Принцип работы и практическая реализация высокоэффективного генератора электроэнергии на основе твердооксидных топливных элементов.

С 2003 года в ИФТТ РАН наряду с фундаментальными исследованиями в области материалов с ионной и смешанной ионно-электронной проводимостью проводятся исследования и разработки в области ТОТЭ, батарей и энергоустановок на их основе. В представленной работе освещается как принципы создания энергоустановки на основе ТОТЭ, так и вопросы практической реализации такой установки. Также приводятся результаты испытания батареи твердооксидных топливных элементов мощностью 500 Вт, разработанной и изготовленной в ИФТТ РАН

Полная установленная мощность всех электростанций Земли на данный момент составляет около 4.5-5 ТВт, на Россию приходится примерно 230 ГВт установленной мощности [1]. По разным оценкам, от 50 до 70% территории России не покрыто сетью централизованного энергоснабжения, при этом доля малой (распределенной) энергетики на превышает 1.5%. При всех преимуществах размещения генерирующей мощности в непосредственной близости от потребителя, слабое распространение технологий распределенной энергетики в России и мире связано, в большой мере, с отсутствием высокоэффективных генераторов малой мощности (от 1 кВт до 10 МВт).

Одной из перспективных технологий, претендующих на роль ключевого звена в распределенной энергетике будущего, являются генераторы на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Высокий КПД (до 65% по электрической энергии и более 90% в когенерационном цикле), большое время бесперебойной (более 40000 часов) и межсервисной (до 10000 часов) работы, масштабируемость энергоустановки в широком диапазоне мощности (от 1 кВт до 10 МВт) при сохранении высокого КПД, толерантность к широкому спектру топлив (от водорода до тяжелых углеводородов, спиртов и каменного угля), низкие уровни вибрации, шума и вредных выбросов ‑ такое сочетание преимуществ объясняет повышенный интерес исследователей и разработчиков к технологии ТОТЭ.

Работы в области ионных (кислородных) и смешанных ионно-электронных твердых проводников ведутся в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) уже более 10 лет. Наряду с фундаментальными исследованиями процессов переноса в объеме и смены вида носителей заряда на интерфейсах твердых электролитов [2-7] и поиском новых кислород-проводящих материалов [8-12] проводятся работы по созданию энергоустановок на основе технологии ТОТЭ. В настоящее время совместно с ФГУП «Крыловский государственный научный центр» ведется разработка энергоустановки на основе ТОТЭ мощностью 2000 Вт.

В представленной работе будут рассмотрены как принципы работы ТОТЭ и построения ЭУ на основе ТОТЭ, так и ряд сложных научно-технических задач, решение которых требуется для разработки батареи твердооксидных топливных элементов, таких как: изготовление высокоэффективного мембранно-электродного блока ТОТЭ на тонком несущем электролите [13,14]; разработка защитного покрытия токового коллектора, обеспечивающего электрический контакт в атмосфере воздуха при 850^оС не менее 40000 часов [15,16]; проработка конструкции биполярных пластин и батареи в целом, включающая этапы моделирования и натурных экспериментов [17] и т.д. Также в работе будут представлены результаты испытаний батареи твердооксидных топливных элементов мощностью 500 Вт, разработанной и изготовленной в ИФТТ РАН (рисунок 1).

Рис. 1 Батарея твердооксидных топливных элементов мощностью 500 Вт, разработанная и изготовленная в ИФТТ РАН.

 

Литература

1. Фортов В.Е., Попель О.С. Возобновляемая энергетика в современном мире, издательский дом МЭИ 2015
2. Burmistrov, S. Bredikhin, Ionics, Vol.15, No. 4, pp. 465-468 (2009)
3. D.A. Agarkov, I.N. Burmistrov, F.M. Tsybrov, I.I. Tartakovskii, V.V. Kharton, S.I. Bredikhin Russian Journal of Electrochemistry, Vol. 52, Iss. 7, p. 673-679 (2016)
4. A. Aronin, G. Abrosimova, S. Bredikhin, K. Matsuda, K. Maeda, M. Awano, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 88, Iss. 5, pp. 1180-1185 (2005)
5. I. Bredikhin, V. Sinitsyn, A. Aronin, I. Kuritsyna, S. Bredikhin, ECS Transactions, Vol. 7, No. 1, pp. 1541-1546 (2007)
6. D.A. Agarkov, I.N. Burmistrov, F.M. Tsybrov, I.I. Tartakovskii, V.V. Kharton, S.I. Bredikhin, V.V. Kveder, ECS Transactions, Vol. 68, Iss. 1, pp. 2093-2103 (2015)
7. I.N. Burmistrov, D.A. Agarkov, I.I. Tartakovskii, V.V. Kharton, S.I. Bredikhin, ECS Transactions, Vol. 68, Iss. 1, pp. 1265-1274 (2015)
8. V.A. Kolotygin, E.V. Tsipis, A.I. Ivanov, Y.A. Fedotov, I.N. Burmistrov, D.A. Agarkov, V.V. Sinitsyn, S.I. Bredikhin, V.V. Kharton, J. Solid State Electrochem, Vol. 16, Iss. 7, pp. 2335-2348 (2012)
9. A.I. Ivanov, D.A. Agarkov, I.N. Burmistrov, E.A. Kudrenko, S.I. Bredikhin, V.V. Kharton, Russ. J. Electrochem., Vol. 50, No. 8, pp. 730-736 (2014)
10. I. Burmistrov, O.A. Drozhzhin, S.Ya. Istomin, V.V. Sinitsyn, E.V. Antipov, S.I. Bredikhin, J. Electrochem. Soc., Vol. 156, No. 10, pp. B1212-1217 (2009)
11. I. Burmistrov, S. Bredikhin, ECS Transactions, Vol. 25, Iss. 2, pp. 2793-2798 (2009)
12. I.E. Kuritsyna, V.V. Sinitsyn, Yu.S. Fedotov, S.I. Bredikhin, E.V. Tsipis, V.V. Kharton, Russ. J. Electrochem, Vol. 50, No. 8, pp. 713-718 (2014)
13. I. Burmistrov, D. Agarkov, S. Bredikhin, Yu. Nepochatov, O. Tiunova, O. Zadorozhnaya, ECS Transactions, Vol. 57, Iss. 1, pp. 917-923 (2013)
14. И.Н. Бурмистров, Д.А. Агарков, Ф.М. Цыбров, С.И. Бредихин, Журнал Электрохимия, Т. 52, № 7, с. 749-758 (2016)
15. N. Demeneva, D. Matveev, V. Kharton, S. Bredikhin, ECS Transactions, Vol. 68, Iss. 1, pp. 1707-1713 (2015)
16. N. Demeneva, S. Bredikhin, Russ. J. Electrochem., Vol. 50, Iss. 8, pp. 725-729 (2014)
17. Бредихин С.И., Агарков Д.А., Бурмистров И.Н., Деменева Н.В., Матвеев Д.В., Федотов Ю.С., Хартон В.В. «Батарея ТОТЭ планарной геометрии» Патент (2015)