Материалы нового поколения для инновационного развития автономно изолированных систем арктической электроэнергетики

Применение новых высокоэффективных электромеханических преобразователей энергии – более надежных, долговечных и с низкими эксплуатационными затратами является основным трендом арктической энергетики. Выполнен анализ различных конструкций и параметров электрических машин с поперечным потоком. Для децентрализованной энергетики выбрана конструкция трехфазно синхронного генератора мощностью 5,0 кВт, напряжением 400 В, частотой вращения 250 об/мин с осевым направлением магнитного потока, одинарным статором с U-образным сердечником и кольцевой обмоткой. Разработана оригинальная методика рационального выбора основных размеров машины и параметров ее обмотки по номинальным данным и ограничениям электромагнитных нагрузок. Сопоставлены характеристики трех ветрогенераторов мощностью 5 кВтс одинаковыми номинальными данными, выполненных с тангенциальным, аксиальным и поперечным потоками. Наилучшие показатели имеет машина с аксиальным потоком на основе авторского патента РФ №2688204. С целью создания электрической машины с поперечным потоком, обладающей высоким значением коэффициента мощности, проведен патентный поиск и подготовлена заявка на изобретение. Разработана оригинальная схема автономной электроэнергетической установки для подводного аппарата с твердотельными топливными элементами. Проанализированы функциональные материалы для этой установки, позволяющие повысить ее эффектив-ность. Для обмоток криогенного гребного электродвигателя рассмотрена возможность применения высокочистого алюминия, для обмоток криогенного индуктивного накопителя энергии – высокочистого бериллия. Приведены результаты экспериментальных исследований щеточного токосъема с водяным охлаждением, что обеспечивает снижение массогабаритных показателей гребного электродвигателя постоянного тока. Разработаны и исследованы композитные каталитические материалы на основе би-металлических наночастиц (Ag)Pd и (Cu)Pd для электродов твердополимерного топливного элемента. Исследована электрохимическая и каталитическая активность и установлен положительный эффект при присутствии фазы Cu2O в наночастицах меди. Изучена и установлена устойчивость к деградации при многократном циклировании электродных материалов на основе биметаллических наночастиц (Cu)Pd по сравнению с каталитическими материалами на основе наночастиц (Ag)Pd. Одной из целей этапа работы являлось изучение влияния состава разработанных ранее ионопроводящих гибридных мембран на основе сшитого фурфуролом (ФУР) ПВС, модифицированного аминосульфоновой кислотой (АСК) и тетраэтоксисиланом (ТЭОС) на их свойства – степень набухания в воде, ионную проводимость и химическую устойчивость, и сравнение полученных результатов с показателями мембраны Нафион-115. В результате выполнения первого этапа работ были получены новые гибридные мембраны на основе ПВС, допированного производной аминосульфоновой кислоты – 1-амино-2-нафтол-4-сульфокислотой (Нафтол). Синтезированы новые ионопроводящие гибридные мембраны ПВС/Нафтол/ФУР/ТЭОС. Проведены исследования с помощью жидкофазной спектроскопии ЯМР 1Н. Анализ состава реакционной смеси ПВС с АСК и Нафтолом позволил определить необходимое время синтеза для получения мембранного материала с заданными свойствами, а также выявил образование низкомолекулярного продукта (этиловый спирт), что косвенно указывает на взаимодействие ОН-групп ПВС с ТЭОС. Значение ионной проводимости увлажненных гибридных мембран ПВС/Нафтол/ФУР/ТЭОС изменялось в переделах 1•10-3÷2,3•10-2 См/см при температурных максимумах 100-120°С. В сравнении с полученными данными, ионная проводимость увлажненной мембраны Нафион-115 составила 1,41•10-2 См/см при 60°С. Исследованы ионопроводящие гибридные мембраны ПВС/АСК/ФУР/ТЭОС с раз-личным соотношением функциональных компонентов (АСК, ФУР и ТЭОС) и способом отверждения мембранного материала. Выявлено, что свойства (ионная проводимость, сте-пень набухания в воде, окислительная устойчивость) таких мембран в основном зависят от соотношения функциональных компонентов. Так, с увеличением содержания ионного допанта (АСК) увеличивается проводимость мембранного материала, а с увеличением содержания ТЭОС максимум ионной проводимости сдвигается в сторону больших температур. Значение ионной проводимости гибридных мембран варьирует в пределах 7•10-3-1,5•10-1 См/см, при температурных максимумах 110-120ºС. В сравнении с полученными данными, ионная проводимость эталонной мембраны Нафион-115 составила 1,41•10-2 См/см при 60°С Показано, что введение кремнийорганического каркаса в полимерную матрицу на основе ПВС позволяет значительно улучшить термическую стабильность ионопроводящих мембран. Увеличение содержания в составе гибридных мембран ТЭОС и ФУР способствует повышению их химической устойчивости к окислителю и уменьшению степени набухания в воде. Удалось снизить верхний предел набухания разработанных мембран с 200% до 100%. Выявлено, что способ отверждения мембранного материала влияет на их степень набухания в воде. Получены новые гибридные мембраны ПВС/Нафтол/ФУР/ТЭОС, где нафтол – 1-амино-2-нафтол-4-сульфокислота, максимум ионной проводимости которых варьировал в пределах 10-3-10-2 См/см при температуре 100-120°С, а степень набухания в воде после 10 дней выдержки составила ~42%. С помощью жидкофазной спектроскопии ЯМР 1Н прове-ден анализ состава реакционной смеси для получения мембранных материалов как с АСК, так и с Нафтолом. Такой анализ позволил определить необходимое время синтеза для получения мембранного материала с заданными свойствами, а также выявить образование низкомолекулярного продукта (этиловый спирт), что косвенно указывает на взаимодействие ОН-групп ПВС с ТЭОС.