В Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН в рамках недавно стартовавшего проекта разработки комплексной платформы энергоснабжения «Топаз» создаются электрохимические генераторы с твердооксидными топливными элементами. Проект реализует консорциум во главе с головным исполнителем ООО «Научно-исследовательский центр «Топаз» и куратором АО «Группа компаний «ИнЭнерджи» при участии ИВТЭ УрО РАН, Института катализа и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, ЗАО «Неохим», ООО «УНИКАТ». ГК ИнЭнерджи — одна из немногих компаний реального сектора экономики, фактически финансирующих инновационные научные разработки в области электрохимических источников энергии.
Проект реализуется при поддержке Национальной технологической инициативы по направлению «Интеллектуальная распределенная энергетика» дорожной карты НТИ EnergyNET. Цель его — создание комплексной платформы электроснабжения на базе электрохимических генераторов, работающих на доступном топливе, и четырех коммерческих продуктов на ее основе. Это позволит преодолеть барьеры сквозной технологии «Новые и мобильные источники энергии» и радикально расширить использование высокоэффективных экологически чистых и надежных источников энергии для различных секторов рынка. Планируется организовать промышленное производство модельного ряда электрохимических генераторов малой и средней мощности с твердооксидными топливными элементами, включающего малогабаритную портативную энергоустановку для зарядки мобильных устройств, мобильную энергоустановку для малой робототехники, автоматизированную малообслуживаемую энергоустановку для распределенной энергетики.
— Каждый участник творческого коллектива видит, как благодаря его усилиям научная идея становится действующей моделью, — говорит директор ИВТЭ доктор химических наук Максим Ананьев. — Наш институт позиционируется как базовая организация для создания перспективной разновидности твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) — протонкерамических топливных элементов с оксидным протонным электролитом (ПКТЭ), выделяемых в последнее время в самостоятельную категорию и обладающих целым рядом преимуществ по сравнению с ТОТЭ с анионпроводящим электролитом.
Впервые высокую протонную проводимость в перовскитных материалах на основе цирконатов и цератов щелочноземельных металлов при повышенных температурах в присутствии паров воды в начале 1980-х гг. обнаружили японские ученые во главе с Х. Ивахарой. Позже оказалось, что протонной проводимостью обладают и другие перовскиты, а также материалы со структурой апатита, шеелита и флюорита. В России исследования протонной проводимости в оксидах начались в МГУ им. М.В. Ломоносова, а на Урале эту тематику первым стал развивать кандидат химических наук Валерий Горелов, тогда заведующий лабораторией электрохимических материалов ИВТЭ. Сегодня эти исследования продолжаются в отделе электрохимии твердого тела, где сложился эффективно работающий коллектив во главе с заведующим лабораторией твердооксидных топливных элементов, директором ИВТЭ профессором Максимом Ананьевым, включающий как старшее поколение ученых, так и молодежь. Благодаря преемственности созданных еще в советское время научных школ в сочетании с финансовыми инструментами поддержки научных исследований (программы Минобрнауки, гранты РНФ и РФФИ) появились условия для внедрения фундаментальных результатов в практику. Разработками уральских электрохимиков заинтересовались коллеги из Группы компаний ИнЭнерджи, и это выросло в тесное взаимодействие между участниками построенного по сетецентрическому принципу консорциума, куда входят институты РАН, университеты, а также производственные предприятия.
— Мы уже два года активно работаем с руководителем АО «ГК ИнЭнерджи» Алексеем Кашиным и с Александром Сиваком, генеральным директором ООО «НИЦ «ТОПАЗ», входящим в ГК ИнЭнерджи. При их поддержке нам удалось создать задел для выполнения крупного проекта, — считает Максим Ананьев. — Наше сотрудничество позволяет быстро превращать научную идею в технологию, а технологию — в рыночный конкурентный продукт. Этот принцип реализуется благодаря эффективной работе первого в России центра компетенций НТИ при Институте проблем химической физики РАН «Новые и мобильные источники энергии», которым руководит профессор Юрий Добровольский.
— В чем преимущества протонкерамических топливных элементов по сравнению с традиционными ТОТЭ?
— Протонная проводимость достигается вследствие кислородной разупорядоченности оксидов, то есть наличия в них структурных или примесных кислородных вакансий, взаимодействие которых с водородсодержащими компонентами газовой фазы приводит к появлению протонных дефектов. Протон или ион водорода — малая и очень подвижная частица, она обеспечивает более быстрый ионный транспорт в топливном элементе по сравнению с традиционными кислород-ионными мембранами с достаточно тяжелым ионом кислорода. Использование протонов как носителей заряда позволяет значительно снизить рабочие температуры ТОТЭ. Достаточный уровень кислород-ионной проводимости в них достигается при температурах 800–900°, а в топливных элементах на основе оксидных материалов с протонной проводимостью тот же уровень может быть получен при 500–600 °С, что существенно повышает их долговечность, снижает тепловые потери и упрощает выбор конструкционных материалов, а также сокращает время пуска создаваемых на их основе электрохимических генераторов. При этом сохраняется достоинство высокотемпературных керамических ТОТЭ, поскольку для их работы не требуется высокочистый водород.
В отличие от электрохимических устройств с традиционными твердокосидными топливными элементами, в электрохимическом генераторе на основе ПКТЭ можно обойтись без топливного процессора, служащего для предварительной конверсии углеводородного топлива в синтез-газ перед подачей в анодное пространство ТОТЭ, так как при использовании протонпроводящей мембраны возможна прямая конверсия углеводородного топлива. Проще говоря, берем баллончик с пропан-бутановой смесью и баллончик с углекислым газом, подводим газообразное топливо и воздух к топливным элементам — получаем электроэнергию и тепло.
В мире наиболее популярными протонпроводящими электролитами для электрохимических приложений считаются оксиды на основе церато-цирконатов бария, допированные редкоземельными элементами. Мы же полагаем, что как минимум не менее перспективный материал для ТОТЭ — скандат лантана. Этот материал стабилен, и в нем содержится в 10 раз меньше щелочноземельных металлов, присутствие которых неблагоприятно для ТОТЭ. Мы исключили барий — весьма токсичный элемент. Нам удалось подобрать такой состав скандата лантана, который по транспортным характеристикам не уступает аналогам.
Мы создаем тонкопленочные материалы, используя современные методики, в том числе гидротермальный метод с последующими измельчением до субмикронного уровня, механоактивацией полученного соединения и детальной проработкой не только химического и фазового состава, но и микроструктуры частиц и гранулометрического состава дисперсных фаз. Для получения слоев протонпроводящего оксидного материала для ТОТЭ применяются также методы горячего формования, холодного литья, дипкоутинга.
Как уже говорилось, в реализации проекта активно участвуют молодые исследователи. Часть работ проводится в лаборатории сквозных технологий в распределенной энергетике, организованной в ИВТЭ в конце прошлого года по программе создания молодежных лабораторий в рамках национального проекта «Наука».
— В нашем коллективе шесть перспективных молодых кандидатов наук, — говорит заведующий лабораторией доктор химических наук Дмитрий Бронин. — Не отстают и аспиранты: недавно сотрудникам молодежной лаборатории Алене Лесничевой, Анне Ходимчук и Максиму Плеханову назначены стипендии Правительства РФ. Максим стал еще и стипендиатом Президента России, а Алена и Анна получили стипендии губернатора Свердловской области. Первые аспиранты М.В. Ананьева Андрей Фарленков и Евгений Тропин подготовили свои диссертации, тематика которых тесно связана с физической химией и электрохимией оксидных материалов, используемых в разрабатываемых устройствах.
На первом этапе инновационного проекта планируется создать небольшой портативный генератор мощностью до 100 Вт. Его еще называют «розеткой в поле». Это простое и надежное устройство с относительно низкими температурами эксплуатации, а значит, более долгим временем жизни топливного элемента.
В ближайшие два года будут изготовлены первые опытные образцы протонкерамических топливных элементов, работающих как на водороде, так и на углеводородном топливе. В 2021 г. планируется начать опытное производство при участии партнеров из АО «ГК ИнЭнерджи».
Е. Понизовкина
