Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее сложным и актуальным применением высокотемпературных твердооксидных устройств (ТОУ) являются генераторы тока на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) по признанной международной терминологии - SOFC (Solid Oxide Fuel Сells). В них происходит прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую с к.п.д. до 85-90%.
Наиболее разумной и технически целесообразной концепцией развития энергетики РФ является планомерная замена централизованной системы системой распределенной (водородной) энергетики. Это одно из приоритетных направлений развития и государства.
Распределенная энергетика предполагает, что генераторы электрического тока расположены непосредственно у потребителя электроэнергии, к которому по трубопроводу приходит топливо, водород или природный газ. Потребитель сжигает его в соответствии с собственным графиком потребления электроэнергии. Это приводит к разумному энергосбережению и к экономному использованию топлива. При этом использование в качестве генераторов электроэнергии ТОТЭ позволяет существенно повысить энергоэффективность и энергосбережение.
Это экологически чистая энергосберегающая технология, требующая для производства такого же количества электричества в два - три раза меньшего количества топлива.
Разработкой ТОТЭ занимается большинство стран Европы, Азии и Америки. Ведущими в этой области являются США, Япония и Германия. Актуальность работ, нацеленных на повышение энергоэффективности энергоустановок на ТОТЭ, отработку технологии их изготовления, оптимизацию и внедрение их в промышленность не вызывает сомнений.
Цель. Разработка научных принципов конструирования элементов и батарей, оптимизация технологии, макетирование, нацеленные на освоение выпуска мобильной компактной высокоэффективной аппаратуры, обеспечивающей потребность пользователей в электроэнергии – распределенная энергетика, вносящая существенный вклад в развитие экономики России и повышение её обороноспособности.
Задачи исследований.
Для достижения сформулированной цели необходимы систематические исследования процессов формирования гетероструктур и решение следующих задач: разработка концепции промышленного изготовления энергоэффективных элементов; разработка базовой и проверка альтернативных технологий создания многослойных структур с использованием наноматериалов; формирование основных необходимых принципов конструирования высокоэффективных, энергонапряженных ТОУ для мобильных применений.
Научная новизна
1.Впервые нами были разработаны, изготовлены в едином технологическом цикле и исследованы элементы с тонкослойным электролитом и электродами, полученными из уникальных нанопорошков с использованием лазерного испарения, электровзрыва проволоки, литья пленок (Tape Casting) на основе поливинилбутиральных (ПВБ) шликиров плоского и радиального магнитно-импульсного прессования (МИП) и совместного спекания.
4 2.Впервые нами были проведены фундаментальные исследования основных функциональных свойств твёрдооксидных гетероструктур ТОУ.
3. Разработаны новые принципы проектирования элементов и батарей топливных элементов, которые позволили создать высокоэффективные конструкции и запатентовать новые технические решения. Изготовлены макеты ТОУ и впервые изучено поведение данных многофакторных систем. Выполнено машинное и математическое моделирование ТОУ, найдены оптимальные конструкции, условия и режимы эксплуатации ТОУ.
Практическая значимость работы
Полученные автором результаты, использованы для изготовления
твердооксидных топливных элементов и модулей на их основе для энергосистем
киловатного класса. Выполнены фундаментальные исследования данных
многопараметрических систем. Физическим моделированием завершена
оптимизация процессов и конструкций на макетах ТОУ. По данным разработкам автором получены патенты РФ и США на трубчатые ТОТЭ с удельной мощностью 400мВт/см2(термолиз металлоорганики) и 120мВт/см2(окисление угля в ТОТЭ с жидким анодом).
В рамках проекта «РОСНАНО» проведен НИОКР: « Создание
промышленного производства энергоустановок на твёрдооксидных топливных элементах (ТОТЭ), включая сырьевые наноматериалы, ТОТЭ и унифицированные батареи на их основе».
Совместно с РФЯЦ ВНИИТФ (г. Снежинск) реализуется проект по промышленному выпуску и коммерциализации высокотемпературных твердооксидных генераторов тока и энергоустановок на основе ТОТЭ.
Создано ООО «Уральская производственная компания» - резидент проекта «Сколково», с целью выпуска энергоустановок на ТОТЭ для систем катодной защиты газопроводов Газпрома.
Для международного патентования элементов и батарей ТОУ планарной конструкции создано ООО «СОФК-технологии».
Разработанные автором и изготовленные ТОУ были переданы в Уральский государственный университет, Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова и Уральский государственный технический университет-УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина для проведения спецкурсов, семинаров и лабораторных работ по высокотемпературным твердым электролитам и ТОУ на их основе.
Высокотемпературный электрохимический генератор мощностью 1 кВт (ВТ ЭХГ-1000), созданный под руководством автора, прошел успешные трехлетние испытания с СКБК (Санкт-Петербург). Единичный модуль ВТ ЭХГ-1000, мощностью 150 Вт в течение трех лет успешно испытывался в Институте GNR-TAE (Мессина, Италия).
Кислородный насос прошел клинические испытания с участием АО «Конмед» (г.Таллин, Эстония) и «INNOSAN» (г.Болонья, Италия).
ТОУ успешно представлялись на международных выставках в СССР, РФ, США, Австрии, Германии, Италии, КНР.
Под руководством автора в 1989 г. сотрудниками четырех НИИ и лаборатории кинетики ИВТЭ был разработан и изготовлен высокотемпературный электрохимический генератор ВТ ЭХГ-1000, продемонстрировавший возможность устойчивой работы многоэлементных систем. Основные научные принципы конструирования ВТ ТОУ были использованы во ВНИИТФ (г.Снежинск) при создании трубчатых ТОТЭ мощностью 1-2,5 кВт.
Научное направление диссертационной работы представляет собой разработку научных принципов конструирования и технологий изготовления высокотемпературных устройств с твёрдым оксидным электролитом. Основным результатом исследований стало создание первого поколения макетов кислородных насосов и генераторов тока на ТОТЭ с использованием наноматериалов и нанотехнологий.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Предложена концепция формирования гетероструктур рабочей зоны плоских,
трубчатых и блочных конструкций элементов и батарей высокотемпературных
твердооксидных устройств.
Концепция основана на использовании слабо агрегированных и агломерированных нанопорошков компонентов, литья из них тонких пленок, конструирования многослойных систем, их компактирования методом методоммагнито-импульсного прессования и последующим совместным спеканием.
-
Улучшение основных функциональных свойств гетероструктур элементов твердооксидных устройств (проводимости и её стабильности во времени) обеспечивается формированием наноструктурных компонентов с электронной, ионной и смешанной проводимостью.
-
Предложены научные основы принципов конструирования и технологии изготовления мобильных и автономных высоконапряженных энергосистем на твердооксидных топливных элементах для генерации электроэнергии с объемной плотностью мощности до 20кВт/л, при использовании любого углеводородного топлива на борту транспортного средства. Благодаря улучшению совместимости наноструктурных компонентов повышены основные удельные характеристики ТОТЭ до 1-1,3 Вт/см2, термоустойчивость (более 1000) циклов и срок службы.
Апробация работы. Результаты исследований представлены в более чем 90 докладах, которые обсуждались на XIII, XIV Всесоюзных конференциях по физической химии и электрохимии ионных расплавов и твердых электролитов (Екатеринбург, 2004, 2007 г.г.); на III, IV Всероссийском семинаре «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» (Екатеринбург, Новосибирск 2006, 2008 г.г.); на Всероссийских конференциях с международным участием «Твердооксидные топливные элементы и энергоустановки на их основе» (Черноголовка, 2010, 2013 г.г.); на Международной конференции ARW NATO «Технологии топливных элементов: состояние и перспективы» (Киев, 2004); на 29-ой Международной конференции «Современная керамика и композиты» (Какао Бич, Флорида, США, 2005); на Международной конференции «Электроэнергетика» (Чикаго, Иллинойс, США, 2005); на семинаре «Топливные элементы» (Пальм Спрингс, Калифорния, США, 2005); на 4-ой Международной конференции «Наука и технология спекания» (Гренобль, Франция, 2005); на 9-ом Грове симпозиуме «Топливные элементы» (Лондон, Великобритания, 2005) и на конференции «Grove Fuel Cell 2012» (Берлин,
6
Германия 2012); на VI семинаре СО РАН и УрО РАН «Термодинамика и
материаловедение» (Екатеринбург, 2006); на 8, 9, 10 и 11 Международном совещании «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела» (Черноголовка, 2006, 2008, 2010, 2012); на Международной конференции «Химия, химическая инженерия и биотехнология» (Томск, 2006); на Международной конференции CIMTEC 2006: «Современные материалы и технологии (11-ый международный керамический конгресс и 4-ый форум новые материалы)» (Acireale, Sicily, Italy, 2006); на Международной конференции «Суть нано технологий» (Луксор, Египет, 2007); на 16th International Conference on Solid State Ionics, (Shanghai, China 1-6 July, 2007); на II-й Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2007» , (Новосибирск, 2007); На 4, 5, 6, 7-ой Российской конференции "Физические проблемы водородной энергетики" (Санкт-Петербург, 2007, 2009, 2010, 2011); 10th International Conference and Exhibition of the European Ceramic Society, (Berlin, 2007); на Первой Международной научной конференции НАНО-2008 (Минск, 2008); на 1-ой школе РОСНАНО «Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии. Наноматериалы», (Москва, 2008); на III Международной конференции «Альтернативные источники энергии для больших городов» (Россия, Москва, 2008); на Международном форуме по нанотехнологиям Rusnanotech, (Россия, Москва, 2008, 2009); на конференции «Высокие технологии и инновации — российской экономике» (Екатеринбург 2008); I-ой Международной научно-практической конференции “Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии. Проблемы и перспективы.” (Одесса, Украина 2009); на конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург 2009); на 1-й ежегодной научно-технической конференции НОР «Развитие нанотехнологического проекта в России: состояние и перспективы» (Москва, 2009); на Ш Международном симпозиуме по водородной энергетике (Москва, Россия, 2009); На International Conference on Nanoscience and Technology, (Beijing, China, 2009); на 12 th International Ceramics Congress (International Conferences on Modern Materials and Technologies - CIMTEC 2010), (Tuscany, Italy, 2010); на 16th International Symposium on High-Current Electronics (16th SHCE) and 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (10th CMM) (Tomsk, Russia, 2010); на Международной конференции SPIE Microtechnologies, (Prague, Czech Republic, 2011); в экспертном клубе на Форумах ИННОПРОМ-2011, ИННОПРОМ-2012, ИННОПРОМ-2013 (Екатеринбург, 2011; 2012; 2013 г.г.) и других.
Публикации. Результаты работы оформлены в виде 139 научных работ: опубликовано 32 статьи, в том числе 10 в зарубежных изданиях; 13 патентов, в том числе 3 зарубежных; сделано 94 доклада, в том числе около половины на зарубежных конференциях или российских конференциях с международным участием. По теме диссертации опубликовано четыре монографии.
Личный вклад автора состоит в предложении концепции, в постановке задач исследований, планировании и проведении экспериментальных исследований, разработке принципов конструирования ТОУ, патентовании материалов, устройств и способов, разработке технологий изготовления ТОУ с использованием нанотехнологий. Все результаты получены автором лично или совместно с соавторами при его непосредственном участии и руководстве.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, объединенных в три части, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Объем
7 диссертации составляет 335 страниц, включая 192 рисунка, 32 таблицы и списка цитируемой литературы из 209 наименований.
