Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ, Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) представляют собой электрохимические генераторы, в которых химическая энергия топлива преобразуется в электрическую энергию за счёт окислительно-восстановительных реакций на твердых электролитах. Основным компонентом является керамический электролит, проводящий анионы кислорода (O²⁻) от катода к аноду. Реакции происходят без промежуточного горения, что обеспечивает высокую термическую эффективность.
На аноде происходит окисление топлива (водорода, углеводородов или CO):
H2 + O2− → H2O + 2e−
На катоде кислород из воздуха восстанавливается:
$$ \frac{1}{2} O_2 + 2e^- \rightarrow O^{2-} $$
Электроны, высвобождаемые на аноде, проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток. Таким образом, поток ионов через электролит и поток электронов через внешний контур образуют замкнутую электрохимическую систему.
Электролит. Наиболее распространённым материалом является стабилизированная циркония (ZrO₂) с добавками иттрий оксида (Y₂O₃), обеспечивающая высокую кислородную ионную проводимость при температурах 700–1000 °C. Для снижения рабочей температуры исследуются альтернативные материалы: гадолиний-допированный церий (GDC) и стронций-допированный лантан-цериевый оксид (LSCF).
Анод. Традиционный анод – это пористый слой никель–циркониевой керамики (Ni–YSZ), обеспечивающий каталитическую активность для окисления топлива и хорошую электронную проводимость. В случае углеводородного топлива анод должен быть устойчив к карбонизации и деградации.
Катод. Катоды на основе перовскитных оксидов (La₁₋ₓSrₓMnO₃, LSM) обеспечивают высокую каталитическую активность по восстановлению кислорода и совместимы с YSZ по термическому расширению. Для снижения сопротивления на низких температурах применяют смешанные электронно-ионные проводники (MIEC), такие как LSCF.
Электродные интерфейсы. Оптимизация структуры границ раздела «анод–электролит» и «катод–электролит» критична для снижения поляризационного сопротивления и увеличения эффективности переноса ионов и электронов.
Электродное сопротивление складывается из омического и поляризационного компонентов. Омическое сопротивление обусловлено проводимостью электролита и токопроводящих слоёв анода и катода. Поляризационное сопротивление включает барьеры переноса заряда на электродах и ограничение диффузии топлива и кислорода в пористых структурах.
Электродные реакции часто описываются через уравнение Бутлера–Вольмера:
$$ i = i_0 \left[ \exp\left(\frac{\alpha n F \eta}{RT}\right) - \exp\left(-\frac{(1-\alpha) n F \eta}{RT}\right) \right] $$
где i — плотность тока, i0 — обменная плотность тока, α — коэффициент переноса заряда, η — сверхпотенциал, n — число электронов, участвующих в реакции.
Напряжение топливного элемента определяется уравнением Нернста и снижается за счёт омических и поляризационных потерь:
E = EНернст − ηанод − ηкатод − iRом
Конфигурация элементов. ТОТЭ выпускаются в планарной, трубчатой и монолитной формах. Планарные элементы обеспечивают высокую плотность мощности, трубчатые – долговечность и стабильность при термошоках, монолитные – упрощённую сборку стека.
Рабочие температуры. Высокие температуры (800–1000 °C) способствуют высокой ионной проводимости электролита и ускоряют кинетику электродных реакций. Однако повышают требования к термостабильности материалов и долговечности сборки. Снижение температуры до 500–700 °C возможно при использовании материалов с повышенной ионной проводимостью и катализаторов, снижающих поляризационные потери.
Срок службы и деградация. Долговечность ТОТЭ ограничена диффузионной миграцией элементов, образованием вторичных фаз, ростом зерна и деградацией анодного каталитического слоя. Важным направлением исследований является стабильность при многократных циклах нагрева и охлаждения, а также устойчивость к загрязнениям топлива.
ТОТЭ применяются в стационарных и мобильных установках для когенерации тепла и электричества, в качестве автономных источников энергии для удалённых объектов, а также в микроэнергетических системах и электромобилях. Высокая термическая эффективность (до 60 % при прямой конверсии топлива) и возможность использования различных видов топлива делают их перспективной технологией для энергетики с низким уровнем выбросов CO₂.
Исследования сосредоточены на:
Оптимизация этих аспектов позволяет создавать высокоэффективные, долговечные и экономически выгодные системы преобразования энергии на основе твердооксидных топливных элементов.