ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ТВЕРДООКСИДНЫЕТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫСочугов Н.С.

Постулаты водородной энергетики
Дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному энергетическому и экологическому кризису.
Сокращение запасов ископаемого топлива принуждает развитые страны принимать усилия по поиску альтернативных возобновляемых экологически чистых источников энергии.
Надежда на "мирный атом" пока не оправдывается, перспектива овладения термоядерной энергетикой и её использования в ближайшем будущем весьма призрачна.
Мир спасет водород – практически неиссякаемый возобновляемый источник энергии.

Работы по водородной энергетике во многих странах относятся к приоритетным направлениям социально-экономического развития.
Ведется активный поиск путей перевода большинства энергоемких отраслей промышленности, включая транспорт, на водородное топливо и электрохимические генераторы на основе использования топливных элементов (ТЭ)
Использование водорода в качестве основного энергоносителя приведет к созданию принципиально новой водородной экономики, станет научно-техническим прорывом, сравнимым по своим социально-экономическим последствиям с тем революционным воздействием на развитие цивилизации, которое оказали электричество, двигатель внутреннего сгорания, химия и нефтехимия, информатика и связь.
НАСТУПАЕТ ЭРА ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
(ВОДОРОДНОЙ ЭКОНОМИКИ)

President's Hydrogen Fuel Initiative: A Clean and Secure Energy Future (2003 г.)
Почему водород и топливные элементы?
США импортрируют 55 % потребляемой нефти, к 2025 г. эта цифра возрастет до 68%.
Практически все автомобили США работают на бензине. Две трети импортируемой нефти используется для нужд транспорта.
Водород обладает наибольшей энергией на единицу веса из всех топлив.
Водород может производиться из местного сырья.
Наилучший способ уменьшить зависимость от импорта нефти – расширение использования автомобилей с гибридными двигателями.

Глобальная эмиссия СО2 (тн.)на душу населения
Глобальная эмиссия СО2 на единицу ВВП

Водородная энергетика это:
- крупномасштабное производство водорода из ископаемых и
возобновляемых источников энергии;
- хранение водорода;
транспортировка водорода;
- использование Н2 для получения энергии в промышленности, на транспорте, в быту;
производство топливных элементов и энергоустановок на их основе;
- водородная безопасность.

Достоинства Недостатки
- высокий КПД - стоимость
- низкая токсичность выбросов - еще раз стоимость!
- бесшумность
- модульная конструкция
Топливные элементы
- это гальванические ячейки, в которых вырабатывается электроэнергия за счет протекания окислительно-восстановительных превращений реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне

Исторический экскурс
1839 г (Гроув, Шонбейн), рождение ТЭ
1894 г. (Освальд), идея использования ТЭ в большой энергетике
50 – 60-е годы ХХ века, первое практическое применение ТЭ
PEMFC, ~1кВт ( программа Gemini)
AFC, ~1кВт (программа Apollo)
70 - 80-е годы ХХ века
AFC, ~10 кВт (программа Shuttle)
AFC, ~20 кВт (программа Буран)
Электростанции на PAFC, ~ 100 кВт - 10 МВт (США, Япония)
90-е годы – по настоящее время
Разработка ТЭ для:
стационарной автономной энергетики, 1 кВт -10 МВт
автотранспорта, 25-50 кВт
портативных источников электроэнергии, <100 Вт

Типы топливных элементов
Щелочной
твердополимерный
кислотный
На расплаве карбоната
твердооксидный

Общие сведения о принципах работы ТЭ
(1)

КПД различных энергоустановок
Fuel Cells 1 (2001) 80
ТОТЭ
ТПТЭ
ДВС
дизель
газовая турбина (ГТ)
ТЭС
микро ГТ
0,1 1 10 100 1000
Мощность энергоустановки, МВт

0.5O2 + 2e = O2-
H2 + О2-= H2О + 2e,
CO + O2-→CO2 + 2e,
CH4 +4O2-→2H2O + CO2 +8e
T = 700-1000°C
н2О, СО2
Принцип работы твердооксидного ТЭ

Чем привлекателен ТОТЭ?
Высокий КПД преобразования в электрическую энергию
Нетребовательность к топливу (водород, природный газ)
Побочным продуктом является высокопотенциальное тепло
В производстве не требуются драгоценные металлы
Низкая эмиссия СО
Потенциально высокое время жизни (40 – 80 тыс. часов)

Типы конструкций ТОТЭ
Твердый газоплотный электролит
Пористый анод
Пористый катод
Биполярная пластина (интерконнектор
Герметик

планарная

трубчатая

Материалы для ТОТЭ и требования к ним
Высокая стабильность (химическая, фазовая, морфологическая, геометрическая) Химическая совместимость с другими компонентами
Близость КТР всех частей ТОТЭ
Технологичность
Низкая стоимость
Электролит
YSZ, (ZrO2)0.92(Y2O3)0.08.).
Анод
NiO/YSZ керамика с открытой пористостью 20 – 40%
Катод
LaSrMnO3 (LSM) керамика с открытой пористостью 20 – 40%

Что сдерживает широкое применение ТОТЭ?
низкая реально достигаемая плотность мощности (250 – 300 мВт/см2),
высокие рабочие температуры,
термическая нестабильность отдельных узлов топливного элемента и малая механическая прочность конструкции в целом, приводящие к снижению срока службы ТОТЭ,
высокая удельная стоимость, определяемая в основном технологическими расходами.
Основные усилия:
снижение рабочей температуры топливного элемента до 700 – 750 С
уменьшение толщины функциональных слоев топливной ячейки (электроды, электролит) с целью снижения омических потерь,
управление пористостью электродов и структурой переходных слоев на границах раздела электрод – электролит для уменьшения поляризационных потерь,
увеличение коррозионной стойкости узлов топливного элемента
поиск путей снижения внутренних напряжений, возникающих в отдельных слоях топливной ячейки из–за разницы температурных коэффициентов расширения.

Почему электролит хочется сделать тонким?

Что может являться несущей механической основой для ячейки ТЭ ?
Electrolyte supported SOFC

Толщина 10-50 мкм; Ширина 85-200 мм;
Отн. плотность по порошку 8.5YSZ – 33 – 50%;
Получение тонких пленок методом шликерного литья (институт электрофизики)

Пленка из порошка YSZ
Пленки из порошка LSM

ПРИНЦИП ФОРМИРОВАНИЯ ТРУБОК
методом магнитно – импульсного прессования (Институт электрофизики УрО РАН)

Пленка из нанопорошка YSZ и керамика из этой пленки
«Сырая» пленка
Керамические трубки радиальное МИП
Толщина стенки 80-140 мкм
Керамика одноосное МИП (140мкм)

НЕСУЩИЙ LSM C ЭЛЕКТРОЛИТОМ YSZ
LSM
YSZ
d=10-12мкм

Цели и перспективы
Стоимость материалов для изготовления ТОТЭ на 1 кВт
Проблема цены – в технологии, а не в материалах

33
250 кВт установка на ТПТЭ фирмы Алстом Баллард, установленная Беваг АГ в Берлине, Германия
220 кВт гибридная установка ТОТЭ/газовая турбина
фирмы Сименс-Вестингхаус
– первая в мире в своем классе

Toyota Highlander
Партия из 20 машин передана в лизинг нескольким государственным, научным учреждением, а также энергетическим компаниям
В 2003 г. 30 автобусов Mercedes-Benz Citaro поставлены в 10 европейских городов (Амстердам, Барселона, Гамбург, Лондон, Люксембург, Мадрид, Порто, Рейкьявик, Стокгольм и Штутгарт), проводятся драйв-тесты
Подводная лодка U 31 с ТЭ, Howaldtswerke-Deutsche Werft AG
Проведены морские испытания июль 2003-март 2004