Разработка научно-технических решений по созданию топливных элементов с прямым электрохимическим окислением угля

Объектом исследования являются топливные элементы с электролитом из расплава карбонатов, обеспечивающие реализацию процесса прямого электрохимического окисления твердых углеводородов.
Цель первого этапа - анализ научно-технической литературы, создание экспериментального оборудования, проведение исследований электрохимического окисления твердых углеводородов, формулировка модели процессов в топливной ячейке.
В отчете представлены результаты анализа научно-технической литературы и патентных документов по теме – исследования и разработки топливных элементов с прямым окислением угля. Обоснована целесообразность выбора типа топливных элементов с электролитом из расплава карбонатов как объекта исследований, сформулирована математическая модель, основанная на уравнениях, описывающих гидродинамические, термодиффузионные и электрохимические процессы, проходящие на анодном и катодном узлах топливных элементов, произведен отбор конструкционных материалов для изготовления элементов узлов топливных ячеек.
Приведено описание созданного лабораторного стенда для экспериментального моделирования ячейки топливного элемента и представлены результаты исследования электрохимического окисления графита, антрацита и газопламенного угля, позволяющие охарактеризовать влияние температуры, типа и дисперсности топлив на значения функциональных параметров топливных ячеек. Показано, что при увеличении температуры в диапазоне 700-750 оС плотность тока увеличивается почти в 2 раза. Для монолитных образцов максимальные удельные характеристики достигнуты для газопламенного угля. Для дисперсных образцов топлив отмечен эффект увеличения плотности тока при уменьшении размера частиц.
Внедрение результатов работ реализовано путем создания модельного образца топливной ячейки, на котором достигнуты значения плотности тока 140 мА/см2 и плотности мощности 70 мВ/см2, что подтверждает перспективность разрабатываемой идеологии конструктивного исполнения узлов топливной ячейки и возможность практической реализации топливных элементов прямой конверсией угля.
Организация, где выполняется проект – ООО “Международный научный центр по теплофизике и энергетике”

Объект исследования - топливные элементы с электролитом из расплава карбонатов, обеспечивающие реализацию процесса прямого электрохимического окисления твердых углеводородов.
Цель проекта - проведение комплекса исследований и разработка научно-технических и технологических решений по созданию новых топливных элементов с электролитом из расплава карбонатов с рабочей температурой не выше 750ОС, работающих на прямом электрохимическом окислении угля.
В ходе выполнения работ:
Проведен анализ научно-технической литературы и выполнены патентные исследования.
Разработан и создан лабораторный стенд для экспериментального моделирования ячейки топливного элемента. Разработаны варианты технических схем анодного и катодного узлов топливной ячейки. Выполнены исследования поляризационных характеристик элементов топливной ячейки. Получены данные по влиянию температуры, типа и дисперсности топлив, состава и расхода смеси газов реагентов на значения функциональных параметров топливных ячеек. Продемонстрированы эффекты влияния содержания водорода в органическом топливе и растворенных в электролите продуктов анодных реакций окисления углерода на характеристики топливной ячейки.
Разработана модель процессов прямого электрохимического окисления угля в топливной ячейке. Дано определение концентраций реагирующих газов и их массовых потоков, поляризационных и транспортных потерь и формы описания ВАХ для топливных ячеек.
На основе выполненных исследований создан модельный образец топливной ячейки. Достигнуты значения плотности тока 140 мА/см2 и плотности мощности 70 мВ/см2.
Достигнутые технические параметры подтверждают высокую конкурентоспособность разработки, обеспечивают предпосылки для дальнейшей реализации проекта и имеют перспективу практического применения.

Создан лабораторный макет топливной ячейки мощностью 5 Вт, моделирующий работу топливного элемента с электролитом из расплава карбонатов, реализующего прямое электрохимическое окисление дисперсного угля при температуре 750оС. Проведены испытания макетного образца топливной ячейки.

Получены экспериментальные и расчетные данные по оптимизации параметров и условий функционирования, разработанная конструкция и результаты испытаний экспериментального образца топливного элемента.