Вісник НАН України. 2016. № 2. С. 91-95.
https://doi.org/10.15407/visn2016.02.091
БРОДНІКОВСЬКИЙ Єгор Миколайович –
кандидат технічних наук,
завідувач лабораторії Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
bregor@ukr.net
КЕРАМІЧНІ ПАЛИВНІ КОМІРКИ
За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України
21 жовтня 2015 року
Керамічні паливні комірки є екологічно безпечними і високоефективними пристроями для перетворення хімічної енергії палива та окисника на електричну і теплову. Основним матеріалом для їх виготовлення є стабілізований у кубічній фазі діоксид цирконію. Україна має значні поклади цирконієвих руд та потужний інтелектуальний наробок у цій сфері, тобто фактично все необхідне для організації високотехнологічного виробництва енергогенеруючих потужностей на основі керамічних паливних комірок. У статті наведено стислий огляд наукових здобутків нашої команди та перспектив розвитку цього напряму в енергетиці України.
Ключові слова: керамічна паливна комірка, стабілізований у кубічній фазі діоксид цирконію.
Вступ
Керамічна паливна комірка (КПК) є пристроєм, який прямо перетворює хімічну енергію палива та окисника на електричну і теплову енергію. Саме через відсутність проміжних перетворень енергії КПК, на відміну від традиційних електростанцій, характеризуються дуже високою ефективністю виробництва електричної енергії (близько 65%). Іншими перевагами генерації електроенергії за допомогою паливних комірок є:
- автономність;
- можливість децентралізації виробництва енергії;
- низький рівень шкідливих викидів;
- можливість використання різних видів палива;
- безшумність;
- модульність конструкції;
- широкий діапазон потужностей від мікроватів до мегаватів;
- можливість виробництва, крім енергії, ще й води.
Розвиток водневої енергетики і використання паливних комірок є одними з ключових складових енергетичної політики США, ЄС, Японії, Канади і Китаю. У цих країнах діють програми з розвитку енергетики в напрямі її децентралізації, підвищення екологічності та заощадження енергоносіїв. Водневе паливо і паливні комірки істотно знижують залежність від імпорту нафти і газу, скорочують споживання вуглеводнів і викиди шкідливих речовин, особливо оксидів азоту і вуглецю. Паливні комірки збільшують ефективність та надійність виробництва електроенергії і забезпечують його децентралізацію. Саме підвищення ефективності споживання енергоносіїв та збереження екології планети є на сьогодні однією з найважливіших проблем, що стоять перед людством. Розвинені країни вже обрали свій шлях, активізувавши впровадження КПК-електростанцій у побут своїх громадян.
Головною перепоною для розвитку «водневої економіки» є поки що високі ціни на паливні комірки і водневе паливо. Зниження їх вартості є рушійним фактором для підтримки урядами різних держав відповідних прикладних досліджень і розробок, що сприятиме переходу від здобуття фундаментальних знань до створення спочатку пілотних, а потім і промислових технологій та їх подальшого впровадження.
Принцип роботи керамічних паливних комірок
Окрема керамічна паливна комірка складається з твердого оксидного електроліту, анода, катода і з’єднувача. Найпоширенішим електролітом є стабілізований у кубічній фазі діоксид цирконію (ZrO2с). Широкого використання ZrO2с набув завдяки його високій іонній провідності, механічній і хімічній стабільності в умовах відновного й окисного середовища за робочих температур КПК 600–800°С, а також через його відносно невисоку вартість. Цирконієвокерамічний електролітний матеріал додають, крім того, до катодного та анодного матеріалів для забезпечення сумісності коефіцієнтів термічного розширення та збільшення реакційної зони електродів завдяки підвищенню в них іонної провідності. Фактично діоксид цирконію є основою при виготовленні КПК. Це особливо важливо з огляду на те, що Україна має найбільші у Північній півкулі поклади піску-циркону, який є сировиною для виготовлення порошку ZrO2с. Повний текст