Разработка отечественных энергетических установок мирового уровня на твердооксидных топливных элементах и электролизерах

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»