Липилин А.С.
Институт электрофизики УрО РАН, вед.н.с., к.т.н.

Все шире и шире твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) входят в жизнь человечества [1]. Аналитики предсказывают, что в 2010 году на международном рынке будет продано энергосистем на ТОТЭ на сумму около 443 млн $US [2].

В докладе автор отвечает на два вопроса: Почему технология получения электроэнергии с использованием ТОТЭ наиболее целесообразна при реформировании энергетики? Почему наноматериалы и нанотехнологии необходимы при разработке современных ТОТЭ?

Безусловно, энергетика является одним из приоритетных направлений развития Общества, развития Государства. При этом развитие цивилизации неразрывно связано с увеличением электропотребления обществом в целом и каждым человеком в отдельности. При этом индивидуальное потребление электроэнергии идет как от стационарной сети, так и мобильной сети, основанной на химических источниках тока (ХИТ). Интересно, что сейчас потребляемая мощность от ХИТ (батареек и аккумуляторов) уже превосходит электрическую мощность, вырабатываемую всеми стационарными электростанциями.

Созданная в прошлом веке централизованная система электрообеспечения исправно отслужила свой срок и в настоящее время уже не отвечает современным требованиям как ни по эффективности преобразования топлива, как ни по эффективности передачи электроэнергии, так и по экологии этого процесса. КПД перевода химической энергии топлива в электрическую энергию на традиционных электростанциях составляет 30-35%. Передача выработанной электроэнергии от электростанций на большие расстояния приводит также к безвозвратным её потерям. Эти потери электроэнергии преобразуются в выделяемое проходящим током джоулево тепло. Кроме того при химическом горении топлива (уголь, природный газ) на электростанции образуются СО2 и NOx загрязняющие атмосферу и приводящие к глобальным экологическим проблемам.

В этой ситуации наиболее разумной и целесообразной является планомерная замена централизованной системы системой распределенной энергетики.

Распределенная энергетика предполагает, что генераторы электрического тока расположены непосредственно у потребителя электроэнергии, к которому по трубопроводу приходит топливо энергоноситель водород (природный газ). Потребитель сжигает топливо в соответствии с собственным графиком потребления электроэнергии. Это приводит к разумному энергосбережению и к экономному использованию топлива.

 

При этом использование в качестве генераторов электроэнергии электрохимических генераторов тока на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) позволяет существенно повысить энергосбережение и экономию топлива. ТОТЭ имеют высокий КПД прямого преобразования химической энергии топлива в электричество. Их КПД достигает 70%, а с учетом использования высокопотенциальной тепловой энергии – 90%. Транспорт топлива по трубопроводу на те же расстояния требует существенно меньших энергозатрат, чем электроэнергии, а потери возникают только при физическом нарушении целостности трубопровода.

 

Кроме того электрохимическое, «низкотемпературное» сжигание топлива обеспечивает высокую экологичность процесса.

Это реально чистая энергосберегающая технология, требующая для производства такого же количества электричества в два три раза меньшего количества топлива.

Твердооксидные топливные элементы, по международной терминалогии SOFC (Solid Oxide Fuel Sells) эффективно работают при высоких рабочих температурах – 700-950ОС. Поэтому скорость протекания электродных реакций достаточно высока и не требуется использование дорогостоящих катализаторов. Одним из преимуществ ТОТЭ является их не высокая требовательность к чистоте топлива. В качестве топлива, кроме водорода могут быть использованы любые углеводороды, преобразованные в синтез-газ (Н2-СО). Основным компонентом ТОТЭ является твердый электролит, который проводит ток благодаря переносу ионов кислорода. Чаще всего используют в качестве твердого электролита керамику на основе ZrO2. С противоположных сторон электролита расположены электроды. На одном из электродов (катоде) кислород воздуха ионизируется, проходит через электролит, а затем на другом электроде (аноде) электрохимически окисляет топливо (рис.1).

Чаще всего в ТОТЭ используют аноды на основе никелевого кермета и оксидные катоды на основе, например, манганита лантана стронция. Все используемые в ТОТЭ материалы элементы достаточно распространенны в земной коре. Сами материалы при относительно низких рабочих температурах 600-900ОС в рабочих условиях термодинамически устойчивы, т.е. вечны. Таким образом срок службы ТОТЭ обусловлен не основными материалами, а конкретными конструкциями и используемыми технологиями. Ресурсные испытания единичных элементов, проводимые за рубежом, превысили уже 80000 тысяч часов.

 

Ресурсные испытания батарей элементов (модулей, стеков), проводимые за рубежом, превысили 40000 тысяч часов и продолжаются…

Твердое состояние всех компонентов ТОТЭ позволяет иметь бесконечное многообразие форм и размеров элементов, каждому техническому применению ТОТЭ

 

 

Можно, в зависимости от требований Заказчика и расставленных приоритетов, найти оптимальное техническое решение. Относительно низкие рабочие температуры исключают межслойную диффузию.

 

Интерфейсные слои между функциональными слоями компонентов ТОТЭ исключают твердофазное взаимодействие. Относительно простые конструкции элемента: трубка, пластинка и доработанные промышленные технологии, такие как Tape Casting, плазменное напыление, трафаретная печать, совместное спекание в туннельных печах, уже в 2006 году снизили себестоимость установленной мощности у ведущих американских фирм до 700$US и прогнозируется к 10 году дальнейшее её снижение до 400$US [1].

Все это обеспечивает заманчивую перспективу использования ТОТЭ для обеспечения все возрастающей потребности человечества в электроэнергии. Все это приведет в ближайшие 10-20 лет к увеличению спроса на SOFC технологию, по отношению к другим технологиям производства электроэнергии. В первую очередь это существенно коснется Северной Америки, Европы и Японии [3]. Эта технология сохраняет топливные ресурсы страны. Таким образом, планируемая у нас в РФ разработка и создание промышленного производства энергосистем на основе твердооксидных топливных элементов становится первоочередной задачей распределенной энергетики, энергосбережения, когенерациии, экономии топливных ресурсов нашей страны. Развитие такой перспективной энергетики неразрывно связано с развитием электрохимической энергетики, с развитием твердооксидных топливных элементов, с развитием высокотемпературных электролизеров на твердых электролитах.

Автономные бесшумные энергосистемы, генерирующие электрическую и тепловую энергию (когенерация) имеют двойное применение, как для гражданского населения, так и для нужд Министерства обороны. Этим, по-видимому, и объясняется в первую очередь заинтересованность зарубежных государств в развитии перспективных ТОТЭ. Шесть конкурирующих в США разработчика энергосистем на ТОТЭ, были объединены государством в единой Программе SECA. Эта программа предусматривает к 2010-2012 году создание коммерческих энергосистем на ТОТЭ для гражданского применения мощностью до 5кВт, удельная мощность не менее 400 мВт/см2 c деградацией характеристик менее 1%, стоимость киловатта установки не более 400 USD.

Разработку ТОТЭ в настоящее время нельзя представить без использования нанокомпонентов и нанотехнологий. В Институте электрофизики были разработаны технологии получения уникальных слабоагрегированных нанопорошков твердого электролита YSZ, используя лазерную абляцию, и оксидов никеля и меди для анодов и катодов, используя метод электровзрыва проволоки. Совершенно естественно, используя компоненты ТОТЭ в наноразмерном состоянии, мы ни только понижаем технологические энергозатраты, снижая температуру синтеза, припекания исключая технологию помола порошков, но и улучшаем основные потребительские свойства ТОТЭ. Анодные и катодные материалы с добавлением нанопорошков оксидов ни только уменьшают слоевое сопротивление электродов синтезированных при пониженных температурах, но и существенно снижают электродные поляризационные потери. Наноструктурный твердый электролит с уменьшением размера нанокристаллитов повышает свою кислородноионную проводимость [4-6]. И совсем не случайно, что новые материалы электролита на основе диоксида циркония, способного работать в ТОТЭ при комнатных температурах, тоже имеют наноструктуру [7].

На мой взгляд, энергосистемы на ТОТЭ, изготовленных с использованием наноматериалов и нанотехнологий, системы когенерации с использованием ТОТЭ, распределенная водородная энергетика, безусловно, в первую очередь, необходимы для Государства, для безопасности России, для нашей с вами безопасности. Поэтому не случайна заинтересованность ГК «Российской корпорации нанотехнологий» в создании у нас в стране промышленного производства энергосистем на твердооксидных топливных элементах.

Литература:

1. Modern Status and Future of SOFC, Lipilin A.S., Ceramic Materials Research Trends Editors: Paul B. Lin Chapter 5, Nova Pablisher, 2007, pp. 139-158.
https://www.novapublishers.com/catalog/product_info.php?products_id=5778
2. http://www.reportlinker.com/p090586/World-Solid-Oxide-Fuel-Cells-(SOFCs)-Market.html#summary
3. http://americanceramicsociety.org/ceramictechweekly/#1 http://www.strategyr.com/pressMCP-1819.asp.
4. Аl.А. Rempel, A.V Nikonov, V.V Ivanov, A.S. Lipilin, S.N. Shkerin, A.S. Kaygorodov, V.R Khrustov. Properties of Y2O3 and Sc2O3 doped ZrO2 electrolytes prepared from weakly agglomerated nanopowders. 16th International Conference on Solid State Ionics 1-6 July, 2007, Shanghai, China, p.P358.
5. N. Sammes et al. (eds.), Full Cell Technologies: State and Perspectives, 395-416.
6. T. Suzuki, I. Kosacki, H.U. Anderson. Microstructure-electrical conductivity relationships in nanocrystalline ceria thin films. Solid State Ionics 151 (2002) 111-121.
7. http://www.ceramics.org/news/ceramic_tech_weekly/august_2008/cool_fuel_cells.aspx