Твердополимерные топливные элементы

В настоящее время одними из перспективных для широкого применения являются твердополимерные топливные элементы (ТЭ), обладающие высокой плотностью мощности и достигшие наивысшей технологической готовности. Основное препятствие на пути их широкомасштабного использования – пока еще высокая стоимость по сравнению с традиционными устройствами, вырабатывающими энергию или приводящими в движение транспортные средства.

В целях ускорения выхода твердополимерных ТЭ из нишевых рынков к широко распространенному коммерческому применению, в том числе на отечественном рынке, необходимо существенно улучшить характеристики ТЭ и их отельных компонентов, в первую очередь, мембрано-электродных блоков (МЭБ), обеспечить достижение необходимых удельных параметров, КПД, стоимости и ресурса работоспособности.

Современные МЭБ на основе перфторированных мембран типа Nafion и платиновых катализаторов имеют достаточно высокие характеристики при довольно низком расходе платины. Однако их стоимость остается на высоком уровне (1,5 – 3 тыс. долларов за кВт). Разработка более дешевых МЭБ с приемлемыми характеристиками требует создания новых влагонезависимых электролитных мембранных материалов и активных электрокатализаторов, обеспечивающих умеренный расход платины при использовании в твердополимерных ТЭ кислорода воздуха и водорода, получаемого конверсией углеводородного сырья. Требуется также решить вопросы оптимизации структуры каталитических газодиффузионных электродов, повышения эффективности электролитных мембран, их стабильности и достаточной протонной проводимости при высоких температурах (до 200 ºС ) и пониженной влажности. Пока еще остаются открытыми фундаментальные вопросы, касающиеся механизмов проводимости твердополимерных мембранных электролитов и процессов восстановления кислорода на катоде ТЭ./span>

На решение этих задач направлены исследования и разработки, проводимые в настоящее время в ООО «Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты». Основной целью указанных исследований является создание перспективных отечественных твердополимерных ТЭ и их основных компонентов с характеристиками, превосходящими лучшие зарубежные образцы. Предусмотрено создание высокоэффективных электролитных мембранных и электрокаталитических материалов, материалов для газодиффузионных электродов и активных слоев. Ведется разработка технологии и новых методов формирования МЭБ, оптимизации их структурных, электрохимических и конструкционных характеристик.

Щелочные топливные элементы

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ) – первые из всех типов топливных элементов получили широкое практическое применение в системах энергоснабжения пилотируемых космических кораблей.

Существенным преимуществом ЩТЭ является то, что в них используется электролит (гидроксид калия – КОН), обладающий наибольшей ионной проводимостью из всех известных электролитов, а также то, что они обладают высокой кинетикой восстановления кислорода, более чем в пять раз превосходящей активность катодной реакции в кислотных водородно–воздушных ТЭ с платиновым электрокатализатором. Практическое следствие этого – более высокий КПД (может превышать 60 %), чем у других низкотемпературных ТЭ при той же плотности тока, либо более высокая плотность тока (и удельная мощность) при одинаковом КПД. Это имеет весьма существенное значение при разработке энергетических установок на основе ЩТЭ – более длительное время их работы при одинаковом количестве реагентов, по сравнению с батареей твердополимерных ТЭ. Преимуществом ЩТЭ является также то, что реакции окисления топлива (водорода) на аноде и восстановления кислорода на катоде могут проходить на недорогих электрокатализаторах без использования в них металлов платиновой группы.

Одним из достоинств ЩТЭ является то, что в качестве топлива, эффективно окисляемого непосредственно на аноде ЩТЭ, может использоваться этанол (биоэтанол). ЩТЭ располагают достаточным потенциалом снижения стоимости и конкурентоспособности. Низкая стоимость ЩТЭ даже при небольших объемах производства позволяет использовать их в соответствующих нишах рынка до того, как будет налажено массовое производство других конкурентоспособных ТЭ с приемлемым уровнем стоимости.

Основными проблемами, сдерживающими коммерциализацию ЩТЭ, являются низкие удельные характеристики (в основном для ЩТЭ с проточным электролитом) и все еще недостаточный ресурс функционирования, в том числе из–за вредного влияния примесей углекислого газа в воздухе и водороде. (Для ЭУ экономически обоснованным может быть срок службы, превышающий 40 000 часов).

Полученные к настоящему времени данные по характеристикам  ЩТЭ  (с проточным и матричным электролитом) и твердополимерных ТЭ не позволяют пока еще отдать предпочтение какому–либо из этих двух типов ТЭ для принятия решения об их преимуществах и перспективных сегментах рынка. Проекты, реализуемые в ООО «Национальная инновационная компания «НЭП» в области ЩТЭ, направлены на решение широкого круга проблем и на обеспечение высоких технико–экономических и эксплуатационных характеристик.

Твердооксидные топливные элементы

Твердооксидные ТЭ (ТОТЭ) являются еще одним перспективным направлением в области топливных элементов активно разрабатываемым в последнее время. Важными преимуществами ТОТЭ по сравнению с другими типами ТЭ являются гибкость в выборе топлив, способность работать непосредственно с обычным углеводородным топливом, почти полное отсутствие благородных металлов, а также то, что они генерируют не только электроэнергию, но и высокопотенциальное тепло.

Чтобы ТОТЭ стали экономически конкурентоспособными на рынке, необходимо преодолеть ряд технических и технологических проблем и, в первую очередь, снизить рабочую температуру ТОТЭ до 600-700ºС, обеспечив при этой температуре высокую ионную проводимость используемых твердых электролитов. Работа ТОТЭ в режиме умеренных температур является одной из основных предпосылок создания компактных и низкозатратных энергоустановок, обеспечивает возможность более широкого выбора дешевых материалов для компонентов ТОТЭ, большую стабильность, уменьшение темпов деградации, большую гибкость для инженерно–конструкторских решений.

Разработка перспективных методов синтеза керамических материалов, а также дешевых технологий формирования из них тонких газоплотных твердых электролитов с высокой ионной проводимостью при умеренных температурах существенно расширит возможность изготовления ТОТЭ оптимальных конструкций для различных коммерческих применений. В настоящее время активно разрабатываются три основные конструкции ТОТЭ: планарная, трубчатая и блочная или монолитная.

В ООО «Национальная инновационная компания «НЭП» проводятся работы в области ТОТЭ по следующим проектам:

• ТОТЭ трубчатой конструкции с несущим анодом. В рамках проекта отрабатываются технологии, позволяющие изготавливать ТОТЭ с металлическим несущим электродом, что позволит перейти к использованию тонкослойных электролита и катода. Изготовление экспериментальной партии топливных элементов и выборочное испытание ТОТЭ создаст основу для перехода к промышленному освоению технологии.
• Новые катодные материалы для ТОТЭ. Основной лимитирующей стадией электрохимического окисления водорода в топливном элементе является подвод окислителя в зону реакции. В проекте разрабатываются электродные материалы способные развить трехфазную границу за счет специфических свойств без ухудшения прочности и электропроводности. В конечном итоге целью проекта является выбор материала катода позволяющего значительно улучшить характеристики ТОТЭ, не увеличив его стоимости.

Телефон:
(495) 787-2424

Факс:
(495) 787-2444
www.nic-nep.ru

E-mail:
info@nic-nep.ru