Могут ли твердооксидные топливные элементы изменить транспорт?

По мере роста наших потребностей в энергии растет и наша зависимость от ископаемого топлива. Однако страх истощения ресурсов и растущая зависимость от иностранной нефти привлекли внимание к альтернативным источникам энергии, таким как топливные элементы. Вместо сжигания топлива они работают, вырабатывая электричество посредством химической реакции. Топливный элемент использует положительный электрод (катод) и отрицательный электрод (анод) с электролитом между ними для проведения заряженных частиц. Ученые знают о топливных элементах уже более века, и НАСА фактически использовало их в 1960-х годах на космическом корабле «Аполлон», а затем и на космическом челноке.

Одним из наиболее эффективных типов топливных элементов является твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ). В ТОТЭ кислород проходит через катод, высвобождая отрицательно заряженные ионы кислорода, которые проходят через электролит от катода к аноду. На аноде ионы сталкиваются с горючим газом и реагируют, высвобождая электроны (а также воду, углекислый газ и тепло). Это создает ток полезной электроэнергии. Несколько топливных элементов соединяются в ряд, известный как стек.

Мало того, что ТОТЭ производят меньше выбросов, они также примерно в два-три раза более эффективны, чем методы внутреннего сгорания. Одним из преимуществ ТОТЭ по сравнению с водородными топливными элементами является гибкость топлива:ТОТЭ могут работать на различных видах топлива, включая водород и биотопливо. Они также используют более дешевый керамический материал, а не драгоценные металлы, в отличие от других топливных элементов. Они также не полагаются на повторное использование отработанного тепла (так называемые схемы комбинированного производства тепла и электроэнергии). Благодаря этим многочисленным преимуществам ТОТЭ уже доказали свою полезность для отопления зданий.

Однако многочисленные ограничения ограничивают их широкое применение в таких вещах, как автомобили. А именно, ТОТЭ очень большие и очень горячие. Высокая температура обеспечивает более высокую эффективность, но также создает технические проблемы. Типичные ТОТЭ, представленные на рынке, такие как Bloom Energy Server (известный как Bloom Box), используют густые электролиты в топливных элементах для дополнительной структурной поддержки. Но это вызывает большее электрическое сопротивление, которое необходимо преодолевать при высоких температурах.

Однако в 2011 году исследователи из Университета Мэриленда объявили о разработках с использованием нового дизайна и других материалов для электролита, которые позволяют значительно уменьшить размер. Исследователи также успешно снизили рабочую температуру до 650 градусов Цельсия (1202 градуса по Фаренгейту) по сравнению с 900 градусами Цельсия (1652 градуса по Фаренгейту). Это снижает затраты на изоляционные материалы, необходимые для сокращения времени нагрева системы.

Хотя водородные топливные элементы привлекли большое внимание средств массовой информации как будущее автомобилей на альтернативных источниках энергии, многие считают, что ТОТЭ на самом деле обладают наибольшим потенциалом для транспорта. Например, несмотря на то, что разработки продолжают делать ТОТЭ более практичными для использования в транспортных средствах, мы можем увидеть автомобили, в которых аккумулятор электромобиля сочетается с технологией ТОТЭ.