Дизельные топливные элементы – новый источник энергии

Как стало известно, норвежские специалисты разрабатывают «тихие» дизельные генераторы на основе топливных элементов нового типа. Nordic Power Systems, компания, производящая генераторы для вооруженных сил Норвегии, провела успешные испытания твердокислотных топливных элементов мощностью 250 Вт авторства SAFCell, компании-ответвления Калифорнийского технологического института (Caltech). В настоящее время организации занимаются совместной разработкой системы мощностью 1,2 кВт.

Твердокислотные топливные элементы все еще находятся на ранней стадии разработки. Однако по утверждениям SAFCell они будут иметь более простую структуру, чем обычные топливные элементы, а базовые детали новинки (к примеру, электролит) можно будет изготовлять из относительно дешевых материалов. Исследователи, занимающиеся разработкой новой технологии, полагают, что их изобретение может оказаться достаточно дешевым для того, чтобы заменить турбины самых мощных электростанций. (Высокая стоимость существующих топливных элементов ограничивает сферу их применения, к примеру, на данный момент они используются преимущественно в качестве источника резервного питания).

В основе работы новых генераторов лежит получение водородного газа из дизельного топлива. Этот процесс называется реформингом (топливо при этом нагревается, но не сгорает, перемешиваясь с воздухом и паром). Синтезированный таким образом водород подается на топливный элемент для производства электричества. В отличие от топливных элементов, использовавшихся в тестовых моделях автомобилей, новинка допускает наличие в водороде примесей, неизбежных при производстве его из дизельного топлива (к примеру, окиси углерода).

Bloom box

Впервые твердокислотные топливные элементы были продемонстрированы в лаборатории 10 лет назад. В их основе лежат твердые кислоты, хорошо проводящие ионы водорода, или протоны. Этот класс химических веществ был открыт 1980-х годах, но считался непригодным к использованию в данной сфере, поскольку твердые кислоты растворяются в воде, образовывающейся при соединении в топливных элементах водорода и кислорода. Сосина Хейл, профессор материаловедения и химических технологий Калифорнийского технологического института, вместе со своими коллегами нашла простой способ решения этой проблемы: топливные элементы должны работать при температуре достаточно высокой для того, чтоб вода превратилась в пар, не растворяющий твердые кислоты.

Полученные в результате топливные элементы совместили в себе преимущества двух основных типов топливных элементов: полимер-электролит-мембранных и твердооксидных топливных элементов. Полимер-электролит-мембранные топливные элементы (типа GM и проч.) активно используются автомобильными компаниями для разработки моделей авто на топливных элементах. Они удобны тем, что они могут работать при низких температурах. Однако при таких условиях на катализаторах может собираться окись углерода, что сильно мешает их работе. Это и приводит к необходимости использования очищенного, отнюдь не распространенного водородного топлива. Новые твердокислотные топливные элементы могут работать при более высоких температурах (250°C вместо 90°C), где окись углерода уже не является проблемой. Именно поэтому они могут работать на водороде, произведенном на месте из природного газа или даже относительно грязных видов топлива (к примеру, дизельного топлива, гораздо более доступного, чем водород). Прототип генератора (сет из 10 соединенных топливных элементов) позволяет производить электричество из водорода даже в том случае, если он был получен преобразованием дизельного топлива с 20% содержанием CO.

По способности использования широкого спектра видов топлива новые топливные элементы напоминают уже имеющиеся твердооксидные элементы. Но последние обычно работают при очень высоких температурах (порядка 800°С - 1000°C), а в их производстве используются достаточно дорогие материалы. По словам Чисема, в условиях промышленного производства новые топливные элементы будут, вероятно, стоить примерно столько, сколько твердотопливные элементы, продаваемые Bloom Energy. Однако ожидаемая стоимость может быстро упасть до значения около одной десятой стоимости технологии Bloom, так как уже сейчас компания разрабатывает и реализует комплекс мер по снижению себестоимости топливных элементов. На момент выпуска они будут достаточно дешевыми для того, чтобы составить конкуренцию высокоэффективным турбинам, используемым на электростанциях.

Дизельный топливный элемент«Одна из ключевых задач разработчиков – сократить использование платинового катализатора», – говорит Роберт Савинел, профессор химических технологий Университета Западного резервного района (Case Western Reserve University). Хейл и другие исследователи из SAFCell уже разработали платино-палладиевый катализатор и методы осаждения катализатора, призванные сократить необходимое количество платины и увеличить выходную мощность элементов, однако вопрос удешевления элементов все еще остается актуальным. В данный момент исследователи занимаются разработкой новых катализаторов, которые использовали бы преимущества работы системы при относительно низких температурах.

Другой вариант – повторное использование платины. Калум Чисем говорит, что благодаря особому химическому составу топливных элементов этот процесс должен оказаться относительно простым. В сочетании с хорошим планом финансирования это может позволить новым топливным элементам взять барьер в $ 1,000 за кВт мощности – то есть достигнуть того соотношения цена/качество, при котором топливные элементы могли бы найти массовое применение.