Адрес e-mail:

Проект 05.608.21.0279

1. Цель проекта

Разработка научно-технологических основ создания батарей твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) с поддерживающей анодной подложкой для высокоэффективного генератора электрической и высокопотенциальной тепловой энергии для водородной энергетики.

Целями реализуемого проекта является разработка лабораторных технологий необходимых для изготовления ТОТЭ анод поддерживающей конструкции, включая технологии нанесения газоплотного тонкопленочного (толщиной от 1 до 5-10 мкм) электролита на несущий анод методом дуального среднечастотного магнетронного распыления и методом «холодное аэрозольное осаждение в вакууме», с изготовлением и испытанием экспериментальных сборок из ТОТЭ анод поддерживающей конструкции размером 100х100 мм.

2. Основные результаты проекта

В ходе выполнения работ второго этапа на основании разработанных технологий, включая тонкопленочные технологии нанесения тонкого газоплотного электролита на несущий анод, изготовлена сборка из 3 ТОТЭ с поддерживающей анодной подложкой размером 100х100 мм и проведены электрохимические испытания, показавшие, что:
- для полного восстановления анодного электрода сборки из 3 ТОТЭ анод-поддерживающей конструкции требуется более 5 часов;
- стабилизация потенциала открытой цепи происходит на значениях 3,038 и 3,074 В, что, в пересчете на потенциал открытой цепи единичного ТОТЭ, отвечает 1,013 и 1,025 В, для температур 800 и 750 оС, соответственно;
- предельный ток для сборки из 3 ТОТЭ превышает 60 и 52 А, а снимаемая мощность достигает 122 и 109 Вт для температур 800 и 750 оС, соответственно;
- требования Технического задания (0,5 Вт/см2) выполняются при токах нагрузки более 640 и 670 мА/см2, что отвечает напряжению на единичном элементе менее 0,78 и 0,75 В, для температур 800 и 750 оС, соответственно.

В ходе выполнения работ второго этапа подготовлен заключительный отчет и получены следующие результаты:
1. Доработана технология изготовления 2-слойных подложек несущего анода, состоящих из токосъемного и функционального слоев с целью изготовления подложек размером 100х100 мм. Изготовлены 2-слойные подложки размером 100х100 мм.
2. Доработана технология нанесения тонкопленочного электролита на 2-слойные подложки несущего анода с целью изготовления образцов размером 100х100 мм. Изготовлены 2-слойные подложки размером 100х100 мм с тонкопленочным электролитом.
3. Доработана технология нанесения защитного подслоя на 2-слойные подложки несущего анода с тонкопленочным электролитом с целью изготовления образцов размером 100х100 мм. Изготовлены 2-слойные подложки размером 100х100 мм с тонкопленочным электролитом и защитным подслоем.
4. Доработана технология нанесения композиционного катода на 2-слойные подложки несущего анода с тонкопленочным электролитом и защитным подслоем с целью изготовления образцов размером 100х100 мм. Изготовлены 2-слойные подложки размером 100х100 мм с тонкопленочным электролитом, защитным подслоем и композиционным катодом – ТОТЭ размером 100х100 мм.
5. Разработана программа и методики исследовательских испытаний ТОТЭ размером 100х100 мм.
6. Проведены исследовательские испытания ТОТЭ размером 100х100 мм на испытательном стенде.
7. Разработаны рекомендации и предложения Индустриальному партнеру по использованию полученных результатов ПНИЭР в целях их дальнейшего внедрения (промышленного освоения).
8. Выполнено обобщение результатов проекта и оценка полноты решения задач ПНИЭР.
9. Выполнена сравнительная оценка полученных результатов ПНИЭР с достигнутым современным научно-техническим уровнем.
10. Выполнено компьютерное моделирование полей распределения токов, температур и давлений газовых смесей в батареях ТОТЭ анод-поддерживающей конструкции с целью оптимизации геометрических параметров токовых коллекторов.
11. Разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) на батарею ТОТЭ анод-поддерживающей конструкции размером 100х100 мм по результатам компьютерного моделирования.
12. Изготовлены комплектующие изделия для изготовления сборки из 3 ТОТЭ размером 100х100 мм.
13. Изготовлена сборка из 3 ТОТЭ размером 100х100 мм.
14. Разработана программа и методики исследовательских испытаний сборки из 3-5 ТОТЭ размером 100х100 мм.
15. Проведено дооборудование испытательного стенда для проведения исследовательских испытаний электрохимических характеристик сборок из 3-5 ТОТЭ размером 100х100 мм.
16. Проведены исследовательские испытания сборки из 3 ТОТЭ размером 100х100 мм на испытательном стенде (дооборудованом).
17. Разработан и согласован с Индустриальным партнером проект ТЗ на опытно-конструкторские работы (ОКР) по изготовлению батарей ТОТЭ анод-поддерживающей конструкции.
18. Выполнена оценка экономической эффективности применения энергетических установок (ЭУ) на ТОТЭ анод-поддерживающей конструкции для когенерации электрической и высокопотенциальной тепловой энергии для нужд Индустриального партнера.
19. Проведены дополнительные исследовательские испытания электрохимических характеристик сборки из 3 ТОТЭ размером 100х100 мм на оборудовании Индустриального партнера.

В ходе выполнения работ первого этапа на основании разработанных технологий включая тонкопленочные технологии нанесения тонкого газоплотного электролита на несущий анод изготовлены модельные образцы ТОТЭ в виде дисков диаметром 21 мм и проведены их электрохимические исследования показавшие: 
- значения потенциала открытой цепи образца 1.034 и 1.048 В для 800 и 750оС, соответственно. Такое значение свидетельствует о высоком качестве изготовленного тонкопленочного электролита и образца в целом;
- удельная снимаемая мощность с модельных образцов ТОТЭ составляет более 0.6 и 0.7 Вт/см2 для 750 и 800оС, соответственно, что превосходит целевое значение удельной мощности 0.5 Вт/см2 согласно требованиям ТЗ.
В ходе выполнения работ первого этапа подготовлен промежуточный отчет и получены следующие результаты:
  1. подготовлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме создания научно-технологических основ разработки батарей твердооксидных топливных элементов анод-поддерживающей конструкции для высокоэффективных генераторов;
  2. разработана технология изготовления двухслойных подложек несущего анода, состоящих из токосъемного и функционального слоев (ТИ МФАС.25000.00001);
  3. изготовлены двухслойные подложки несущего анода в виде дисков диаметром 21 мм;
  4. разработана технология нанесения тонкопленочного электролита на двухслойную подложку несущего анода методом магнетронного напыления (ТИ БДЦК.25000.00018);  разработана технология нанесения тонкопленочного электролита на двухслойную подложку несущего анода вакуумного аэрозольного осаждения (ТИ БДЦК.25000.00019);
  5. изготовлены двухслойные анодные подложки с нанесенным газоплотным тонкопленочным электролитом;
  6. разработана технология нанесения защитного GDC подслоя на анодные подложки с тонкопленочным электролитом. Технологические инструкции по нанесению защитного GDC подслоя методом магнетронного напыления МФАС.25000.00002, методом вакуумного аэрозольного осаждения МФАС.25000.00003 и методом методом трафаретной печати МФАС.25000.00004;
  7. изготовлены двухслойные анодные подложки с нанесенным тонкопленочным газоплотным YSZ электролитом и защитным GDC подслоем;
  8. разработана технология нанесения композиционного катода (ТИ БДЦК.25000.00020);
  9. изготовлены ТОТЭ анод поддерживающей конструкции с тонкопленочным газоплотным YSZ электролитом, защитным GDC подслоем и композиционным катодом;
  10. разработаны технические требования к дооборудованию исследовательского стенда для проведения исследовательских испытаний электрохимических характеристик модельных ТОТЭ (БДЦК.04000.00002 ТТ); Разработана эскизная конструкторская документация на высокотемпературную вставку в испытательный стенд БДЦК.563630.032. Проведено дооборудование стенда для проведения исследовательских испытаний электрохимических характеристик модельных ТОТЭ;
  11. разработка программы и методики испытаний электрохимических характеристик модельных образцов ТОТЭ (МФАС.563629.001 ПМ1); 
  12. проведены исследовательские испытания электрохимических характеристик модельных образцов ТОТЭ;
  13. проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011 96;
  14. выполнен аналитический обзор применения ТОТЭ в качестве когенератора электроэнергии и высокопотенциального тепла;
  15. проведен анализ результатов испытаний модельных образцов ТОТЭ с целью выработки рекомендаций по применению результатов проекта.

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

Полезная модель, заявка  №2020134645 от 22.10.2020 "Батарея твердооксидных топливных элементов анод-поддерживающей конструкции планарной геометрии", РФ

4. Назначение и область применения результатов проекта

По оценкам западных специалистов, к концу первой четверти столетия на долю энергоустановок альтернативной энергетики, включая источники энергии на основе электрохимических генераторов с топливными элементами, будет приходиться до 30% всей производимой в мире электроэнергии. В мире начинает формироваться огромный новый рынок оборудования для распределенной энергетики. На сегодняшний момент ниша электрохимических генераторов на твердооксидных топливных элементах (ЭХГ-ТОТЭ) в малой или распределенной энергетике находится в сегменте мощностей от нескольких киловатт до сотен киловатт, где на данный момент отсутствуют другие предложения достаточной степени проработанности. Важным направлением использования ЭУ на ТОТЭ может быть жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ), прежде всего, энергообеспечение отдельных коттеджей, вахтовых поселков и поселков, расположенных вне зоны централизованного электроснабжения.

Актуальность выполнения проекта обусловлена необходимостью быстрого развития технологий ТОТЭ, обеспечения высокой надежности и эффективности топливных элементов и устройств на их основе, получения научных и технологических результатов, способных к правовой охране, и решения инновационных научно-исследовательских и технологических задач, предусматривающих последующую реализацию промышленным партнером (Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "Бирюч").

5. Эффекты от внедрения результатов проекта

Твердооксидные топливные элементы являются наиболее перспективными системами для производства электрической энергии. Их КПД достигает 70%, а с учетом использования высокопотенциальной тепловой энергии — 90%. В качестве топлива электрохимические генераторы на ТОТЭ могут использовать водород и/или любое газифицируемое углеводородное топливо, а также СО, спирты и смеси легких органических соединений. Топливные элементы являются основой наиболее эффективных и экологически чистых технологий производства электроэнергии.
В случае использования ЭХГ на ТОТЭ для энергообеспечения вахтовых и коттеджных поселков, находящихся вне зоны централизованного энергоснабжения, внедрение результатов проекта приведет к существенному снижению эксплуатационных затрат по сравнению с использованием традиционных источников энергоснабжения.

6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

По окончанию ПНИЭР необходимо проведение опытно-конструкторских (ОКР) и опытно-технологических (ОТР) работ на основе выполненных ПНИЭР.

Возможной формой коммерциализации полученных результатов проекта будет создание Индустриальным партнером инжиниринговой компании (совместно с участниками ПНИЭР), обладающей правами на результаты проекта, которая будет заниматься разработкой и изготовлением типоряда энергоустановок на ТОТЭ анод поддерживающей конструкции.

7. Наличие соисполнителей

Соисполнителем работ на всех этапах выполнения проекта является Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН).
Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2021 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Противодействие коррупции | Сведения о доходах

Политика обработки персональных данных МФТИ

Техподдержка сайта | API

Использование новостных материалов сайта возможно только при наличии активной ссылки на https://mipt.ru

МФТИ в социальных сетях