Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0122

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0122
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова Российской академии наук
Название доклада
Разработка и создание экспериментального образца водородной системы резервного электроснабжения средней мощности на основе альтернативных источников энергии.
Докладчик
Ярославцев Андрей Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проведенных работ являлась разработка новых технических решений, обеспечивающих повышение надежности электропитания телекоммуникационного оборудования и снижение экологической нагрузки на природу за счет применения водородных технологий аккумулирования энергии. Обеспечение максимальной локализации производства компонентов для водородной системы резервного электроснабжения за счет разработки отечественных водородно-воздушных топливных элементов. Создание экспериментального образца водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии (ВСБПАЭ) с мощностью 10 кВт на основе отечественных и импортных компонентов.
Актуальность и новизна исследования
Большинство технологий, используемых человечеством, являются энергоемкими, и их прогресс неизбежно сопровождается увеличением потребности в энергии. За 35 лет мировое производство первичной энергии вырастает примерно вдвое. Кроме того, постоянно наблюдается перераспределение вкладов в нее отдельных составляющих. В начале 19-ого века более 90% энергии производилось из древесины, в начале 20-ого 70% энергии вырабатывалось уже из угля, а с середины прошлого столетия на первый план вышла нефть. При этом роль нефти в современной энергетике уже не является однозначно доминирующей. На начало 21-ого века ее доля в производстве первичной энергии составляла лишь 40% и постепенно понижается. Переход к новым источникам энергии во многом диктуются и борьбой за улучшение экологической ситуации на планете. При сжигании нефти, угля и газа в атмосферу выбрасывается значительное количество оксидов углерода, серы и азота, а также продуктов неполного сгорания топлива, что в сочетании с их широким использованием уже привело к значительному ухудшению экологии. Наиболее перспективными с этой токи зрения являются системы, основанные на использовании возобновляемых источников энергии, в первую очередь солнца и ветра. Однако периодичность их действия определяет необходимость разработки систем аккумулирования энергии. Одни из наиболее перспективных связаны с использованием водородного цикла, основанного на генерации водорода при наличии избытка энергии и последующем его переработке в топливных элементах по мере необходимости.
Описание исследования

В ходе данной работы проведен аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей проблему создания систем бесперебойного питания и аккумулирования энергии. В соответствии с обращением Минобрнауки опубликована обзорная публикация в журнал «Теплоэнергетика», обосновывающая целесообразность разработки систем аккумулирования энергии, получаемой из возобновляемых источников. Показано, что наиболее перспективными являются системы, основанные на использовании водородного цикла.

Важнейшей составляющей данной работы являлось создание топливных элементов с использованием материалов, повышающих их удельную мощность и надежность их работы. В рамках этой части проекта разработаны новые композиционных протонпроводящие мембраны для водород-воздушных топливных элементов (ВВТЭ). Проведена модификация перфторированных сульфокатионитовых мембран типа Nafion-212 оксидом кремния и кислыми солями гетерополикислот. При относительной влажности ~30% и 25°С проводимость разработанных мембран достигает значений 2.6·10‑3 Ом‑1см‑1, что более чем в 70 раз выше, чем проводимость мембраны Nafion 212 в аналогичных условиях. При этом газопроницаемость полученных материалов не выше, чем исходной мембраны Nafion 212. Показано, что свойства мембран стабильны при проведении нескольких циклов гидратации/регидратации. Показано, что использование таких мембран позволяет существенно повысить мощность работы топливного элемента на его основе, который даже при пониженной влажности обеспечивает пиковую мощность топливного элеме6та, значительно превышающую таковую для топливного элемента на основен мембран Нафион при 100%-ной относительной влажности.

Разработаны новые подходы к синтезу катализаторов для топливных элементов. Оптимизирован размер частиц катализатора, позволяющий добиться максимальной мощности и временной стабильности топливного элемента.

Проведен расчет основных характеристик компонентов водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии (топливный элемент, электролизер, солнечная батарея, система хранения водорода, аккумулятор) и оптимизация их компоновки.

В рамках выполнения проекта с использованием разработанных материалов изготовлен и испытан экспериментальный образец батареи ВВТЭ общей мощностью 10000 Вт. Сопоставление показало преимущество сконструированных образца по сравнению с промышленным.

Разработана система управления работой ВСБПАЭ.

На основе изготовленного образца ВВТЭ создан экспериментальный образец водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии с мощностью 10 кВт, испытания которого успешно проведены в настоящее время на основе разработанной методики.

Результаты исследования

Разработанная в рамках выполнения проекта водородная система резервного электроснабжения на основе альтернативных источников энергии позволит уменьшить, по сравнению с традиционными резервными источниками питания, экологическую нагрузку за счет одновременного использования водородных технологий и возобновляемых источников энергии.

Новизна использующихся решений заключается в том, что решена задача улучшения свойств протонпроводящих мембран типа Нафион при низкой влажности. Показано, что использование разработанных мембран позволяет добиться существенного повышения мощности топливных элементов по сравнению с мощностью топливных элементов на основе мембран Нафион. Статья, посвященная этому опубликована в журнале Chemical Engineering Journal, имеющем импакт-фактор 5.439, что подчеркивает достоверность и высокую оценку полученных результатов мировым сообществом. Данное решение позволяет существенно упростить конструкцию топливных элементов и повысить эффективность их работы. При этом мощность топливного элемента на основе разработанных мембран при низкой влажности превышает мощность топливных элементов на основе мембран Нафион даже при 100% относительной влажности подаваемых газов. Использование катализатора на оксидном носителе снижает требования к чистоте водорода и рабочим температурам топливного элемента.

Подчеркнем также, что разработанная система аккумулирования энергии не имеет аналогов в России и находится как минимум на уровне лучших зарубежных образцов.

Полученные результаты соответствуют мировому уровню. Об этом, в частности, свидетельствуют публикации по результатам работы в ведущих российских и зарубежных журналах:

1.      Бокун В.Ч., Крицкая Д.А., Абдрашитов Э.Ф., Пономарев А.Н., Сангинов Е.А., Ярославцев А.Б., Добровольский Ю.А.Протонная проводимость перфторированных нанокомпозиционных ионообменных мембран в воде и водно-метанольных растворах. Электрохимия. 2015. Т. 51. № 5. С. 504-511.

2.      Safronova E., Prikhno I., Yurkov G., Yaroslavtsev A. Nanocomposite membrane materials based on nafion and cesium acid salt of phosphotungstic heteropolyacid. Chem. Engin. Trans. 2015. V. 43. P. 679-684.

3.      Сафронова Е.Ю., Осипов А.К, Баранчиков А.Е., Ярославцев А.Б. Протонная проводимость кислых солей гетерополикислот состава MxH3‑xPX12O40, MxH4‑xSiX12O40 M=Rb, Cs, X=W, Mo). Неорганические материалы. 2015. Т. 51. № 11. С.1157-1162.

4.      Стенина И.А., Сафронова Е.Ю., Левченко А.В., Добровольский Ю.А., Ярославцев А.Б. Низкотемпературные топливные элементы: перспективы применения для систем аккумулирования энергии и материалы для их разработки. Теплоэнергетика. 2016. № 6. С. 4-18.

5.      Осипов А. К., Сафронова Е. Ю., Ярославцев А. Б. Гибридные материалы на основе мембраны Nafion и кислых солей гетерополикислот MxH3‑xPW12O40, MxH4‑xSiW12O40 (M=Rb, Cs). Мембраны и мембранные технологии. 2016. Т. 6. №4. С. 359-365.

6.      Павлов В.И., Герасимова Е.В., Дон Г.М., Золотухина Е.В., Добровольский Ю.А., Ярославцев А.Б. Деградация Pt/C электрокатализаторов с различной морфологией в низкотемпературных топливных элементах с полимерной мембраной. Российские нанотехнологии 2016. Т.11. №11-12. В печати.

Практическая значимость исследования
Областью применения разрабатываемой в ходе выполнения проекта водородной системы бесперебойного питания и аккумулирования энергии может являться обеспечение бесперебойной работы телекоммуникационного оборудования, а также широкого спектра потребителей от автономных рабочих мест до удаленных объектов различного типа в случае отключения или ухудшения качества электрической энергии источника переменного тока, т.е. повышение стабильности энергообеспечения объектов. Кроме того, разрабатываемая система предназначена для замены традиционных дизельных электростанций, с целью снижения экологической нагрузки за счет применения водородных технологий аккумулирования энергии. Разрабатываемая система будет способствовать повышению стабильности работы перечисленного рудования, повышению конкурентоспособности отечественной продукции и импортозамещению.
В настоящий момент на российском рынке подобных систем на основе отечественных разработок не существует. В ближайшие 5 лет по экспертным оценкам ожидается ускоренное развитие систем электроснабжения на основе топливных элементов, в первую очередь, для энергоснабжения ряда транспортных средств и систем резервного энергоснабжения.
По результатам работы подготовлены следующие патентоспособные результаты:
1. Стенина И.А., Левченко А.В., Сафронова Е.Ю., Ильин А.Б., Сангинов Е.А., Добровольский Ю.А., Ярославцев А.Б. Твердополимерный топливный элемент. Патент на полезную модель РФ 160133. Опубликовано 10.03.2016. Бюлл.7
2. Сафронова Е.Ю., Голубенко Д.В., Осипов А.К., Ярославцев. Способ определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов. Заявка на изобретение № 2016111150 от 25.03.2016.
3. Стенина И.А., Левченко А.В., Сафронова Е.Ю., Чуб А.В., Добровольский Ю.А., Ярославцев А.Б. Автономная энергоустановка. Заявка на полезную модель № 2016136816 от 14.09.2016.