Хотя топливные элементы работают так же, как батареи, основанные на электрохимическом процессе, они не разряжаются и не требуют перезарядки. Однако потенциальные преимущества топливных элементов нивелируются проблемами, которые включают стоимость, производительность и долговечность.
Исследователи из Мичиганского технологического университета взялись за решение этих задач, изменив традиционный путь разработки топливного элемента, создав интерфейс между электролитом и расплавленным карбонатом в качестве сверхбыстрого канала для переноса ионов кислорода. Это позволило изобрести совершенно новый тип топливного элемента — твердотопливный элемент с карбонатной надстройкой (CSSFC).
CSSFC имеют широкий спектр потенциальных применений, от обеспечения энергией для работы автомобилей на топливных элементах и производства электроэнергии в домашних условиях до целых электростанций. Поскольку CSSFC являются топливно-гибкими, они обеспечивают высокую долговечность и эффективность преобразования энергии при более низких рабочих температурах, чем другие типы топливных элементов.
Большинство топливных элементов работают на водороде, который производится из водородосодержащих соединений, в основном из метана, с помощью дорогостоящего процесса. Но CSSFC, разработанный исследователями, может напрямую использовать метан или другое углеводородное топливо.
Электрохимические характеристики нового топливного элемента при более низких рабочих температурах дают ряд других преимуществ.
Рабочая температура обычного твердооксидного топливного элемента обычно составляет 800 градусов Цельсия или выше, потому что перенос ионов в твердом электролите очень медленный при более низкой температуре. И наоборот, сверхструктурированный электролит CSSFC может обеспечить быстрый перенос ионов при 550 градусах Цельсия или ниже — даже при 470 градусах Цельсия
— Кэрролл Макартур, профессор материаловедения.
Относительно низкая рабочая температура обеспечивает высокую теоретическую эффективность и более низкие затраты на изготовление элементов. Он также потенциально безопаснее в эксплуатации, чем другие твердотопливные элементы.
Лабораторные испытания CSSFC также показали беспрецедентно высокое напряжение холостого хода (OCV), что указывает на отсутствие потерь тока утечки и высокую эффективность преобразования энергии. По оценкам ученых, топливная эффективность CSSFC может достигать 60%, что почти вдвое превышает среднюю топливную эффективность двигателей внутреннего сгорания.
В наших экспериментах CSSFC продемонстрировал сверхвысокую кислородно-ионную проводимость при 550 градусах Цельсия, что позволило добиться быстрого окисления углеводородного топлива. Это привело к беспрецедентно высокому напряжению холостого хода в 1,041 Вольта и очень высокой пиковой плотности мощности в 215 милливатт на квадратный сантиметр, а также к превосходной стойкости к закоксовыванию при использовании сухого метанового топлива
— Юн Ханг Ху, руководитель исследовательской группы.
