Разработка научно-технических решений по созданию обратимых топливных элементов с твердым полимерным и твердым оксидным электролитом, создание и испытание лабораторных образцов модулей обратимых топливных элементов мощностью 0,5 кВт

1) Проведены аналитические исследования по технологиям обратимых топливных элементов, в частности, рассмотрены области применения и существующие разработки обратимых систем и их компонентов, возможные схемы и режимы их работы.
2) Выбраны и обоснованы конструктивные решения и основные материалы. В частности, обоснован выбор схемы работы низкотемпературного обратимого элемента и его основных компонентов (мембран, бифункциональных электрокатализаторов и газодиффузионных электродов). В качестве твердооксидного электролита выбран диоксида циркония, стабилизированный оксидами иттрия и скандия; в качестве электродного материала высокотемпературных элементов - La0,8Sr0,2CrO3, активированный платиной.
3) Разработаны технические задания на лабораторные образцы обратимых модулей. Проектная мощность низкотемпературного и высокотемпературного модуля в режиме электролизера составляет 1 кВт, в режиме топливного элемента – 0,5 кВт.
В основу низкотемпературного модуля положена фильтр-прессная конструкция. Расход металлов платиновой группы в электрокаталитическом слое не более 1 мг/см2. Рабочее давление кислорода (воздуха) – не более 0,4 МПа, водорода – не более 0,4 МПа. Рабочая температура – 30-90°С, рабочая плотность тока – до 1,0 А/см2.
Высокотемпературный модуль основан на трубчатой конструкции электродов. Рабочая температура – 925?25°С, давление - до 0,1 МПа.
4) Разработаны принципиальные схемы лабораторных стендов на основе обратимых модулей, включающие газо-электрическую и измерительную части. Согласно схемам, стенды состоят из обратимых низкотемпературных и высокотемпературных модулей, систем газообеспечения и водоснабжения и др.
5) Проведены патентные исследования по технологиям и конструктивным решениям обратимых топливных элементов. В соответствии с регламентом проведен поиск, систематизация и анализ технических решений, относящихся к разработке обратимых топливных элементов, выявлена статистика и динамика патентования, а также перспективные направления, представляющимися патентопригодными.

1) Проведены аналитические исследования по технологиям обратимых топливных элементов, в частности, рассмотрены области применения и существующие разработки обратимых систем и их компонентов, возможные схемы и режимы их работы.
2) Выбраны и обоснованы конструктивные решения и основные материалы.
3) Разработаны технические задания на лабораторные образцы обратимых модулей. Проектная мощность низкотемпературного и высокотемпературного модуля в режиме электролизера составляет 1 кВт, в режиме топливного элемента – 0,5 кВт.
4) Разработаны принципиальные схемы лабораторных стендов на основе обратимых модулей, включающие газо-электрическую и измерительную части.
5) Проведены патентные исследования по технологиям и конструктивным решениям обратимых топливных элементов. В соответствии с регламентом проведен поиск, систематизация и анализ технических решений, относящихся к разработке обратимых топливных элементов, выявлена статистика и динамика патентования, а также перспективные направления, представляющимися патентопригодными.
6) Разработана математическая модель и соответствующее программное обеспечение на языке Delphi (Pascal), описывающие явления, протекающие в твердом электролите и на поверхностях электродов в обратимых топливных элементах с ТОЭ. Разработана агломератная модель каталитических слоев обратимого элемента.
7) Проведены разработка и оптимизация бифункциональных электрокатализаторов и электрокаталитических слоев на их основе для низкотемпературных обратимых топливных элементов.
Среди различных анодных каталитических композиций на основе Pt и Ir черней наилучшие характеристики показал электрокаталитический слой, состоящий из 50% масс. Ir и 50% масс. Pt нанесенных послойно с расходом каждого компонента 0,5 мг/см2, при этом слой Ir располагался у поверхности ТПЭ-мембраны.
8) Проведены исследования газодиффузионных электродов. Эксперименты позволяют сделать вывод о том, что на катоде обратимого элемента с ТПЭ может быть применена углеродная бумага марки Sigracet10bb.
9) Разработаны и испытаны мембранно-электродные блоки. Показано, что разработанные мембранно-электродные блоки позволяют в лабораторных условиях реализовать характеристики обратимых элементов, близкие к характеристикам дискретных электрохимических систем – топливных элементов и электролизеров.
10) Исследованы электролитические элементы из наноструктурированной керамики ZrO2. Оптимизирован размер иона добавки в наноструктурированной керамики на основе ZrO2.
11) Разработана эскизная документация на лабораторные образцы модулей обратимых топливных элементов.
12) Разработана эскизная документация на лабораторные стенды для испытаний обратимых топливных элементов.

Изготовлены лабораторные образцы обратимых модулей. Изготовлены и отлажены лабораторные стенды для испытаний обратимых модулей, включающие газо-электрическую и измерительную часть.

Проведены испытания лабораторных образцов модулей обратимых топливных элементов. Проведены технико-экономические исследования возможности создания конкурентоспособной продукции и разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных НИР. Выпущены технические требования на опытный образец обратимых топливных элементов мощностью до 10 кВт.