О создании твёрдооксидных топливных элементов (ТОТЭ) методом 3D печати и электрохимических генераторов на «ТОТЭ 3D» сообщение на научно-техническом совете АО «Татнефтехиминвест-холдинг» (г. Казань) сделали директор ООО «Питон Кама» (Нижнекамск) Андрей СЕМКИН и руководитель проектов PitON Сергей КРАСИЛЬНИКОВ из Екатеринбурга.

Топливный элемент — это электрохимическое устройство, напрямую преобразующее химическую энергию топлива в электричество, минуя процессы горения. 

На заседании речь шла о ТОТЭ – генераторах электроэнергии от100 Вт до 1 МВт и более. Усовершенствовать их предлагается за счет изготовления высокотемпературной 3Д печати керамикой. Это дает минимизацию габаритов, в результате топливный элемент может служить и внешним зарядником для мобильных телефонов. При максимизации габаритов ТОТЭ сможет служить автономным индивидуальным генератором для промышленных предприятий.

Как выглядит процесс?

Рабочая температура может варьироваться от 600°C до 1000°C. Для работы с такими высокими температурами используется электролит керамика на основе циркония с добавкой иттрия (YSZ), она и является проводником ионов кислорода. Они проходят по электролиту и на аноде окисляют водород, при этом освобождаются четыре свободных электрона. Во внутренней цепи бежит ионный ток, во внешней цепи электронный ток.

Топливный элемент - электрохимическое устройство, осуществляющее прямое преобразование химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями процессы горения. Топливные элементы устраняют дополнительные этапы преобразования (механические процессы) и обеспечивают полезную электрическую и тепловую энергию непосредственно из углеводородного топлива.

Топливный процессор преобразует жидкое углеводородное топливо (к примеру нефть) в газ, необходимый для электрохимической реакции (риформинг). Основной элемент устройства - риформер. Если использовать газ (пропан, бутан, метан), то они, минуя риформер, подаются на секцию выработки электроэнергии ТОТЭ.

Секция выработки энергии - основная часть генератора состоит из ТОТЭ, с помощью которых вырабатывается электрический ток.

Вырабатываемый топливными элементами постоянный ток неустойчив, имеет низкое напряжение и высокую силу тока. Для преобразования его в переменный ток, отвечающий стандартам, а также для защиты электрической цепи от различных сбоев используется преобразователь напряжения.

Лучшим мировым опытом на 2022 год названы трубчатые ТОТЭ от Mitsubishi power, узнало Информагентство на заседании НТС.

Чем обусловлен выбор решения по изготовлению ТОТЭ методом 3Д печати? 

Во-первых, сверхкомпактностью: при ширине ТОТЭ 20 мм, длине 50 мм, высоте 10 мм (размер спичечного коробка) мощность составит 100 Вт.

Во-вторых, сверхмощностью: при размере батареи элементов ТОТЭ в 1 кубический дециметр мощность достигнет 20 кВт, 1 кубометр - 20 МВт.

Возможно увеличение мощности до сотен МВт и более для использования в промышленных условиях.

Используется любое углеводородное топливо: уголь, нефть, продукты нефтеперераработки, природный газ, биогаз, синтезгаз, угарный газ, нефтегазовые отходы.

При минимизации габаритов устройство сможет служить в качестве внешнего зарядного устройства для мобильного телефона, ноутбука и т.д. При максимизации - в качестве автономных индивидуальных генераторов электроэнергии для промышленных предприятий.

Себестоимость такого ТОТЭ будет в 3 раза ниже чем у конкурентов за счёт получения по технологии 3 D печати, стоимость электроэнергии - в 2-3 раза ниже, чем у традиционных генераторов, считают докладчики.

Напомним, в мае 2021 года на заседании совета директоров «Татнефтехиминвест-холдинга» гендиректор ГК «InEnergy» Алексей КАШИН  Алексей Кашин рассказал о топливных элементах нового поколения. ИА "Девон" привел слова президента Татарстана Рустама Минниханова, что топливные элементы более актуальны для республики, чем батареи для электромобилей.