Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (США) разработала высокоэффективный компактный твердооксидный топливный элемент (ТТЭ), использующий для повышения КПД паровой риформинг в микроканальном теплообменнике.

Обычные топливные элементы требуют дорогого платинового катализатора, легко отравляемого угарным газом и серой. Поэтому в них нужно использовать чистый водород, а не радикально более дешёвый метан (или биогаз).

Твердооксидные топливные элементы на основе диоксида циркония имеют катод, анод и даже электролит из керамики, поэтому способны работать при 700–1 000 ˚С — и без дорогой и чувствительной к отравлению платины.

Рис. 1. Твердооксидный топливный элемент с внешним паровым риформингом значительно увеличил свой КПД. (Здесь и ниже иллюстрации Pacific Northwest National Laboratory).

Но у них есть другая проблема: для выхода на рабочую температуру топливо и окислитель (кислород воздуха) надо разогреть до 700 ˚С, что требует затрат энергии. Можно использовать подогрев уже горячими продуктами реакции, выходящими из топливного элемента, но если делать это в самом топливном элементе, то произойдёт неравномерный нагрев его участков и растрескивание составляющих его керамических пластин.

Поэтому разработчики из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории применили внешний микроканальный теплообменник, диаметр теплообменных каналов которого не больше обычной скрепки.

Помимо подогрева кислорода и природного газа продуктами реакции, теплообменник дополнительно проходит паровой риформинг: вода и углекислый газ (продукты реакции), реагируя с входящим метаном и кислородом при высокой температуре, дают водород и угарный газ, которые также реагируют в топливном элементе, играя роль топлива.

В результате в экспериментах на одном и том же топливном элементе удалось добиться нетто-КПД (с учётом затрат электроэнергии из сети на первоначальный разогрев ТТЭ) в 48,2% при мощности в 2,2 кВт и в 56,6% (!) — при мощности в 1,7 кВт.

До сих пор максимальный КПД твердооксидных топливных элементов не превышал 50%, поэтому речь идёт о весьма значительном достижении.

Рис. 2. Сам топливный элемент невелик: рядом для сравнения помещена разменная монета, призванная продемонстрировать компактность устройства. Да и оболочка теплообменника (слева внизу) не больше носового платка.

Почему мощность экспериментального ТТЭ была выбрана столь небольшой, не более 2,2 кВт?

По мнению разработчиков, источник именно такой мощности нужен средней американской семье для распределённого сценария производства энергии.

Множество домовладений в США имеют доступ к природному газу, служащему основным источником энергии и в большой американской энергетике. Однако КПД даже самых современных парогазовых установок не превышает 60%, в то время как у ТТЭ, по словам исследователей, 60% может быть достигнуто уже в ближайшее время, и это притом, что при распределённом сценарии использования нет потерь электроэнергии на передачу по проводам на сотни и тысячи километров.

Кроме того, если в большой энергетике $1 400 на киловатт-час установленной мощности строящейся ТЭС считается хорошим показателем, то твердооксидные топливные элементы уже сейчас имеют чуть меньшую себестоимость, а в ближайшее время могут выйти на показатель менее $1 000 за кВт•ч мощности.

Результаты проведённой работы опубликованы в Journal of Power Sources.