Перед сотрудниками молодежной
лаборатории электрохимических устройств и топливных элементов Института
высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) УрО РАН стоит амбициозная задача —
разработать энергетические и электролизные установки на твердооксидных
топливных элементах и электролизерах (ТОТЭ и ТОЭ) с эксплуатационными
характеристиками мирового уровня, но при этом собранные полностью из
отечественных компонентов. Задача эта решается в сотрудничестве с коллегами из
смежных по тематике лабораторий института — лаборатории электрохимических
устройств на твердооксидных протонных электролитах и лаборатории кинетики.
Установка утилизации дымовых газов с
блоком получения синтез-газа на компрессорной станции Шатровская ООО «Газпром
трансгаз Екатеринбург»
Исследования с целью разработки электрохимических
устройств на основе ТОТЭ и ТОЭ начались в институте еще в 1960-е гг.
Именно здесь был создан первый в Европе стек киловат-тного класса, он успешно
прошел испытания, но не был доведен до промышленного образца из-за наступившего
кризиса. Возобновились работы только в 2008 г. во многом благодаря
сотрудничеству с крупнейшим индустриальным партнером — ГК «Росатом», а
также совместным работам с ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», и теперь
выходят на новый уровень.
Электрохимические устройства на ТОТЭ и ТОЭ, преобразующие
химическую энергию топлива непосредственно в электричество и обратно, имеют
много преимуществ. Благодаря высокой рабочей температуре их эффективность
максимальна по сравнению с любыми прочими источниками тока и достигает 60 % по
электричеству. Особенно эти устройства эффективны там, где есть
высокопотенциальное тепло, например, на атомных электростанциях,
газоперекачивающих агрегатах и газотурбинных электростанциях. Электрохимические
генераторы на ТОТЭ «всеядны» — в качестве исходного топлива в них могут
использоваться природный газ, спирты и многое другое, к тому же они достаточно
экологически чистые. Электрохимические установки на ТОТЭ перспективны для
использования в распределенной энергетике, они незаменимы там, где требуются
автономные источники электрической и тепловой энергии, прежде всего в удаленных
от линий электропередач районах.
Михаил Ерпалов, заведующий молодежной лабораторией,
к.т.н.
О том, в каком направлении идет сегодня разработка
перспективных электрохимических устройств на ТОТЭ, рассказал заведующий
молодежной лабораторией кандидат технических наук Михаил Ерпалов:— Как
и большинство разработчиков ТОТЭ в мире, мы сейчас переориентировались с
трубчатой конструкции на планарную, элементами которой являются плоские прямоугольные
пластины. Для их изготовления используются более простые и экономичные
технологии — ленточное литье, коллондрование (прокатка), трафаретная
печать, спекание керамических слоев. Еще один плюс планарной конструкции —
компактность. Стек мощностью два киловатта — это устройство размером примерно
15х15х10 см. Сборка стеков ТОТЭ планарной конструкции тоже достаточно проста:
единичные элементы ТОТЭ прокладываются интерконнекторами и соединяются с
помощью стеклогерметика, а затем спекаются в специальных муфельных печах при
температуре около 950 °С. Еще одним преимуществом современных ТОТЭ является
отсутствие драгоценных металлов в их конструкции, что существенно снижает их
себестоимость и упрощает работу с ними для потребителя.
Как уже говорилось, при сборке стеков
используются интерконнекторы и стеклогерметики. Наша задача — обеспечить
собственное производство этих компонентов. Технологии трафаретной печати мы
отрабатываем совместно с коллегами из НИИ водородной энергетики Уральского
федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. Материал
для интерконнекторов получаем у нас в ИВТЭ в печи вакуумно-индукционного
переплава. Высокая температура эксплуатации стеков и наличие окислительной
атмосферы приводят к коррозии интерконнекторов, поэтому для их изготовления
используется коррозионностойкая сталь ферритного класса. Одним из решений по
обеспечению высокой электропроводности интерконнеторов является нанесение
защитных покрытий. Сейчас применяются технологии электрофоретического
осаждения, а мы прорабатываем альтернативный вариант — плазменное
напыление катодным материалом.
Разработка стеклогерметиков ведется в
совместной лаборатории функциональных материалов, созданной в
Химико-технологическом институте УрФУ на базе нашей молодежной лаборатории и
университетской лаборатории водородной энергетики. Проблема заключается в том,
что стеклогерметики так же, как и другие компоненты топливных элементов,
эксплуатируются в условиях высоких температур. Они не должны вступать в
нежелательные химические взаимодействия с материалами ТОТЭ и интерконнектора,
но должны быть совместимыми с ними по температурному расширению и иметь к ним
адгезию (от лат. adhaesio — «прилипание»), способность к сцеплению.
Управлять этими свойствами можно за счет подбора химического состава стекол
(куда могут входить очень многие соединения) и режимов их термообработки.
Еще раз подчеркну — мы используем
исключительно отечественные материалы и комплектующие, в том числе и
собственного изготовления.
Для того чтобы оптимизировать конструкцию
ТОТЭ, мы выделили в составе лаборатории группу, которая занимается
моделированием различных параметров — распределением газов, тепловых полей,
механических напряжений в результате разогрева. Опираясь на полученные
результаты, делаем стек — набор единичных топливных элементов в количестве
до 30 шт., а на базе стеков создаем энергоустановки и электролизеры.
Сотрудники молодежного научного коллектива заняты не
только разработкой материалов для ТОТЭ и сборкой стеков, но и проведением
испытаний топливных элементов, а также решением прикладных задач. Михаил
Ерпалов рассказал о некоторых из них. Так, в сотрудничестве с ООО
«Электрохимгенерация» был разработан и успешно испытан блок получения
синтез-газа и кислорода на основе твердооксидного электролизера планарной
конструкции. Блок этот входит в состав комплексной установки по утилизации
дымовых газов газоперекачивающих агрегатов и газотурбинных электростанций.
Конечные полезные продукты утилизации — метанол и диметиловый эфир. Испытания
прошли в декабре прошлого года на компрессорной станции Шатровская ООО «Газпром
трансгаз Екатеринбург», сейчас идут работы по масштабированию этой технологии.
Совместно с другим индустриальным партнером — АО «АК «Корвет» (Курган)
разрабатывается энергоустановка на углеводородном топливе для автономного
электроснабжения на газовых месторождениях
Молодежные лаборатории ИВТЭ регулярно пополняются
выпускниками Уральского федерального университета им. первого Президента России
Б.Н. Ельцина. Студенты с первых курсов подключаются к научным
исследованиям. В мае нынешнего года в УрФУ прошла первая молодежная конференция
«Водородная энергетика сегодня», где были представлены перспективные разработки
в этой области, в том числе технологии получения функциональных материалов и
покрытий для электрохимических устройств. В этом году в Химико-технологическом
институте УрФУ стартует новая образовательная программа магистратуры «Материалы
и технологии водородной энергетики». Для ученых Института высокотемпературной
электрохимии УрО РАН сотрудничество с коллегами из УрФУ — стратегический
приоритет.
Текст и фото: Е. Понизовкина
Источник: «Наука Урала»