Разработка макетов композитных биполярных пластин топливных элементов

Согласно Энергетической стратегии развития Российской Федерации (РФ) на период до 2035 года [1], одним из приоритетных направлений является увеличение доли возобновляемых источников энергии в мировом и национальном топливо-энергетических балансах. Особенная роль в этом отводится водородным энергетическим технологиям, основной задачей которых является использо2вание водорода и энергетических смесей на его основе в качестве накопителей и преобразователей энергии для повышения эффективности систем энергоснабжения различного назначения. Распоряжением правительства РФ [2] также утверждена дорожная карта по развитию водородной энергетики в РФ до 2024 года, направлена на увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя. Перспективным источником энергии являются топливные элементы, использующие водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя [3]. Процесс производства электроэнергии в топливном элементе проходит в одну стадию без промежуточных преобразований химической энергии в тепловую, тепловой — в механическую, а затем уже в электрическую [4]. Это делает системы энергопитания на основе топливных элементов значительно более эффективными по сравнению с традиционными источниками энергии. К тому же топливные элементы, использующие водород в качестве топлива, обеспечивают нулевую эмиссию СО2, так как единственным продуктом электрохимических реакций между молекулами водорода и кислорода является вода. В настоящее время наибольшее распространение твердополимерные топливные элементы (ТПТЭ). В 2018 г. было реализовано более 74 тыс. шт. систем энергопитания на основе топливных элементов суммарной мощностью 803 МВт, из них более 56% (42 тыс. шт.) были энергоустановками с ТПТЭ, общей мощностью 589 МВт. 2019 год стал знаменательным для мировой индустрии топливных элементов – объем совокупной мощности в данном сегменте энергетики достиг 1,1 ГВт, увеличившись на 40% по сравнению с 2018 г. В количественном выражении, показатель достиг данной отметки путем реализации более чем 70 тыс. систем энергопитания [5]. Структурный состав продаж показывает, что наибольшая доля поставок пришлась на ТПТЭ и составила порядка 44 тыс. шт. с мощностью более чем 900 МВт. Приведенные данные отражают существующую потребность в эффективных экологически чистых установках на основе топливных элементов различного мощностного диапазона. По оценкам Института энергетических исследований РАН ёмкость Российского рынка только стационарных установок до 2035 г. может составить 55 тыс. ГВт электроэнергии [6]. Эффективность процесса преобразования химической энергии в электрическую в ТПТЭ зависит от многих факторов, в том числе от электропроводности между единичными ячейками ТПТЭ, равномерности распределения топлива и окислителя, отвода тепла от ячейки, механической прочности конструкции стека ТПТЭ. За выполнение всех указанных функций в ТПТЭ отвечает биполярная пластина (БП) [7]. К тому же БП составляет до 80% веса ТПТЭ и около 30% его стоимости. Требования к материалу и конструкции биполярных пластин очень высоки и должны учитывать электро- и теплопроводность, газопроницаемость, коррозионную стойкость, механическую прочность. В настоящее время в РФ производство любых БП для ТПТЭ отсутствует, что в том числе определяет импортозависимость нашей страны в области водородных технологий. Биполярные пластины (БП) во многом определяют эффективность работы топливного элемента с протонообменной мембраной (ТПТЭ) и на 30% его стоимость. В настоящее время в РФ производство любых БП для ТПТЭ отсутствует, что определяет импортозависимость нашей страны в области водородных технологий. Термопластичные или термореактивные композиты имеют ряд преимуществ перед металлическими и графитовыми материалами в отношении коррозионной стойкости, гибкости, веса и экономической целесообразностью производства БП. Настоящий проект предусматривает создание макетов композитных БП, на основе композита разработанного состава для ТПТЭ с открытым катодом мощностью не менее 0,1 кВт и не менее 0,5 кВт.