1-й СОВМЕСТНЫЙ СЕМИНАР ВНИИТФ – ИЭФ Развитие ТОТЭ Липилин А.С. ИЭФ УрО РАН, Екатеринбург, Амундсена, января 2010 начало 10-00

Конструкции элементов и батарей изготовленных и испытанных автором

Основной компонент ТОТЭ твердый электролит на основе ZrO 2

Фианиты

Организационные формы разработки ТОТЭ Примером разумной государственной политики в коммерциализации электрохимических генераторов на ТОТЭ являются США. В октябре 2001 года был сформирован Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) и принята программа, целью которой является разработка и промышленный выпуск к 2010 году 5 кВт энергосистем на SOFC со стоимостью не более $400/кВт. Программа SECA включала шесть проектов SOFC наиболее близких к коммерциализации, разрабатываемых конкурирующими промышленными командами: Cummins-SOFCo, Delphi-Battelle, General Electric (GE), Siemens Westinghouse (SW), Acumentrics, and FuelCell Energy (FCE).

Компании, осваивающие промышленный выпуск энергосистем на ТОТЭ в США КомпанияТип ячейки Общий вид ячейки Применяемые технологии Стоимость $/кВт General Electric Планарный стек Каландрование Плазменное напыление ~700 Delphi Планарный стек Пленочное литье Трафаретная печать 767 Fuel Cell Energy Планарный стек Versa-Power Пленочное литье Трафаретная печать Совместное спекание 776 Acumentrics Трубчатый стек Экструзия Изостатическое прессование Плазменное напыление 729 Siemens Power Group -трубчатый стек Экструзия Плазменное напыление 691 Cummins Power Generation Планарный стек Versa-Power Пленочное литье Трафаретная печать Совместное спекание 742

FuelCell Energy 3 кВт

2 фаза ( ) включает в себя разработку 25 кВт стека, который затем собирается в модуль – 250 кВт и энергоустановку - 5МВт, работающую на синтез-газе из угля и отвечающую всем требованиям: - Электрохимическая часть ~ 100$US - 1 кВт установ. мощности < 400 $US - КПД – 45-50% - Коэффиц. использования топлива не менее 90% - NO x < 0.01 lb/MM Btu - Удаление SO 2 – 99% - Удаление Hg– 90% - Наиболее экономная длительная удельная мощность ~ 300mW/cm2 - Другие требования Заказчика Вторая фаза Программы

Основные технологии Versa Power System

В США, Acumentrics и Jadoo Power Systems договорились работать вместе, чтобы подготовить выпуск генераторов на топливных элементах, мощностью менее 5 кВт, для военных и коммерческих целей (в частности автономная, бесшумная электростанция на топливе НАТО JP-8 для разведгруппы имеет дополнительное финансирование от Минобороны). Эта мобильная система основана на Acumentrics' твердых оксидных топливных элементах, с заправкой типа «канистра» с возможностью использования нескольких видов топлива, что дает свободу от негибкой топливной инфраструктуры. 4 июня 2008 года Министерство энергетики выделило Acumentric 15,6 млн $US на 3,5 года на развитие трубчатых SOFC до 10 кВт и длительного срока использования. Для ЖКХ Германии Acumentric разрабатывает систему 1кВт электрической и 24кВт тепловой энергии.

В Европе имеется проект Towards a Large SOFC Power Plant начатый в 2007 году. Общий бюджет проекта на первые три года составляет 11 млн. евро. Европейский союз предоставил грант в размере 5,8 млн. евро на европейский консорциум. В настоящее время быстро развиваются SOFC- электростанции. Мощность энергоблоков будет варьи- роваться от кВт до 250 кВт и до 1 МВт. Эти энерго- системы будут пригодны как для ТЭС так и для распределенной энергетики. Первые энергосистемы, как ожидается, поступят в продажу в середине следующего десятилетия. Успех этих разработок опирается на преимущества SOFC-технологии: высокую топливную эффективность (КПД), низкий уровень выбросов, возможность использования различных топлив (использования биотоплива, в том числе газа из био- массы, продуктов газификации угля и природного газа). ЕВРОПА

Исследовательский консорциум включает в себя девять участников из стран Европы и координируется VTT Техническим исследовательским центром Финляндии : VTT Technical Research Centre of Finland, Wärtsilä Corporation, Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd, Topsoe Fuel Cell A/S, Forschungszentrum Jülich GmbH, Dipartimento di Ingegneria Chimica e di Processo "G.B. Bonino" - Università di Genova, BOSAL RESEARCH nv, Verteco Oy and Inmatec Technologies GmbH.

SECA Program at Siemens Westinghouse

Энергоустановка мощностью 1,3 МВт 5,7кВт/м 3

Фирма (Страна) Westingho us (США) Siemens (США) ИЭФ (Россия) ИЭФ (Россия) ИЭФ (Россия) Констр. элемента (эл-ит, темпер.) Трубчатая (YSZ, 950 O C) – трубчатая (YSZ, 950 O C) Трубчатая ø10 мм (YSZ, 950 O C) – трубчатая (YSZ, 950 O C) Микро- трубчатая Ø3 мм (YSZ, 950 O C) Удельная мощност ь 0,16 кВт/л0,8 кВт/л0,58 кВт/л1,2 кВт/л1,16 кВт/л Развитие трубчатой конструкции ТОТЭ (электрохимическая часть) Микро-трубчатая 7,0-8,0 кВт/л Прогнозируемая 70кВт/л

Наш -трубчатый элемент

Использование метода, разработанного профессором Гарвардского университета Shriram Ramanathan, позволяет получить высококачественные твердые оксидные электролиты используемые в обычных SOFCs толщиной около 25 нанометров что позволяет снизить рабочую температуру топливных ячеек до º С 20х20 нм Нанотолщина электролита YSZ

ПРОЕКТ В ГК «РОСНАНОТЕХ» «Создание промышленного производства энергосистем на основе твердооксидных топливных элементов» Научно-техническая цель проекта: Создание нового для России промышленного производства по изготовлению конкурентных на мировом уровне энергосистем с твердооксидными топливными элементами (ТОТЭ), адаптированными к российским материалам и условиям, с использованием промышленных технологий и нанотехнологий на основе промышленно выпускаемых этим производством сырьевых наноматериалов.

Базовая энергоустановка для станций катодной защиты магистральных газопроводов «Газпром трансгаз Екатеринбург»

Некоторые научные организации России, работающие над технологией топливных элементов Урал и Сибирь ФГУП «РФЯЦ – ВНИИТФ», г. Снежинск ИЭФ УрО РАН, Екатеринбург ИХТТ УрО РАН, Екатеринбург Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Екатеринбург УГУ им. А.М. Горького, Екатеринбург, ИВТЭ УрО РАН, Екатеринбург ИХТТМ СО РАН, Новосибирск ИК (и. катализа) СО РАН, Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск Центральный район ИФТТ РАН, Черноголовка Центральный институт авиационного моторостроения МГУ ИОФ РАН, Москва С-Пб. ГУ, Уфимский государственный авиационный технический университет

Спасибо за внимание ИЭФ УрО РАН