Твердооксидные топливные элементы

Created on Wednesday, 07 July 2010 15:09

Твердооксидные топливные элементы

РФЯЦ–ВНИИТФ — ведущий разработчик

твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ)

История создания ТОТЭ

Впервые тема «Разработка энергоустановок на твердооксидных топливных элементах» была включена в перечень конверсионных тем ВНИИТФ в 1990 году. Этому предшествовали ряд встреч руководителей ВНИИТФ и Института высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) УрО РАН – ведущего академического института по этой проблеме. В 1990 году был выпущен приказ об организации работ по теме «Ильменит» и создании в технологическом отделении ВНИИТФ научно-исследовательской технологической лаборатории, главной тематикой которой являлось проведение работ по созданию технологии изготовления твердооксидных топливных элементов и батарей на их основе.В 1993 году началась разработка технологии изготовления ТОТЭ и его компонентов. В период 1994—1999 годы была реализована широкая программа НИОКР. Основные результаты работ этого периода:

  • в 1996 году – разработан ТОТЭ трубчатой конструкции без драгоценных металлов;
  • в 1998 году – создана батарея ТОТЭ, последовательный набор таких батарей позволял получить модуль заданной мощности;
  • в 2000 году – на основе полученных результатов разработан и испытан модуль батарей ТОТЭ мощностью 500 Вт.
  • в 2004—2006 годах разработан и испытан модуль батарей ТОТЭ мощностью 2,5 кВт (рис. 1), разработана и испытана демонстрационная энергоустановка мощностью 1,5 кВт (рис. 2).
History TOTE
Рис.1.
History
Рис.2.

В 2008 году научно-исследовательская технологическая лаборатория по разработке ТОТЭ и энергоустановок на их основе выделена в самостоятельное структурное подразделение ВНИИТФ – научно-исследовательский отдел по разработке энергоустановок на твердооксидных топливных элементах.

Выполненные проекты

Проекты МНТЦ (Международный научно-технический Центр г. Москва) по тематике ТОТЭ:

  • Проект № 483. «Pазpаботка новых технологий получения нанокеpамик Al2O3, TiO2 и ZrO2 для фильеp и высокотемпеpатуpных топливных элементов» – 1997—1999 гг.

  • Проект № 1231 «Разработка вакуум плазменных методов получения тонкопленочных материалов высокотемпературных твердооксидных топливных элементов электрохимических преобразователей энергии» – 1999—2001 гг.

  • Проект № 1647 «Разработка, изготовление и демонстрационные испытания модуля твердооксидных топливных элементов мощностью 2,5 кВт» – 2002—2004 гг.

  • Проект №3361р «Создание участка опытно-промышленного изготовления твердооксидных топливных элементов» – 2006—2010 гг. Партнерский проект с финансированием по программе Партнерство Атомных Городов (ПАГ).

C 2004 по 2009 годы ВНИИТФ на конкурсной основе участвовал в Федеральной целевой комплексной программе (ФЦП) Министерства науки и образования РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002—2006 годы, а затем в ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы" – приоритетное направление. Энергетика и энергосбережение».

Наиболее значимые выполненные проекты: «Создание нового поколения энергоустановок на основе твердооксидных топливных элементов» (2004—2006 гг.) и «Разработка конструкции, изготовление и приемочные испытания образца энергоустановки на ТОТЭ для станций катодной защиты. Разработка демонстрационной энергоустановки на основе ТОТЭ, работающей на био-газе, для получения электроэнергии и тепла. Создание инфраструктуры опытно-промышленного производства ЭУ на ТОТЭ» (2007—2009 гг.).

Сегодня научно-исследовательский отдел по разработке энергоустановок на твердооксидных топливных элементах располагает собственной технической базой по проведению НИОКР по тематике ТОТЭ, а также опытному производству ЭУ на ТОТЭ мощностью до 5 кВт:

  • благодаря реализации проекта МНТЦ №3361р (по программе ПАГ) и финансовой поддержке по проектам ФЦП создан участок опытного производства ТОТЭ с годовой производительностью до 5000 штук;

  • введены в эксплуатацию участки сборки и испытаний, оснащенные современным оборудованием, что позволяет изготавливать опытные образцы ЭУ на ТОТЭ;

  • сформирован квалифицированный коллектив специалистов, способный решать поставленные задачи на высоком техническом уровне.

Программа развития

1990—2001 гг.

Научно-исследовательские работы по материалам и технологиям ТОТЭ.

Создание технической базы лабораторных исследований ТОТЭ.

Создание участка опытного производства твёрдого электролита на "ПО ЧМЗ" г. Глазов.

 

2001—2006 гг.

Разработка и испытания демонстрационной энергоустановки на ТОТЭ мощностью 1,5 кВт.

Разработка опытного образца модуля ТОТЭ мощностью 0,5 кВт.

Разработка технологии опытного производства ТОТЭ без применения драгметаллов.



2006—2009 гг.

Создание участка опытно-промышленного производства ТОТЭ.

Создание инфраструктуры опытного производства ЭУ на ТОТЭ.

Разработка опытного образца ЭУ на ТОТЭ для катодной защиты.



2009—2013 гг.

Разработка промышленного прототипа автономного источника тока и проведение опытно-промышленной эксплуатации на объектах ОАО «Газпром»

Подготовка промышленного производства.

Назад

 

Конструкция ТОТЭ

konstruct_1

Konstruct2

 

Источник тока с опытным образцом энергетической установки с электрохимическим генератором на основе твердоксидных топливных элементов мощностью 1,5 кВт (ИТ-ТОТЭ-1,5)

Назначение
ИТ-ТОТЭ-1,5 предназначен для получения электрической энергии непосредственно у потребителя электроэнергии в местах отсутствия централизованного электроснабжения, посредством прямого преобразования химической энергии природного газа в электрическую энергию.

Область применения
Электропитание радиоэлектронной аппаратуры, линейной телемеханики и автоматики, систем связи, катодной защиты магистральных газопроводов и другого оборудования, где отсутствует стандартное электроснабжение, но имеется природный газ.

Функциональные особенности
ИТ-ТОТЭ-1,5 состоит из двух функциональных комплексов:
1. Опытный образец энергетической установки с электрохимическим генератором на твердооксидных топливных элементах (ЭУ с ЭХГ на ТОТЭ). ЭУ с ЭХГ на ТОТЭ осуществляет процесс прямого преобразования химической энергии природного газа в электрическую энергию с использованием высокоактивных катализаторов путем электроокисления природного газа и электровосстановления кислорода воздуха, вырабатывает постоянный электрический ток, преобразует постоянный ток в переменный, взаимодействует с внешними системами;

2. блочно-комплектное контейнерное устройство (БККУ) – модульный каркасный контейнер, содержит системы технических средств и газорегуляторного оборудования, обеспечивает размещение, антивандальное укрытие и функционирование ЭУ с ЭХГ на ТОТЭ в условиях эксплуатации.

Технические характеристики

  • Выходное напряжение - 220В;
  • Частота переменного тока - 50 Гц;
  • Выходная электрическая мощность - до 1,5 кВт;
  • Топливо - природный газ;
  • Электрический КПД ТОТЭ - 30%

Предварительные испытания, опытно-промышленная эксплуатация
с использованием реальных нагрузок, приемочные испытания
ИТ-ТОТЭ-1,5 на объекте заказчика планируются к проведению в течение 2016 года.

Рынок

1. Станции катодной защиты и систем мониторингового обслуживания магистральных газо- и нефтепроводов.

2. Производство электроэнергии и тепла из отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.

3. Распределенная энергетика – снабжение электроэнергией и теплом жилых коттеджей и посёлков, удалённых
от централизованного энергообеспечения.

4. Распределенная энергетика – использование в гибридных энергоустановках с микротурбиной.

Назад

Общая информация ТОТЭ

 

tote1

Области применения различных типов топливных элементов

tote2

ТОТЭ – твердооксидный топливный элемент, ТПТЭ – твердополимерный топливный элемент, ФКТЭ – фосфорно-кислый топливный элемент, ТЭС – тепловая электростанция.



Виды конструкций ТОТЭ и батарей на их основе

Трубчатая

trubchataya

Планарная

planar

Блочная

trubchataya

Модифицированная планарная

mod planar

Модифицированный трубчатый элемент

mod planar

 

 

Другие разработчики ТОТЭ

Компания "Staxera", Германия

razrab1 razrab2

 

Компания "Bloom Energy" США

Bloom energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Компания Siemens-Westinghouse Power Corporation

siemensПервая гибридная система SOFC (в комбинации с газовой турбиной) была установлена в Национальный Научно-исследовательский центр Топливного элемента в Калифорнийском университете. Этот модуль включил микро турбину, произведенную Ingersoll-Rand Energy Systems, и имел общий объем производства электроэнергии 220 кВт: 200 кВт от SOFC и 20 кВт от микротурбины.

В 1999 году шесть компаний США - разработчиков энергосистем на ТОТЭ: Cummins-SOFCo, Delphi-Battelle, General Electric (GE), Siemens Westinghouse (SW), Acumentrics и FuelCell Energy (FCE) были объединены в единую Программу Solid State Energy Conversion Alliance (SECA). SECA предусматривает к 2012 году создание коммерческих энергосистем на ТОТЭ для гражданского применения мощностью до 5 кВт.

Назад

 

 

 

 

Контакты

Заместитель директора
Юрий Владимирович Румянцев 
E-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Телефон: 8 (351 46) 5-24-19; 5-43-67

 

Заместитель главного технолога
Александр Федорович Емельянов
E-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Телефон: 8 (35146) 54653; 5-44-75
Факс: +7 (35146) 5-55-34

Назад

 

Публикации

N Название публикации Авторы Издание
1. Разработка ТОТЭ и батарей ТОТЭ В.Ф. Чухарев, Б.М. Бочков, А.Д. Закутнев, В.В. Кулаев Сборник докладов IV Европейской конференции по твердооксидным топливным элементам, г. Люцерн, Швейцария, 2000 г.
2. Исследование электролита из нанопорошка YSZ А.В. Устюгов А.П. Ткаченко В.Ф. Чухарев Материалы V всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных систем» г. Екатеринбург, 2000 г.
3. Оценка динамики роста зерна керамики YSZ в условиях термических воздействий. А.В. Устюгов, В.Н. Борисов, А.Д. Закутнев Сборник докладов 7 конференции международного керамического общества, г. Брюгге 2002 г.
4. Разработка технологии изготовления трубчатого ТОТЭ с твердым электролитом из наноразмерного порошка YSZ В.Ф. Чухарев, А.В. Устюгов, Ю.А. Котов, В.В. Иванов, С.Н. Паранин Сборник докладов V международного Семинара «Нанотехнологии в области физики, химии и биотехнологии», г. С-Петербург, 2002 г.
5. Разработка энергоустановки мощностью 1,5 кВт на твердооксидных топливных элементах. В.Ф. Чухарев, Б.М. Бочков, Ю.Н. Клещев, В.В. Кулаев, Куранов В.В. и др. Тезисы докладов II Всероссийского семинара «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», г. Новосибирск, 2003 г.
6. Разработка блока батарей мощностью 2,5 кВт на твердооксидных топливных элементах. В.В. Кулаев, Б.М. Бочков, М.В. Гречко, А.Д. Закутнев, И.Г. Лукашенко, А.В. Устюгов, В.Ф. Чухарев Тезисы докладов 2 Всероссийского семинара "Топливные элементы и энергоустановки на их основе", г. Новосибирск, 2003 г.
7. Исследование электролита из нанопорошка YSZ А.В. Устюгов, А.П. Ткаченко, В.Ф. Чухарев Тезисы докладов II Всероссийского семинара «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», г. Новосибирск, 2003 г.
8. Исследование распределения электрических характеристик по длине трубчатого элемента Чухарев В.Ф., Кулаев В.В., Закутнев А.Д., Лукашенко И.Г., Устюгов А.В. Тезисы докладов II Всероссийского семинара «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», г. Новосибирск, 2003 г.
9. Разработка трубчатого электролита для ТОТЭ с твердым электролитом с использованием нанопорошка YSZ В.В. Иванов, Ю.А. Котов, С.Н. Паранин, В.Ф. Чухарев, А.В. Устюгов Тезисы докладов II Всероссийского семинара «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», г. Новосибирск, 2003 г.
10. Результаты испытаний трубчатых твердооксидных топливных элементов с катодом на наружной поверхности и засыпными токосъемами В.В. Кулаев, В.Ф. Чухарев, А.В. Устюгов, М.В. Гречко, И.Г. Лукашенко Тезисы докладов II Всероссийского семинара «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», г. Новосибирск, 2003 г.
11. Исследование технологии изготовления высокоактивного анода ТОТЭ М.В. Гречко, В.Ф. Чухарев, И.Г. Лукашенко, А.В. Устюгов  
12. Твердооксидные топливные элементы. Сборник научно-технических статей В.П. Брусенцов. Издательство РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск: 2003 г.
13. Твердооксидные ТЭ и батарея на его основе В.Ф. Чухарев, В.В. Кулаев, М.В. Гречко, И.Г. Лукашенко II Межвузовская отраслевая научно-техническая конференция «Автоматизация и прогрессивные технологии», г. Новоуральск, 1999 г.
14. Исследование технологии изготовления высокоактивного анода ТОТЭ М.В. Гречко, И.Г. Лукашенко, В.Ф. Чухарев, Международная конференция «Электролиз в электрохимической энергетике», тезисы докладов г. Москва, 2003 г.
15. Исследование технологии изготовления твердооксидного топливного элемента с использованием трубчатого электролита из нанопорошка YSZ Устюгов А.В., Чухарев В.Ф., Иванов В.В., Котов Ю.А., Паранин С.Н. Исследование технологии изготовления твердооксидного топливного элемента с использованием трубчатого электролита из нанопорошка YSZ
16. Снижение поляризационных потерь на трубчатых ТОТЭ М.В. Гречко, А.В. Устюгов, В.В. Кулаев, И.Г. Лукашенко, О.Е. Крылова Тезисы докладов «XII Российской конференции по физической химии и электрохимии расплавленных и твердых электролитов», г. Екатеринбург, 2004 г.
17. Разработка энергоустановки мощностью 1,5кВт на ТОТЭ В.Ф. Чухарев, В.В. Кулаев, И.Г. Лукашенко, Б.М. Бочков, В.В. Куранов, О.Ф. Бризицкий, Н.Г. Кожухарь, Л.Н. Хворостов  
18. Технология изготовления твердооксидного топливного элементас использованием трубчатого электролитаиз нанопорошка YSZ (на английском языке) И.Г. Лукашенко, В.Ф. Чухарев, А.В. Устюгов, В.В. Иванов, Ю.А. Котов, С.Н. Паранин Tезисы докладов международной конференции EuroSun 2004, г. Фрайбург, Германия, 2004 г.
19. Энергоустановка мощностью (3–5) кВт на твердооксидных топливных элементах для стационарного применения В.В. Кулаев, В.Ф. Чухарев, И.Г. Лукашенко, Б.М. Бочков, В.В. Куранов, О.Ф. Бризицкий, Н.Г. Кожухарь, Л.Н. Хробостов Международная выставка-конференция, Филадельфия, США, 2003 г.
20. Разработка энергоустановок на твердооксидных топливных элементах в ФГУП РФЯЦ–ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина. В.Ф. Чухарев Тезисы докладов международного Форума «Водородные технологии производства энергии», г. Москва, 2006 г.
21. Создание инфраструктуры опытно-промышленного производства энергоустановок на твердооксидных топливных элементах для стационарного применения мощностью до 5 кВт В.Ф. Чухарев Тезисы докладов VII Уральского Инвестиционного Форума, Челябинская область, оз. Тургояк, 2007 г.
22. Опытный образец энергетической установки на твердооксидных топливных элементах для станций катодной защиты Б.М. Бочков, В.Г. Елисеев, С.М. Доросев, А.Д. Закутнев, В.В. Кулае, В.Ф. Чухарев Тезисы докладов. Всероссийская международным конференция «Твердооксидные топливные элементы и энергоустановки на их основе», 16–, г. Черноголовка Московской области. 2010 г.
23. Длительные испытания блока батарей твердооксидных топливных элементов. Основные результаты. Бочков Б.М., Елисеев В.Г., Доросев С.М., Закутнев А.Д., Кулаев В.В., Чухарев В.Ф. Тезисы докладов. Всероссийская международным конференция «Твердооксидные топливные элементы и энергоустановки на их основе», 16–, г. Черноголовка Московской области. 2010 г.

 

Сборник по ТОТЭ. Содержание

Раздел I. Обзоры, вопросы теории

Введение в термодинамику топливного элемента

В.Н. Борисов, И.Г. Лукашенко, М.А. Ахлюстин

Термодинамика твердооксидного топливного элемента
на электролите с протонной проводимостью

А.К. Демин

Использование клеев для газовой герметизации деталей
из керамических материалов, работающих при высоких температурах

О.Н. Зайковская, Л.П. Лаврова, Г.В. Студеникин, В.В. Куранов

Стеклогерметики для газовой герметизации
твердооксидных топливных элементов

В.В. Куранов, С.П. Дровосеков, И.В. Попов

Хромит лантана–стронция, используемый
в планарных твердооксидных топливных элементах

И.Ю. Андреева, С.А. Ведерникова, Т.В. Мохонь, Г.В. Студеникин, Л.А. Пережогина

Особенности переработки нанопорошков YSZ
и электропроводность керамики на их основе

В.Ф. Чухарев, Г.В. Студеникин, Т.В. Мохонь, Г.В. Лукашенко,
А.В. Устюгов, О.Е. Крылова, Э.А. Суворова, М.В. Гречко, И.Г. Ефремова

Некоторые вопросы электроэнергетики
твердооксидных топливных элементов

В.П. Брусенцов

Перспективы применения энергоустановок на топливных элементах
в энергоснабжении

В.Н. Борисов

О некоторых оценках ресурса работы твердооксидного
топливного элемента, связанных с диффузией электродных покрытий
в твердый электролит

И.Г. Лукашенко, В.Н. Борисов

 

Раздел II. Материалы, технологии, исследования

Исследование стабильности керамики BaCeNdO3
и ее электрофизических свойств

В.П. Горелов, В.Б. Балакирева, Н.В. Шарова, А.В. Валенцев,
Ю.Н. Клещев, В.П. Брусенцов

Синтез и электрофизические свойства
протонных твердых электролитов на основе BaZrO3

В.Б. Балакирева, В.П. Горелов, В.П. Брусенцов, Ю.Н. Клещев

Физико–химические свойства BaPr1–xYxO3–a

В.П. Горелов, Б.Л. Кузин, В.Б. Балакирева, Н.В. Шарова, Г.К. Вдовин,
С.М. Береснев, В.П. Брусенцов, Ю.Н. Клещев

Нестабильность топливного элемента с электролитом
BaCe0,9Nd0,1O3–a в топливных смесях, содержащих CO2

В.П. Брусенцов, А.В. Брусенцов, А.П. Ткаченко

Влияние добавок нанопорошка на температуру спекания керамики

Г.В. Студеникин, Т.В. Мохонь, Г.В. Лукашенко, Э.А. Суворова, Д.И. Шестаков,
А.В. Брусенцов, В.В. Кулаев

Твердый электролит на основе церата гадолиния

В.П. Буланов, Г.В. Студеникин, Г.В. Лукашенко, Т.В. Мохонь, В.В. Кулаев,
И.Г. Лукашенко, А.П. Ткаченко, Д.И. Шестаков, Н.Г. Лаптева, Л.А. Гарина

Исследование электрических характеристик образцов ТОТЭ
из циркониевой керамики, изготовленных с применением нанопорошка

В.Ф. Чухарев, В.В. Кулаев, И.Г. Лукашенко, А.Д. Закутнев, А.П. Ткаченко

Золь–гель технология получения кислородно–ионопроводящих
твердых растворов диоксида циркония

Г.Н. Попова, И.К. Горновая, А.В. Устюгов, Н.Н. Лаптев, Л.А. Чебурина,
М.А. Мокрушина

Твердый электролит на основе диоксида циркония
для планарных топливных элементов

Ю.Н. Клещев, Г.В. Студеникин, Т.В. Мохонь, Г.В. Лукашенко, И.Г. Ефремова

Исследование электролита из нанопорошка YSZ

А.В. Устюгов, А.П. Ткаченко, В.Ф. Чухарев

Исследование водородопроницаемости некоторых материалов твердооксидных топливных элементов

В.П. Брусенцов, В.В. Куранов, А.В. Брусенцов

Исследование прочности твердооксидных топливных элементов пластинчатой формы

В.П. Брусенцов, В.В. Куранов, А.В. Брусенцов, Е.А. Куранова, Ю.Н. Клещев,
Д.И. Шестаков, Н.В. Ерошенкова

Исследование распределения электрических характеристик
по длине трубчатого твердооксидного топливного элемента

В.Ф. Чухарев, В.В. Кулаев, А.Д. Закутнев, И.Г. Лукашенко

Определение характеристик материалов при растяжении и сжатии
по результатам испытаний на четырехточечный изгиб

В.В. Куранов, А.В. Абрамов, С.Г. Ботов, А.Н. Хрулев

Применение голографической интерферометрии для оптимизации
технологий изготовления твердооксидных топливных элементов

В.В. Куранов, Н.Н. Романенко, Ю.В. Худяков

Синтез и исследование свойств хромита лантана–стронция

Л.А. Пережогина, Н.Н. Лаптев, А.П. Ткаченко, И.Ю. Орлова,
Е.Н. Ковалева, Л.А. Чебурина

Технология формирования и спекания образцов
из хромита лантана–стронция

И.Ю. Андреева, Т.В. Мохонь, Г.В. Студеникин, С.А. Ведерникова, А.П. Ткаченко,
В.В. Кулаев, И.Г. Лукашенко, А.В. Брусенцов, В.В. Куранов

Влияние условий синтеза на физико–химические
и электрические свойства манганита лантана–стронция

Л.А. Пережогина, С.А. Домрачева, Н.Н. Лаптев, А.П. Ткаченко,
Л.А. Чебурина, А.В. Устюгов

Выбор борат–лантановой стеклокерамики для герметизации
твердооксидных топливных элементов на основе церата гадолиния

В.В. Куранов, С.П. Дровосеков, И.В. Попов

Исследование технологии изготовления
высокоактивного анода твердооксидного топливного элемента

М.В. Гречко, В.Ф. Чухарев, И.Г. Лукашенко

Контактное сопротивление системы сталь/манганит

А.С. Липилин, Н.А. Лобовикова, В.В. Севастьянов

 

Раздел III. Конструкции

Перспективы создания коммерческих
генераторов на твердооксидных топливных элементов

В.И. Щекалов

Электрические характеристики трубчатых
твердооксидных топливных элементов

И.Г. Лукашенко, В.В. Кулаев, В.Ф. Чухарев

Исследование электрических характеристик
планарного твердооксидного топливного элемента

Д.В. Белов, А.В. Устюгов, В.Ф. Чухарев

Результаты испытаний трубчатых твердооксидных
топливных элементов с катодом на наружной поверхности
и засыпным анодным токосъемом

В.В. Кулаев, В.Ф. Чухарев, М.В. Гречко, И.Г. Лукашенко, А.В. Устюгов

Результаты испытаний трубчатых твердооксидных
топливных элементов с катодом на наружной поверхности
и засыпными токосъемами

В.В. Кулаев, В.Ф. Чухарев, А.В. Устюгов, М.В. Гречко, И.Г. Лукашенко

Электрохимический модуль твердооксидного топливного элемента
для макета энергоустановки мощностью 1 кВт

В.Ф. Чухарев, Б.М. Бочков, В.В. Кулаев, А.Д. Закутнев

Энергетическая установка электрической мощностью 0,4—1 кВт
с электрохимическим генератором
на твердооксидных топливных элементах

С.М. Доросев, И.В. Казанцева

Энергетическая установка электрической мощностью 100 кВт
с электрохимическим генератором
на твердооксидных топливных элементах

С.М. Доросев

Назад