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
Целью проекта является разработка и исследование высокоэффективных низкотемпературных и высокотемпературных обратимых топливных элементов с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) на основе бифункциональных наноструктурных электрокаталитических слоев и твердым оксидным электролитом на основе наноструктурированной керамики ZrO2. Разработка и изготовление лабораторных образцов обратимых модулей «электролизер - топливный элемент» мощностью 0,5 кВт на основе разработанных материалов и технологий и проведение их испытаний.
Применение разработанных обратимых топливных элементов должно позволить на 30% снизить стоимость и массогабаритные характеристики электрохимических блоков энергоустановки по сравнению с традиционным вариантом.
Соисполнители
Участники проекта
Этапы проекта
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.
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.