Водородные
топливные элементы

Самая эффективная технология преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию.

Технология

Твердооксидные топливные элементы

Для смягчения последствий изменения климата требуется радикальная модификация энергетической системы: переход от ископаемого топлива к низкоуглеродным источникам энергии. Важную роль в такой перспективной энергетической системе играют устройства, способные запасать энергию. В связи с тем, что емкостей современных аккумуляторных батарей недостаточно для запасания генерирующих мощностей, представляется перспективным использовать электролизные технологии для перевода избытка электрической энергии в химическую (водород).

Технология

Электролизеры на твердооксидных электролизных элементах (ТОЭлЭ) привлекательны из-за непревзойденной эффективности преобразования электрической энергии в химическую (водород), что обусловлено благоприятной термодинамикой и кинетикой при более высоких рабочих температурах.
ТОЭлЭ – это устройства, которые состоят из трех основных частей: двух пористых электродов и плотного керамического материала, который может проводить ионы кислорода от одного электрода к другому. Эти элементы способны разлагать водяной пар на водород и углекислый газ, но также могут работать так, чтобы смешивать водяной пар с углекислым газом и создавать смесь, известную как синтез-газ.

Высокая рабочая температура – важная особенность технологии ТОЭлЭ. Она дает два основных преимущества перед конкурирующими щелочными электролизерами и электролизерами с протонно-обменной мембраной, которые работают при температуре от 60 до 160 градусов Цельсия. Это более благоприятная термодинамика и более высокая кинетика, а значит, что удельных энергозатраты будут снижены, КПД процесса высок.

Характеристики водородных
топливных элементов

Электролизеры на твердооксидных электролитических элементах

Ключевые характеристики

Перспективы развития «зеленого» водорода

Рассматривается целый комплекс проектов по созданию предприятий получения водорода

Устойчивое развитие

SOEC-электролиз представляет собой перспективную технологию, способствующую устойчивому развитию путем улучшения эффективности энергетических систем, сокращения воздействия на окружающую среду и повышения устойчивости энергоснабжения.

01
Эффективность Благоприятные термодинамические и электрокинетические условия для протекания реакции в условиях высоких температур.
05
Интегрируемость Возможность встраивания ТОЭлЭ в другие технологические процессы с выделением тепла.
02
Экологичность Экологически чистый метод получения водорода из воды.
04
Экономичность Низкие эксплуатационные расходы.
03
Универсальность Произведенный водород можно использовать как для запасания энергии, так и для производства других конечных продуктов (аммиак, метанол и т.д.)

На январь 2024 года намечены испытания генерирующей системы (батарея твердооксидных электролизных элементов) данной установки и испытания установки генерации водорода в целом.

В августе 2023 года в ООО «Бирюч» совместно со специалистами ИФТТ РАН были проведены испытания систем накопления и компримирования демонстрационной установки генерации водорода, разработанной ИФТТ РАН.

Разработки

ООО «Бирюч» совместно с ИФТТ РАН проводит работы по твердооксидным электролизным элементам в рамках договора «Разработка лабораторной технологии изготовления высокотемпературных твердооксидных электролизных элементов на несущем электролите».

Электролизеры на твердооксидных электролитических элементах

Удельная мощность, Вт/кг

Перспективы развития «зеленого» водорода

Удельная мощность, Вт/кг

Характеристики топливных элементов

Существует пять основных типов топливных элементов: твердополимерные (ТПТЭ), щелочные (ЩТЭ), фосфорнокислотные (ФКТЭ), карбонатно-расплавные (КРТЭ) и твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Основные характеристики основных типов ТЭ представлены в таблице. 

Представленные в таблице данные демонстрируют преимущества технологии ТОТЭ по сравнению с прочими ТЭ

Тип ТЭ
ТПТЭ
ЩТЭ
ФКТЭ
КРТЭ
ТОТЭ
Температура °C
80-100
65-250
150-220
600-1000
600-1000
Материалы анода
Pt/C, Pt-Ru/C
Pt/C, Pt-Co/C, Pt Pt-Pd/C
Pt/C, Pt-Ru/C
Ni-Al, Ni-Cr
Ni, NiO
Материалы катода
Pt/C
Ni (Pt)
Pt/C, Pt-WO₃/C
LiFeO₂
LaSrMnO₃
Материалы электролита
Полимерная мембрана (иономер)
KOH/NaOH на носителе
H₃PO₄ на носителе
LiKCO₃, LiNaCO₃ на носителе
ZrO₂, CeO₂, Y₂O₃
Диапазон мощностей
0,01 : 100 кВт
~ 100кВт
~ 100кВт
≥ 1 МВтТип ТЭ
≥ 1 МВт
Ресурс, ч
До 2∙10⁴
До 1∙10⁴
До 5∙10⁴
До 2∙10⁴
До 6∙10⁴

Водородные топливные элементы

Удельная мощность, Вт/кг