1.2 Анализ рынка твердых электролитов

Существуют несколько основных типов топливных элементов: с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane Fuel Cells); на основе ортофосфорной / фосфорной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells); на основе расплавленного карбоната лития и натрия (Molten Carbonate Fuel Cells); с твердооксидным керамическим электролитом (Solid Oxide Fuel Cells / SOFC); щелочные (Alkaline Fuel Cells); с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells; с прямым окислением этанола (Direct Еthanol Fuel Cells); воздушно-цинковый ТЭ (Zinc-Air Fuel Cells) и др.

Одним из наиболее актуальных, перспективных, однако и сложных является SOFC. Комплексное использование химической и тепловой энергий в данных энергоустановках позволяют получать КПД до 85–90 %. SOFC элементы работают при температурах 650–1000 °С, причем могут использовать любое углеводородное топливо преобразованное в синтез-газ (Н2 – СО) (бензин, дизельное топливо и природный газ, биотопливо, торф, продукты переработки отходов и водород). Уменьшенные требования к чистоте используемого топлива является одним из важных преимуществ SOFC по сравнению с другими типами топливных элементов. Кроме того, за счет высокой температуры, скорость протекания электродных реакций достаточно высока и не требуется использование дорогостоящих катализаторов.

В настоящее время наиболее часто используемыми материалами для SOFC являются кислород проводящий диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ) – электролит.

Поскольку все компоненты SOFC находятся в твердом состоянии, конструкции самих элементов и устройств из них имеют большое разнообразие. До 80-90х годов прошлого века их можно было разделить на три группы: трубчатые, планарные и блочные. Позднее стали появляться конструкции элементов объединяющие положительные свойства трубчатой и планарной, трубчатой и блочной.

В конце 1950-х начале 1960-х годов исследователи по всему миру начали работы по изучению процессов и разработке высокотемпературных твердооксидных устройств с твердым оксидным электролитом. Сегодня известно, что значительное число малых и крупных компаний США, Европы, Японии, Азии и Австралии находятся в стадии подготовки промышленного производства энергоустановок на SOFC различного назначения, например Siemens, United Technologies, Delphi, Rolls-Royce, Honda, Ceres Power, FuelCell Energy, NexTech Materials, CeramTec, Fuel Cell Materials и др. Странами-лидерами в этих работах являются США, Евросоюз и Япония.

Компаниями Delphi и FuelCell Energy (FCE) разработаны энергетические установки для применения на автотранспорте и в морских энергетических установках. Включая воздухонезависимые энергетические установки для подводных объектов.

Boing совместно с Rolls-Royce и FCE начала разработку вспомогательной энергетической установки для источников бесперебойного питания авиации. Предполагается что к 2017 году будут созданы генераторы мощностью 440 кВт.

Bloom Energy Corp в 2010 году объявила, что она первая вышла на рынок с энергоустановками на основе SOFC мощностью 100 кВт. Причем к 2012 году в США насчитывалось более 1, 700 автопогрузчиков, работающих на топливных элементах.

В Германии работы по разработке генерирующих устройств с твердооксидным электролитом были начаты фирмой ВВС, позднее присоединились Dornier, ЕС, Siemens. Энергетические компании и разработчики технологий объединили усилия в программе «Callux». Как часть национальной инновационной программы по водородным технологиям и топливным элементам, которая координируется NOWGmbH. Весь же проект Callux координируется Центром Солнечной энергии и Водородных Исследований (ZSW) [3]. Пример финансируемого проекта – FlameSOFC объединяет 24 партнера из 11 стран.

В Европе одним из лидеров в создании энергосистем на SOFC планарной конструкции является Forschungszentrum Jü lich (Германия), испытавший устройство мощностью 13 кВт ещё в 2004 году. В 2012 году была достигнута продолжительность работы 40 000 часов [4].

В Японии в 2009 году был запущен проект ENE. FARM. В ходе его реализации было установлено 3000 комбинированных устройств на SOFC (электричество+тепло) для больших зданий и около 40000 устройств, установленных в 2012 году для домохозяйств. TokyoGas, OsakaGas и Eneos в Японии построили системы, используя SOFC произведенные Kyocera Inc. Данные системы работают на природном газе и обеспечивают эффективность электрической конверсии приблизительно 45–50 %.

Комбинированные системы, основанные на ЭХГ, (электричество + тепло), также активно проходят испытания и запускаются в производство в Австралии, Новой Зеландии. Причем, как и японские, австралийские системы используют SOFC работающие в диапазоне 750–800 C. В 2012 году 25 устройств ЭХГ на SOFC марки BlueGen (Ceramic Fuel Cells Ltd., Австралия) были использованы для создания первой коммерческой виртуальной электростанции на топливных элементах в Германии. Электростанция является кластером распределенных единичных генерирующих устройств электроэнергии объединенных узлом управления, что позволяет преодолеть пиковые нагрузки и уравновесить неустойчивое снабжение от ветряных или солнечных генераторов с более высокой эффективностью и большей гибкостью, чем крупные централизованные электростанции.

Особо стоит отметить разработки Китая в области SOFC, так например компания Ningbo SOFCMAN Energy Technology Co., Ltd [5] предлагает на рынке как компоненты необходимые для производства энергетических установок на основе SOFC, так и готовые установки. Разработки данной компании основаны на технических решениях Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering и Chinese Academy of Sciences.

В СССР начиная с 60-х годов прошлого века Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (ИВТЭ), занимался разработкой твердых электролитов проводящих по ионам кислорода, а с начала 70-х годов – разработкой макетов твердооксидных устройств на этих электролитах. Это привело к созданию в 1989 году, высокотемпературного электрохимического генератора мощностью 1 кВт. В 2013 г. В ИВТЭ разработан, а в ООО «Завод электрохимических преобразователей» (г. Новоуральск) изготовлен экспериментальный образец автономной энергоустановки для электропитания станций катодной защиты магистральных газопроводов. В ИВТЭ в лаборатории твердооксидных топливных элементов к 2014 году разработаны, изготовлены и испытаны макеты электрохимических генераторов на твердооксидных топливных элементах мощностью 100, 200, 300 и 1500 Вт.

В Государственном научном центре РФ Физико-энергетический институт им. академика А. И. Лейпунского разрабатывалась планарная конструкция SOFC с использованием как YSZ электролита так и электролита на основе церия для работы при пониженных температурах. При 700 °С удалось получить КПД до 50 %, при 950 °С на единичных элементах была достигнута максимальная удельная мощность 700 мВт/см2.

Начиная с конца 80 годов прошлого века работы по разработке энергосистем на основе SOFC проводятся в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики имени академика Е. И. Забабахина (ВНИИТФ, г. Снежинск). Разработки велись по всем конструктивным разновидностям SOFC (трубчатая, планарная, блочная) мощностью 1-2, 5 кВт. В 2005 г. в ВНИИТФ был изготовлен модуль батарей SOFC для систем катодной защиты газопроводов. В 2009 г. были проведены испытания энергоустановки на SOFC. Генератор вырабатывал электричество в течение 8800 часов, чем подтвердил гарантированный срок службы.