Высокотемпературные топливные элементы (ВТФЭ) представляют собой электрохимические устройства, преобразующие химическую энергию топлива непосредственно в электрическую энергию при температурах порядка 600–1000 °C. В качестве электролита обычно используются твердые оксидные материалы, способные проводить ионы кислорода (O²⁻), что исключает необходимость жидких электролитов и повышает термохимическую стабильность системы.
Электрохимическая реакция ВТФЭ включает два основных процесса: окисление топлива на аноде и восстановление кислорода на катоде. При этом ионы кислорода перемещаются через твердый электролит от катода к аноду, а электроны проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток. Классическая схема реакции для SOFC (твердооксидных топливных элементов) выглядит следующим образом:
На аноде:
H2 + O2− → H2O + 2e−
На катоде:
$$ \frac{1}{2}\text{O}_2 + 2e^- \rightarrow \text{O}^{2-} $$
Общая реакция:
$$ \text{H}_2 + \frac{1}{2}\text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O} $$
Электролиты. Ключевой компонент ВТФЭ — твердый оксидный электролит, обладающий высокой ионной проводимостью и низкой электронной проводимостью. Наиболее распространены циркониевые материалы, стабилизированные иттрием (YSZ, Y₂O₃-ZrO₂), обладающие проводимостью O²⁻ при температурах выше 700 °C. Альтернативно применяются допированные оксиды иттрий-кальций-циркония и редкоземельные материалы.
Электроды. Аноды выполняются на основе никель-YSZ композиции, обеспечивающей каталитическую активность и электронную проводимость. Катоды состоят из пористых керамических материалов, таких как стронций-допированный лантанат кобальта (LSC) или кобальт-лютециевые оксиды, обладающие высокой каталитической активностью для восстановления кислорода.
Сборка. Элементы могут быть выполнены в планарной или трубчатой конфигурации. Планарные элементы обеспечивают высокую удельную мощность и компактность, но требуют точного контроля термоусадочных свойств материалов. Трубчатые конструкции более устойчивы к термошокам, но обладают меньшей удельной плотностью мощности.
Высокие температуры способствуют ускорению кинетики электрохимических реакций и диффузии ионов через электролит, что снижает величину поляризационных потерь и повышает КПД. ВТФЭ способны работать при парциальной окислительной атмосфере топлива, обеспечивая прямое использование водорода, монооксида углерода и даже углеводородов без предварительного разложения.
Преимущества высокой температуры:
Недостатки:
Высокотемпературные топливные элементы применяются в стационарных энергетических установках для комбинированного производства электричества и тепла, в промышленной энергетике для обеспечения автономных источников энергии, а также в транспортных средствах, включая морские и железнодорожные системы.
Системы ВТФЭ часто интегрируют с газовыми турбинами или котельными установками для повышения суммарного КПД через рекуперацию тепла, что позволяет использовать продукты сгорания топлива для выработки дополнительной энергии. Технологические решения включают модульные батареи, способные масштабироваться от единичных киловатт до мегаваттных установок.
Развитие высокотемпературных топливных элементов направлено на снижение рабочей температуры до 500–700 °C без потери проводимости электролита, использование катализаторов с повышенной активностью и стабильностью, а также разработку новых композиционных материалов для электродов и электролитов. Активно исследуются системы на основе редкоземельных и перовскитных оксидов, способные работать с парциально окисленными углеводородами и обеспечивать долговременную стабильность при циклических нагрузках.
Разработка компактных модульных ВТФЭ с высокой плотностью мощности и минимальными тепловыми потерями открывает перспективы для широкого внедрения в бытовой и промышленной энергетике, а также в транспортных и космических системах.