Формирование научно-технологического задела по созданию энергоустановки, совмещенной с каталитическим риформером и сочетающей компактность, высокую эффективность и быстроту запуска

Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы эффективного преобразования химической энергии органического топлива в электроэнергию с использованием электрохимических генераторов (ЭХГ), которая непосредственно связана приоритетом Стратегии НТР РФ: «переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». В проекте предполагается создание научно-технологического задела для преодоления имеющихся принципиальных технологических барьеров у современных автономных систем электропитания, обусловленных низкой удельной мощностью (в случае ЭХГ с ТОТЭ) и невысокой плотностью энергии (в случае аккумуляторных батарей - АКБ), путем разработки ЭХГ на основе микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (МТ ТОТЭ), которые имеют ряд преимуществ перед планарными ТОТЭ: - высокая удельная мощность на единицу массы и объема; - устойчивость к термоциклированию и короткое время выхода на рабочий режим (менее 10 сек для отдельного элемента и до 20 минут для ЭХГ; - способность сохранять работоспособность при больших градиентах температуры; - высокая механическая прочность; - возможность работы в режимах комбинированного внешнего и внутреннего риформинга. Научными задачами проекта являются: - повышение эффективности электрохимических процессов конверсии энергии топлива в электроэнергию на основе разработки новых электродных материалов для МТ ТОТЭ; - повышение эффективности преобразования топлив в водородсодержащие газовые смеси на основе разработки композитных каталитических материалов и устройств на их основе; В проекте планируется проведение фундаментальных исследований кинетических и термодинамических характеристик новых материалов для эффективных ЭХГ на основе МТ ТОТЭ, сочетающих компактность (за счет создания новых технологий и материалов для изготовления МТ ТОТЭ), высокую эффективность (благодаря исследованию факторов, определяющих эффективность конверсии топлива в электроэнергию в ЭХГ), быстроту запуска (за счет оптимизации геометрии, микроструктуры МТ ТОТЭ и согласования термомеханических параметров новых материалов для батарей МТ ТОТЭ), высокую энергоемкость (за счет эффективного преобразования органического топлива в каталитических риформерах). В основу разработки электродных материалов заложены развиваемые участниками проекта представления о перовскитах как сегнетоэластиках, в которых допирование сегнетоактивными высокозарядными катионами приводит к формированию наноструктурированного состояния, положительно влияющего на транспортные и термомеханические характеристики электродных материалов. В проекте планируется изучение факторов, определяющих эффективность электрохимической конверсии топлива в электроэнергию, а также сравнительный анализ скорости кислородного обмена и электропроводности новых электродных материалов, анализ термодинамических и транспортных свойств, в том числе, исследование равновесия дефектов и переноса заряда в электродных материалах в широком интервале активности кислорода. При создании лабораторного макета энергоустановки на основе МТ ТОТЭ будут использованы технологичные методы фазовой инверсии (phase inversion) и погружения (dip coating) для получения несущих микротрубчатых анодов и нанесения на них различных функциональных слоев. Для конверсии топлив в водородсодержащие смеси во внешнем риформере в проекте предполагается использовать композитные каталитические системы типа “наночастицы металлов/наночастицы активного оксида/структурный оксидный компонент/структурированная металлическая подложка”. За счет этого обеспечивается достижение необходимых эксплуатационных свойств: быстрый отвод/подвод тепла для экзо-/эндотермических реакций, хорошие гидродинамические характеристики, различная геометрия и размер катализатора, что облегчает масштабирование для энергоустановок различной мощности; обеспечивается термическая устойчивость, высокая удельная поверхность и механическая прочность для наносимого каталитического покрытия в дополнение к защитной функции для металлической подложки. Активные оксидные наночастицы участвуют в активации молекул воды и кислорода, повышают устойчивость к зауглероживанию, за счет сильного взаимодействия металл-носитель поддерживают высокую дисперсность активатора молекул углеводородов - нанесенного металла (Pt, Rh, Pd). Одно из направлений исследований будет связано с поиском перспективных материалов кислородных мембран для изучения возможности конверсии метана в синтез-газ в микротрубчатом каталитическом мембранном реакторе (МТ КМР). Топливо, полученное в устройствах данного типа, не содержит азота, поэтому позволит достигать большей удельной мощности ТОТЭ. Для эффективного использования высокоэнергетических топлив в проекте будут проработаны два варианта каталитического риформинга топлив: внешний (в том числе, с помощью каталитического мембранного реактора) и внутренний (непосредственно в МТ ТОТЭ). При выполнении проекта будут достигнуты следующие научно-практические результаты: - разработаны единичные МТ ТОТЭ с катодными и анодными материалами, обеспечивающими компактность, высокую удельную мощность, стабильность, устойчивость к термоциклированию и короткое время выхода на рабочий режим; - разработаны риформеры, позволяющие проводить конверсию природного газа/метана, пропан-бутановой смеси, бензина и метилаля в газовые смеси с высоким содержанием водорода и монооксида углерода, пригодные для питания МТ ТОТЭ; - разработаны лабораторные макеты каталитических мембранных реакторов конверсии метана в синтез-газ; - разработаны макеты энергоустановок, как с внешней конверсией, так и с внутренней (непосредственно в МТ ТОТЭ) углеводородного топлива; - разработан лабораторный прототип энергоуcтановки на основе МТ ТОТЭ; Задачей ООО «НИЦ «ТОПАЗ» как индустриального партнера проекта на период 2022-2027 гг. является вывод на мировой рынок линейки ЭХГ для разных ниш, используя результаты заявляемого проекта. Таким образом, выполнение проекта позволит создать передовой научно-технологический задел для разработки эффективных компактных ЭХГ на основе МТ ТОТЭ, что, в свою очередь, обеспечит создание целой отрасли новых источников электропитания и целевых устройств, предназначенных для широкого спектра стационарных и мобильных применений. Решение научных проблем, заявленных в проекте, имеет важное значение для разработки компактного генератора электроэнергии для мобильных и транспортных устройств, рынок которых уверенно растет. Технология микротрубчатых ТОТЭ систем является опережающей с точки зрения развития отрасли в мире, и ее внедрение в повседневную практику позволит Российской Федерации занять устойчивые позиции на мировых рынках экологически чистых транспортных и стационарных энергоустановок.