящих энергию в водородных топливных элементах.
В США создан альянс {{lang-en2|Solid State Energy Conversion}} ({{lang-en2|SECA}}). SECA — альянс индустриальных групп, работающих над ускорением коммерциализации SOFC-систем для стационарных, транспортных и военных приложений. Альянс работает над программой {{lang-en2|Coal-Based Systems}} («системы на базе [[Ископаемый уголь|угля]]»), целью которой является строительство чистых угольных [[электростанция|электростанций]], производящих энергию в водородных топливных элементах.


Члену альянса - компании [[General Electric]] к концу [[2006]] года удалось снизить стоимость SOFC топливных элементов до $254 за 1 кВт. установленной мощности.
Члену альянса — компании [[General Electric]] — к концу 2006 года удалось снизить стоимость SOFC до {{num|254|долл.}} за {{num|1|кВт}} установленной мощности.

Компания [http://www.violetfuelcellsticks.com/ Violet Fuel Cell Sticks] в марте 2008 года объявила о достижении объёмной плотности мощности SOFC в {{num|15|кВт/литр}}.

В России производством энергоустановок на базе твердооксидных топливных элементов занимается [[ООО «Уральская производственная компания»]], являющаяся резидентом инновационного центра «[[Сколково (инновационный центр)|Сколково]]».

Особый интерес представляют твердоокисные топливные элементы с прямым окислением [[сероводород]]а — [http://jes.ecsdl.org/content/134/10/2639.abstract Direct Hydrogen Sulfide Solid Oxide Fuel Cell] или расплавленной [[сера|серы]] — [http://www.re-journal.com/en/guokanshow.asp?id=6927 MS-SOFC]{{Недоступная ссылка|date=Июнь 2019 |bot=InternetArchiveBot }}. Выделяемый при этом [[Оксид серы(IV)|диоксид серы]] может «дожигаться» в топливном элементе с протонно-обменной мембраной до [[Оксид серы(VI)|триоксида серы]], из которого затем производится [[серная кислота]] — ценное химическое сырье<ref>Vladimir S. Bagotsky, fuel cells: Problems and solutions, Hoboken: Wiley, the electrochemical society series, 2009. 320 p.</ref>. Кроме того, в производство электроэнергии в данном случае вовлекается металлургическая промышленность, поскольку сероводород может быть получен при переработке сульфидных металлических руд. Учитывая, что запасы сульфидов (включая мантию и ядро Земли) составляют около 2,9 % от массы планеты, данная технология может представлять собой практически неисчерпаемый источник энергии.

== См. также ==
* [[FutureGen]]

== Примечания ==
{{примечания}}


== Ссылки ==
== Ссылки ==
* [http://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=146532 ГОСТ 15596-82] Источники тока химические. Термины и определения
* [http://www.fuelcellenergy.com FuelCell Energy — Производитель стационарных топливыных элементов]


{{rq|renew|check|sources}}
{{Гальванические элементы}}


[[Категория:Топливные элементы]]
[[Категория:Топливные элементы]]

[[de:Solid Oxide Fuel Cell]]
[[en:Solid-oxide fuel cell]]
[[fr:Pile à combustible à oxyde solide]]
[[nl:SOFC]]
[[no:SOFC]]

Текущая версия от 07:22, 16 марта 2024

Схема работы твердооксидного топливного элемента

Твердоокси́дные (твердоо́кисные) то́пливные элеме́нты (англ. Solid-oxide fuel cells, SOFC) — разновидность топливных элементов, электролитом в которых является керамический материал (например, на базе диоксида циркония), проницаемый для ионов кислорода. Эти элементы работают при очень высокой температуре (700—1000 °C) и применяются в основном 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 такой гибридной установки может достигать 70 %[источник не указан 3707 дней].

КПД выпускаемых топливных элементов достигает 60 %[1].

Принцип действия

[править | править код]

Твердооксидный топливный элемент состоит из катода, анода и расположенного между ними электролита. В него с разных сторон подается топливо и воздух (кислород). Ионы кислорода и молекулы топлива встречаются и между ними происходит химическая реакция, в результате которой генерируется тепло и электроэнергия. Отходом реакции в случае водородного топлива является вода[1].

В этих топливных элементах ионы кислорода проходят через твёрдый оксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде. Хотя в твердооксидных топливных элементах необходима высокая рабочая температура (что требует специальных керамических материалов), зато они не нуждаются в таком дорогом катализаторе, как платина (в отличие от топливных элементов с протонно-обменной мембраной). Это также значит, что твердооксидные топливные элементы не отравляются монооксидом углерода, и в них могут использоваться разные виды топлива. Твердооксидные топливные элементы могут работать на метане, пропане, бутане, биогазе. Сера, содержащаяся в топливе, должна быть удалена перед поступлением его в топливный элемент, что легко сделать с помощью адсорбентов. Сера может и не удаляться из топлива, но тогда необходимо будет повысить рабочую температуру (не менее 700 °C).

Область применения

[править | править код]
  • Крупные стационарные установки мощностью 1 МВт и выше;
  • Бытовые стационарные установки мощностью 100 Вт — 10 кВт;
  • Установки для бортового электропитания транспорта (например, автомобильные рефрижераторы) мощностью порядка 5 кВт;
  • Силовые установки водного транспорта.

Перспективные разработки

[править | править код]

Ведутся исследования по снижению рабочей температуры. Удалось снизить температуру до 500—600 °C.

Компания FuelCell Energy (США) в 2007 году проведёт испытания силовой установки на SOFC для морских судов.

В США создан альянс Solid State Energy Conversion (SECA). SECA — альянс индустриальных групп, работающих над ускорением коммерциализации SOFC-систем для стационарных, транспортных и военных приложений. Альянс работает над программой Coal-Based Systems («системы на базе угля»), целью которой является строительство чистых угольных электростанций, производящих энергию в водородных топливных элементах.

Члену альянса — компании General Electric — к концу 2006 года удалось снизить стоимость SOFC до 254 долл. за 1 кВт установленной мощности.

Компания Violet Fuel Cell Sticks в марте 2008 года объявила о достижении объёмной плотности мощности SOFC в 15 кВт/литр.

В России производством энергоустановок на базе твердооксидных топливных элементов занимается ООО «Уральская производственная компания», являющаяся резидентом инновационного центра «Сколково».

Особый интерес представляют твердоокисные топливные элементы с прямым окислением сероводорода — Direct Hydrogen Sulfide Solid Oxide Fuel Cell или расплавленной серы — MS-SOFC (недоступная ссылка). Выделяемый при этом диоксид серы может «дожигаться» в топливном элементе с протонно-обменной мембраной до триоксида серы, из которого затем производится серная кислота — ценное химическое сырье[2]. Кроме того, в производство электроэнергии в данном случае вовлекается металлургическая промышленность, поскольку сероводород может быть получен при переработке сульфидных металлических руд. Учитывая, что запасы сульфидов (включая мантию и ядро Земли) составляют около 2,9 % от массы планеты, данная технология может представлять собой практически неисчерпаемый источник энергии.

См. также

[править | править код]

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ 1 2 Ученые нашли способ продлить срок службы водородных топливных элементов : [арх. 10 декабря 2020] // РИА Новости. — 2020. — 10 декабря.
  2. ↑ Vladimir S. Bagotsky, fuel cells: Problems and solutions, Hoboken: Wiley, the electrochemical society series, 2009. 320 p.

Ссылки

[править | править код]
  • ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения
Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Твердооксидный_топливный_элемент&oldid=136705402