Топливные элементы и водородная энергетика

Учитывая высокую актуальность работ, связанных с водородной энергетикой, в институте уделяется большое внимание исследованиям как в области развития устройств генерации электроэнергии, работающих на водороде, в частности электрохимическим генераторам на топливных элементах, так и методов получения водорода.

Схема ячейки и внешний вид  батареи ТЭ на расплаве карбонатов.	Установка для напыления тонкопленочных электро- литов на пористые электроды диаметром до 100 мм.  Тонкопленочный электролит на пористом аноде.  Сборка топливной ячейки ТОТЭ планарной конструкции.	Схема топливного элемента на алюминии.

Предложен концептуально новый подход к конструкции высокотемпературных топливных элементов с электролитом на расплаве карбонатов (РКТЭ). Использование замкнутых сетчатых электродов, погруженных в электролит, позволило исключить микропористую матрицу и, следовательно, устранить часть негативных массообменных процессов, сокращающих ресурс работы РКТЭ и увеличивающих их стоимость. Проведены комплексные исследования совокупности электрохимических и тепломассообменных процессов в новом РКТЭ.

Был развит метод химического осаждения твердооксидного тонкопленочного электролита ZrO2 на пористый электрод из газовой фазы металлоорганических соединений. Исследованы процессы массопереноса и термолиза металлоорганических соединений, роста пленок твердооксидного электролита.

На базе тонкопленочных электролитов созданы ячейки твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), работающие при пониженных температурах. Полученные результаты являются основой для создания эффективной технологии изготовления ТОТЭ.

Изучены гидродинамические и электрокинетические процессы в низкотемпературных топливных элементах на основе полимерных мембран. Создано оборудование и разработаны методики для отработки дизайна наноструктур каталитического слоя, внедрения в них катализатора, нанесения тонкопленочных покрытий; проводится изучение электрохимических процессов в электролитических ячейках, массообменных процессов в микроканалах биполярных пластин, ведутся работы по созданию газопроницаемых электродов с улучшенными массообменными характеристиками. Исследованы процессы тепло- и массообмена в пористом катоде топливного элемента. Получено численное решение уравнений многокомпонентной диффузии в неоднородной пористой среде с учетом конденсации паров воды в порах, распределения компонентов газовой смеси по длине диффузионного слоя и насыщенности пор водой; рассчитаны вольтамперные характеристики ТЭ.

Построены одномерные аналитические модели сопряжённого тепломассопереноса и электрокинетических явлений в многослойном топливном элементе, которые будут использованы в трехмерном конструкторе для оптимизации топливного элемента в целом.

Разработана концепция компактного ТЭ с анодом/топливом из алюминиевого сплава, с воздушным катодом, представляющим собой газодиффузионный слой на основе новых углеродных материалов, активированных катализатором. Отработана новая технология производства пористого газодиффузионного катода, ключевым элементом которого является новый плазмодуговой метод получения наноструктурированной углеродной сажи. На изготовленных по новой технологии электродах достигнуты плотности тока до 200 мА/см2.

Разработана математическая модель топливного элемента, основанная на численном решении трехмерной нестационарной сопряженной задачи теплопереноса и электрохимического реагирования с учетом теплообмена с окружающей средой и испарения воды с поверхности катода. Модель предсказывает пространственное распределение температуры и вольт-амперную характеристику ТЭ.

Развиты новые методы получения водорода и проводятся исследования, направленные на оптимизацию существующих методов.

Рассмотрены каталитические методы получения водорода и синтез-газа. Теоретически и экспериментально исследована гидродинамика и теплообмен в дисковом щелевом реакторе на основе теплопроводящих каталитически активных монолитов и в микроканальном каталитическом реакторе.

Проведены исследования реакций получения водорода при конверсии метана в водяном паре в неравновесном барьерном разряде при атмосферном давлении. При температурах, характерных для классической реакции в каталитических колоннах (~700 °С), обнаружен резкий рост скорости реакции конверсии в присутствии разряда. При этом затраты электроэнергии на поддержание разряда на порядок ниже полной тепловой мощности, вкладываемой в газ. Учитывая, что в данном подходе принципиально отсутствует эффект отравления катализатора соединениями серы, метод может иметь большие перспективы в технологиях получения водорода из природного газа.

Проведен цикл исследований процесса получения водорода при плазменной газификации углей в новом плазменном газификаторе, в котором электродами является поверхность расплавленного металла. Результаты экспериментов показали, что содержание водорода в синтез-газе при паровой газификации составляет от 50 до 55% в зависимости от содержания водорода в угле. С помощью численного моделирования проведены соответствующие расчеты реакций газификации, результаты которых хорошо совпали с экспериментом.
 

Схема процесса газификации бурого угля  в плазменном газификаторе.

Степень конверсии метана в  зависимости от температуры.  Сплошная линия соответствует  термодинамическому равновесию.

• Предтеченский М.Р., Смаль А.Н., Накоряков В.Е., Бобренок О.Ф. Топливные элементы на расплавах карбонатов на основе электродов новой конструкции // Тр. Института перспективных исследований. Вып. 1. Новосибирск, 2003.
• Накоряков В.Е., Гасенко В.Г. Математическая модель катодного узла топливного элемента с твердым электролитом // ЖПМТФ. 2005. Т. 46, № 5.
• Накоряков В.Е., Гасенко В.Г. Влияние капиллярных сил в пористых электродах на вольт-амперную характеристику топливных элементов с полимерной мембраной // Теорет. основы хим. технологии. 2006. Т. 40, № 2.
• Кузнецов В.В., Витовский О.В., Ситникова И.В. Экспериментальное исследование аэродинамики и теплопередачи в щелевом дисковом теплообменнике // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12, № 1.
• Predtechensky M.R., Bobrenok O.F., Gelfond N.V., Morozova N.B., Igumenov I.K. SOFC based on thin-film electrolyte // Proc. Solid Oxide Fuel Cell Congress IX. Quebec City, Canada, 15–19 May, 2005.
• Tukhto O.M., Predtechensky M.R., Shestakov D.A. The catalytic effect of dielectric barrier discharge on methane conversion by steam // Proc. 15th Int. Symp. on Plasma Chemistry. Orleans, France, 9–13 July, 2001.