Регистрация / Вход
Прислать материал

14.610.21.0007

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.610.21.0007
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук
Название доклада
Разработка лабораторной масштабируемой технологии изготовления ТОТЭ планарной конструкции и концепции создания на их базе энергетических установок различного назначения и структуры, включая гибридные, с изготовлением и испытаниями маломасштабного экспериментального образца энергоустановки мощностью 500 - 2000 Вт
Докладчик
Бредихин Сергей Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Вариантная проработка конструкции экспериментальной модели батареи из ТОТЭ размером 100х100 мм мощностью 500 Вт.
Разработка концепции энергетических установок различного назначения, включающая:
эскизную конструкторскую документацию на батарею из ТОТЭ размером 100х100 мм мощностью 500 Вт;
эскизную конструкторскую документацию на маломасштабный экспериментальный образец энергоустановки мощностью 500 – 2000 Вт;
изготовление и испытания маломасштабного экспериментального образца энергоустановки мощностью 500-2000 Вт;
концептуальный проект создания на базе ТОТЭ энергетических установок, включающий проект ТЗ на опытно-конструкторские и опытно-технологические работы по созданию типоряда энергетических установок мощностью 0,5 – 5 кВт, включающих батареи из ТОТЭ планарной конструкции размером 100х100 мм мощностью 500 Вт.
Актуальность и новизна исследования
Рост энергопотребления, обусловленный развитием цивилизации, проблема исчерпаемости ископаемых энергоносителей побуждает человечество предпринимать усилия по повышению эффективности преобразования энергии первичных источников в электрическую энергию и развивать альтернативные способы ее производства. Современная электроэнергетика базируется на так называемых машинных способах преобразования энергии – в них тепловая энергия сгорания топлива преобразуется в механическую энергию вращения, которая в электрогенераторе превращается в электрическую. Наиболее эффективная из действующих электростанций большой – 570 МВт – мощности, работающая по парогазовому циклу, продемонстрировала КПД, несколько больший 60 %.
Энергетические установки на основе топливных элементов позволяют радикально увеличить КПД преобразования химической энергии топлива в электрическую в диапазоне как малых мощностей в простом и когенерационном циклах (до 60 %), так и больших мощностей в гибридном цикле с газотурбинными, паросиловыми и парогазовыми установками (до 75 %), обладая при этом очень высокими экологическими характеристиками. На сегодняшний день не известна иная экономически целесообразная технология, способная конкурировать по этим критериям с топливными элементами.
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 Индустриальным партнером (Фонд «Энергия без границ»).
Описание исследования

Объектом исследования являются твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), батареи на основе ТОТЭ и маломасштабные экспериментальные образцы энергоустановки мощностью 500-2000 Вт, построенные на их основе.

Основными методами решения задач при выполнении ПНИЭР является сочетание методов моделирования процессов, протекающих в батареях ТОТЭ, с экспериментальными, конструкторскими и технологическими работами по изготовлению батарей ТОТЭ и исследованию их вольтамперных и мощностных характеристик.

Одной из важнейших задач ПНИЭР «Разработка лабораторной масштабируемой технологии изготовления ТОТЭ планарной конструкции и концепции создания на их базе энергетических установок различного назначения и структуры, включая гибридные, с изготовлением и испытаниями маломасштабного экспериментального образца энергоустановки мощностью 500 - 2000 Вт» является создание технологии изготовления ТОТЭ планарной конструкции.

Для решения этой задачи на разных этапах выполнения проекта сначала изготавливаются ТОТЭ размером 50х50 мм, а затем и ТОТЭ размером 100х100 мм. Одним из ключевых этапов изготовления ТОТЭ планарной конструкции является последовательное нанесение на газоплотную многослойную мембрану анионного проводника многослойных катодов и анодов, и их последующее совместное спекание. Следует отметить, что состав, микроструктура, пористость и толщина каждого из слоев катода и анода играют важную роль и определяют такие электрохимические характеристики ТОТЭ как плотность мощности и коэффициент полезного действия (КПД) отдельного ТОТЭ и создаваемых на основе ТОТЭ планарной конструкции энергоустановок различного назначения.

Наиболее простым и технологичным методом нанесения многослойных катодов и анодов является метод трафаретной печати. Метод трафаретной печати позволяет наносить электроды заданной геометрии и толщины. Данный метод отличает высокая воспроизводимость как по размерам электродов, так и по толщине (~ 1 мкм), в сочетании с возможностью создания полностью автоматизированного производства.

В соответствии с общей выбранной методикой проведения ПНИЭР «Разработка лабораторной масштабируемой технологии изготовления ТОТЭ планарной конструкции и концепции создания на их базе энергетических установок различного назначения и структуры, включая гибридные, с изготовлением и испытаниями маломасштабного экспериментального образца энергоустановки мощностью 500 - 2000 Вт» для достижения целей проекта перед членами Консорциума были поставлены задачи, включающие в себя следующее:   

– разработку программ и методик исследовательских испытаний пластин анионного проводника размером 100х100 мм;

– разработку программы и методик исследовательских испытаний технологии нанесения проводящих защитных покрытий на элементы корпуса батарей;

– разработку программы и методик исследовательских испытаний временной стабильности контактного сопротивления элементов корпуса батарей из ТОТЭ размером 100х100 мм с защитным покрытием, находящихся в контакте с катодом ТОТЭ в рабочих условия окислительной камеры ТОТЭ;

  • разработку технологической инструкции по сборке экспериментального образца батареи из ТОТЭ размером 100х100 мм;
  • разработку технологической инструкции на операции по изготовлению ТОТЭ размером 100х100 мм;
  • разработку программы и методик исследовательских испытаний вольтамперных и мощностных характеристики ТОТЭ размером 100х100 мм;
  • разработку маршрутной карты «Изготовление ТОТЭ размером 100х100 мм»;
  • разработку эскизной конструкторской документации на маломасштабный экспериментальный образец энергоустановки мощностью 500-2000 Вт.
Результаты исследования

В рамках выполнения работ четвертого этапа «Экспериментальный образец батареи из ТОТЭ размером 100х100 мм» разработана технологическая инструкция по сборке экспериментального образца батареи из ТОТЭ размером 100х100 мм, изготовлены шесть экспериментальных образцов батареи из ТОТЭ размером 100х100 мм и проведены исследовательские испытания одного экспериментального образца батареи из ТОТЭ размером 100х100 мм, разработана эскизная конструкторская документации на маломасштабный экспериментальный образец энергоустановки мощностью 500-2000 Вт.

Результаты работ четвертого этапа по изготовлению шести экспериментальных образцов батареи из ТОТЭ размером 100х100 мм и разработке эскизной конструкторской документации на маломасштабный экспериментальный образец энергоустановки мощностью 500-2000 Вт являются основой для выполнения пятого этапа работ и всего проекта в целом, основной задачей которого является разработка лабораторной масштабируемой технологии изготовления ТОТЭ планарной конструкции и концепции создания на их базе энергетических установок различного назначения и структуры, включая гибридные, с изготовлением и испытаниями маломасштабного экспериментального образца энергоустановки мощностью 500 - 2000 Вт.

В конце четвертого этапа выполнения ПНИЭР и при подготовке этапного отчета проведена проверка соответствия выполненных работ требованиям технического задания и Плана-графика выполнения работ. Проверено соответствие разработанных на отчетном этапе документов комплектности технической документации, согласованной с Индустриальным партнером, и соответствие содержания документов, созданных на этапе, требованиям технического задания и Плана-графика выполнения работ.

Проведена проверка достоверности полученных результатов, посредством проведения контрольных измерений и сопоставления полученных результатов с модельными расчетами. Проводится сравнение полученных на отчетном этапе выполнения ПНИЭР результатов с аналогичными результатами отечественных и зарубежных работ. 

Результатом выполнения работ по  проекту будет создание номенклатура новых видов продукции:
Типоряд энергетических установок мощностью 0,5 – 5 кВт, включающих батареи из ТОТЭ планарной конструкции размером 100х100 мм2 мощностью 500 Вт.


Назначение продукции
Продукция предназначена для производства электроэнергии. 

Индустриальным партнером проекта - Фондом поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности «Энергия без границ» планируется создание инжиниринговой компании, обладающей правами на разработанную рабочую конструкторскую документацию, которая будет оказывать услуги по сборке и поставке типоряда энергетических установок мощностью 0,5 – 5 кВт, включающих батареи из ТОТЭ планарной конструкции размером 100х100 мм2 мощностью 500 Вт, сторонним организациям- заказчикам.

Практическая значимость исследования
Вариантная проработка конструкции экспериментальной модели батареи из ТОТЭ размером 100х100 мм2 мощностью 500 Вт. Разработка концепции энергетических установок различного назначения, включающая:
эскизную конструкторскую документацию на батарею из ТОТЭ размером 100х100 мм2 мощностью 500 Вт;
эскизную конструкторскую документацию на маломасштабный экспериментальный образец энергоустановки мощностью 500 – 2000 Вт;
изготовление и испытания маломасштабного экспериментального образца энергоустановки мощностью 500-2000 Вт;
концептуальный проект создания на базе ТОТЭ энергетических установок, включающий проект ТЗ на опытно-конструкторские и опытно-технологические работы по созданию типоряда энергетических установок мощностью 0,5 – 5 кВт, включающих батареи из ТОТЭ планарной конструкции размером 100х100 мм мощностью 500 Вт
По завершению ПНИЭР Индустриальным партнером при взаимодействии с Получателем субсидии предполагается организовать производство типоряда энергетических установок мощностью 0,5 – 5 кВт, включающих батареи из ТОТЭ планарной конструкции размером 100х100 мм мощностью 500 Вт, предназначенных для производства электроэнергии.