Фундаментальные исследования и проблемно-ориентированные разработки по созданию пилотных образцов электролизных установок на базе твердооксидных электролизных элементов

Одним из трендов развития мировой энергетики является переход к водородной энергетике, когда водород используется в качестве основного топлива для запасания и получения электрической и тепловой энергии. Одним из широко распространенных методов получения водорода в настоящий момент является электролиз воды. Чаще всего применяются электролизные установки на базе щелочных (alkaline) и полимерных (протон-обменных, pronot-exchange membrane, PEM) электролизных элементов. Потребление электроэнергии на производство 1 кубического метра водорода при атмосферном давлении составляет для электролизеров на базе щелочных и полимерных электролизных элементов около 7-8 и 5-6 кВт·ч, соответственно. Альтернативой является разработка и последующее применение более эффективных систем на базе твердооксидных электролизных элементов (ТОЭлЭ), для которых экспериментально показана возможность снижения потребления электроэнергии до 3-4 кВт·ч/м3. Таким образом, задачи фундаментальных исследований и последующих прикладных разработок по созданию пилотных образцов электролизных установок на базе ТОЭлЭ являются крайне значимыми и актуальными в свете широкого развития водородной энергетики. На базе выполненных НИР по созданию экпериментальных образов генераторов водорода на базе ТОЭлЭ есть возможность развернуть ОКР по созданию опытных образцов таких высокоэффективных генераторов водорода. Индустриальными партнерами ИФТТ РАН по задачам, связанным с получением водорода методом высокотемпературного электролиза на твердооксидных электролизных элементах являются АО «ТВЭЛ» (Госкорпорация «Росатом»), а также частная инжиниринговая компания ООО «ИНЭСИС» (Группа компаний «ЭФКО»). Основное преимущество разрабатываемой в рамках получения основного результата Лаборатории технологии ТОЭлЭ по сравнению с конкурирующими технологиями получения водорода – рекордно низкое потребление электрической энергии на получение кубического метра водорода. В настоящее время в Российской Федерации отсутствуют завершенные разработки указанной технологии, таким образом, присутствует несомненная научная новизна и актуальность данных разработок. В рамках данного научного исследования планируется достижение следующего результата, необходимого реальному сектору экономики: Разработка технологии изготовления твердооксидных электролизных элементов (ТОЭлЭ) на несущем трехслойном электролите толщиной 150 мкм размером 100х100 мм, а также батарей ТОЭлЭ на их основе для высокотемпературного электролиза воды. Для достижения указанной цели требуется выполнение следующих задач: • Поиск и оптимизация электродных материалов для изготовления многослойных композиционных катода и анода ТОЭлЭ. • Разработка технологий нанесения многослойных композиционных катода и анода ТОЭлЭ на трехслойные мембраны твердого электролита с анионной проводимостью размером 100х100 мм. • Изготовление и электрохимические испытания единичных ТОЭлЭ размером 100х100 мм, в том числе в составе маломасштабных сборок из 2-10 элементов. • Разработка конструкции батарей ТОЭлЭ: биполярных и концевых токовых коллекторов, прокладок высокотемпературного герметика, контактных сеток и других вспомогательных узлов. • Изготовление и электрохимические испытания батарей ТОЭлЭ с целью получения исходных данных для внесения изменений в конструкцию многослойных электродов и токовых коллекторов. • Разработка оптимальной схемы электролизных установок на ТОЭлЭ.