Разработка технологии подготовка серийного выпуска портативных автономных зарядных устройств на основе щелочных топливных элементов с градиентно-пористыми структурами

Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96 в области разработки портативных автономных зарядных устройств на основе щелочных топливных элементов с градиенто-пористыми структурами (АЗУ). Более 70% всех патентов приходится на 2004-2007 гг., что свидетельствует об увеличении объема разработок в этой области.
Разработаны исходные данные на проектирование базовой конструкции и разработку технологии АЗУ, комплектующих изделий из полимерных материалов, топлива на основе боргидридов щелочных металлов. Согласованы типоразмеры, формы и свойства комплектующих узлов (модулей) и материалов. Разработаны технические рекомендации по организации отечественного промышленного производства АЗУ.
Проведена разработка предварительных технических требований (ТТ) к многослойным градиентно-пористым матричным структурам для АЗУ и его компонентов.
Разработаны основные положения, проведена сравнительная характеристика различных видов топлив и обоснован выбор топлива на основе боргидридов щелочных металлов и рассчитаны основные параметры топливных смесей для использования в разрабатываемой конструкции АЗУ.
Осуществлена разработка ТТ на «Комплексный технологический стенд тестирования АЗУ и его компонентов», позволяющий определять полный спектр рабочих характеристик щелочного топливного элемента и отдельных компонентов АЗУ. Разработаны ТТ на «Комплексный технологический стенд отработки технологии градиентно-пористых матричных структур для компонентов АЗУ», позволяющий анализировать структуру и свойства этих структур, критических при их использовании для создания анода и катода щелочного топливного элемента.

В 2007 году в ходе выполнения проекта проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96. Анализ патентно-лицензионной ситуации и динамики патентования по годам показывает, что более 70% всех патентов приходится на 2004-2007 гг. Это свидетельствует об увеличении объема разработок в области рассматриваемых АЗУ.
Разработаны исходные данные на проектирование базовой конструкции и разработку технологии АЗУ, а также комплектующих изделий из полимерных материалов отечественных марок. Согласованы типоразмеры, формы и свойства входящих в зарядное устройство комплектующих узлов (модулей) и материалов. Разработаны технические рекомендации по организации отечественного промышленного производства АЗУ.
Осуществлено эскизное проектирование базовой конструкции АЗУ и комплектующих изделий из полимерных материалов. Разработана предварительная описательная технология АЗУ и комплектующих изделий из полимерных материалов. Разработаны проект технических условий на АЗУ и технические требования к сырью и материалам, а также программа и методика испытаний макетов АЗУ.
Произведена разработка предварительных технических требований (ТТ) к многослойным градиентно-пористым матричным структурам (ГПМС) для автономных зарядных устройств (АЗУ) и его компонентов и разработаны предварительные описательные технологии изготовления многослойных градиентно-пористых матричных структур и компонентов АЗУ. Проведены расчеты по определению нагрузки АЗУ при напряжении 0,6−0,7 В, дано обоснование рабочей плотности тока, выполнен расчет величины рабочей поверхности электродов, определены требования по удельной емкости топлива, выполнены расчеты по определению длительности непрерывной работы АЗУ и определению энергозапаса АЗУ. Разработаны предварительные ТТ на катализаторы и предварительная методика получения катализаторов.
Разработаны основные положения, проведена сравнительная характеристика различных видов топлив и обоснован выбор топлива на основе боргидридов щелочных металлов и рассчитаны основные параметры топливных смесей для использования в разрабатываемой конструкции АЗУ; разработан предварительный технологический процесс изготовления топлива для АЗУ.
Осуществлена разработка технических требований (ТТ) на «Комплексный технологический стенд тестирования АЗУ и его компонентов», позволяющий определять полный спектр рабочих характеристик щелочного топливного элемента и отдельных компонентов АЗУ. Разработаны технические требования на «Комплексный технологический стенд отработки технологии градиентно-пористых матричных структур для компонентов АЗУ», позволяющий анализировать структуру и свойства этих структур, критических при их использовании для создания анода и катода щелочного топливного элемента. Осуществляется комплектация технологических стендов.

В ходе выполнения 3-го этапа проекта были изготовлены и испытаны макеты базовой конструкции автономных зарядных устройств (АЗУ). Разработана рабочая техническая и конструкторская документация на АЗУ, предназначенная для изготовления и испытаний опытных образцов АЗУ без присвоения литеры, в том числе эксплуатационная документация (ЭД) и рабочая технологическая документация (ТД). Осуществлена корректировка проекта технических условий на АЗУ. Разработан проект Программы и методик предварительных испытаний опытных образцов АЗУ. Осуществлена отработка технологии изготовления отечественных комплектующих АЗУ из полимерных материалов, проведена корректировка технологической документации и разработаны предварительные методики контроля отечественных комплектующих АЗУ.
Осуществлена отработка технологии градиентно-пористых матричных структур (ГПМС) для АЗУ и его компонентов (анод и катод, включающие в свой состав газо-эвакуационное устройство, катализаторы), разработан технологический регламент ГПМС. Проведены работы по усовершенствованию гидрофильного анода, заключающиеся в замене платиносодержащего катализатора на систему с нано-размерными катализаторами на основе никеля, палладия и золота. Проведены работы по совершенствованию гидрофобно-гидрофильного катода, для чего изготовлены и нанесены на его поверхность нано-размерные катализаторы на основе серебра с использованием кластерной технологии.
Проведен анализ существующих загущенных боргидридных топливных композиций. Отработана лабораторная технология изготовления топлива для АЗУ. Разработаны проекты технических условий (ТУ) на градиентно-пористые матричные структуры и топливо. Разработаны программы и методики (ПиМ) предварительных испытаний компонентов АЗУ с градиентно-пористыми матричными структурами, а также ПиМ предварительных испытаний топлива для АЗУ.
Изготовлены базовые модели технологических стендов: «Комплексного технологического стенда отработки технологии градиентно-пористых матричных структур для компонентов АЗУ» и «Комплексного технологического стенда тестирования АЗУ и его компонентов». Разработаны ПиМ определения свойств ГПМС и предварительных испытаний АЗУ и его компонентов с ГПМС.

В ходе выполнения 4-го этапа организовано изготовление опытных образцов АЗУ и комплектующих базовой конструкции в соответствии с разработанной конструкторской (КД) и технологической документацией (ТД) для предварительных испытаний (ПИ). Скорректированы Программы и методики (ПиМ) для ПИ опытного образца АЗУ. Доработаны проекты методик входного, промежуточного и выходного контроля.
Осуществлен ввод в эксплуатацию технологических стендов: «Комплексного технологического стенда отработки технологии градиентно-пористых матричных структур для компонентов АЗУ» и «Комплексного технологического стенда тестирования АЗУ и его компонентов».
Отработаны технологии изготовления топлива. Усовершенствован гидрофильный анод: платиносодержащий катализатор заменен на систему c наноразмерными кластерными электрокатализаторами на основе бесплатиновых систем никель / палладий и никель/рутений/фтор, имеющих удовлетворительные электрохимические характеристики, превосходящие известные анодные катализаторы прямого электроокисления боргидридов.
Разработана лабораторная методика изготовления гидрофобно-гидрофильного катода и изготовлены наноразмерные электрокатализаторы восстановления кислорода воздуха на основе серебра и оксидов кобальта с использованием кластерной технологии и наноразмерных катализаторов на основе оксидов марганца. Разработаны высокоактивные наноразмерные оксидно-марганцевые катализаторы. Изготовлены лабораторные образцы анода и катода на основе ГПМС. Проведен анализ существующих загущенных боргидридных топливных композиций и намечены пути для предотвращения затопления катодов путем введения гидрофобных фторорганических соединений в композицию топлива на основе боргидрида натрия.
Разработаны Программы и методики (ПиМ) анализа характеристик топлива. Отработаны технологии компонентов для АЗУ на основе ГПМС. Проведена оптимизация технологического процесса изготовления градиентно-пористых матриц для компонентов АЗУ.

Проведены предварительные испытания опытных образцов АЗУ по ПиМ предварительных испытаний АЗУ и комплексные испытания опытных образцов ГПМС и топлива в составе опытного образца. Проведена корректировка конструкторской и технологической документации и проектов технологических условий. Доработаны опытные образцы. Проведена разработка ПиМ приёмочных испытаний. Проведена доработка и дооснащение: «Комплексного технологического стенда отработки технологии градиентнопористых матричных структур для компонентов АЗУ» и «Комплексного технологического стенда тестирования АЗУ и его компонентов».

Организовано изготовление установочной серии АЗУ. Проведены приёмочные испытания АЗУ. Присвоена литера О1 технической документации (КД, ТУ). Доработан по результатам приёмочных испытаний АЗУ и утвержден комплект технической и эксплуатационной документации на АЗУ, комплектующие полимерные детали, ГПМС, топливо. Утверждены технические условия (ТУ). Разработаны и согласованы предложения по внедрению созданной технологии.