Историческая справка

Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН был создан по решению Президиума АН СССР в декабре 1957 года на базе лаборатории электрохимии расплавленных солей, возглавляемой профессором М.В. Смирновым, выросшей на традициях уральской научной школы электрохимиков. Открытие нового академического учреждения, специализирующегося в области изучения свойств материалов при высоких температурах, послужило толчком для расширения и углубления исследований термодинамики и кинетики электродных процессов в системах ионный расплав-металл, а также всестороннего изучения совершенно новых тогда объектов – твердых электролитов. На полустёршихся архивных страницах исторического для института документа еще можно увидеть программу фундаментальных исследований, направленных на решение проблем электрохимического производства новых материалов, подготовки и переработки ядерного топлива и радиоактивных материалов, высокопроизводительных электрохимических источников тока:

• исследование электрохимических процессов при высоких температурах, включая изучение физико-химических свойств солевых расплавов
• выяснение механизма и кинетики электродных процессов на границе между металлами или полупроводниками (окислы, карбиды) и расплавами
• электролитическое получение тугоплавких металлов из расплавов
• усовершенствование существующих и разработка новых электрохимических способов производства, а также рафинирования ряда редких и малых металлов (циркония, титана, бериллия, тория, тантала и других)
• исследования по высокотемпературным химическим источникам тока с жидкими и твердыми электролитами
• систематические исследования по проблеме топливного элемента с целью выяснения возможности практического использования таких источников тока
• изучение коррозионных процессов при высоких температурах, особенно в расплавленных электролитах

Эта программа не потеряла своей актуальности и поныне, поскольку связана с разработкой научных основ новых перспективных технологий, имеющих стратегическое значение для обеспечения экономической и технологической независимости России.

Маленький, но чрезвычайно работоспособный коллектив, состоявший к моменту организации института всего из 18 человек, положил начало академической научной школы с четко сформулированным направлением исследований: физическая химия и электрохимия расплавленных и твердых электролитов. В настоящее время в Институте работает 230 человек, около 150 из которых непосредственно занимаются исследованиями в 6 научных подразделениях. Круг их интересов и задач включает весь спектр базовых разделов электрохимии, начиная с исследований фундаментальных проблем электрохимической термодинамики, кинетики электродных процессов, свойств электролитов и межфазных границ, коррозии и защиты материалов, теории источников тока до создания научных основ новых электрохимических технологий и устройств технологий и устройств.

Выдающиеся ученые и организаторы науки профессор М.В. Смирнов, член-корреспондент АН СССР С.В. Карпачев, академик А.Н. Барабошкин, в разное время возглавлявшие Институт, заложили фундамент развивающихся направлений исследований и обеспечили решающий вклад научного коллектива в современную высокотемпературную электрохимию.

Профессор  М.В. Смирнов	Член-корреспондент АН СССР  С.В. Карпачев	Академик РАН  А.Н. Барабошкин

Наиболее существенен вклад ученых ИВТЭ УрО РАН в фундаментальные знания о расплавленных и твердых электролитах и высокотемпературных электрохимических процессах, включая:

• теоретические основы современной высокотемпературной физической химии и электрохимии расплавленных и твердых электролитов
• принципы и реализация электрохимических методов получения и физико-химической диагностики новых материалов различного функционального назначения, эксплуатирующихся в жестких условиях агрессивных сред и высоких температур
• научные основы ресурсосберегающих, безопасных для природы и человека электрохимических технологий переработки неорганического сырья, а также высокотемпературных устройств с расплавленными и твердыми электролитами, обеспечивающих прямое и наиболее рациональное превращение химической энергии в электрическую

Научные результаты, полученные в лабораториях Института, в значительной степени определяют современные представления о процессах, протекающих в расплавленных и твердых электролитах и на их границах с металлами и полупроводниками. Среди важнейших достижений следует отметить:

• разработана и экспериментально подтверждена автокомплексная модель солевых расплавов, учитывающая энергетическую неравноценность одноименных ионов. Сформулированы основные положения явления комплексообразования в смесях солей, уточнившие понятие “идеальности” применительно к ионным системам, что позволило с единых позиций прогнозировать как термодинамические, так и транспортные свойства расплавов
• развита теория процессов переноса в ионных кристаллах, токообразования на межфазной границе твердого электролита с металлом
• предложен алгоритм синтеза твердых ионных и смешанных ионно-электронных высокотемпературных проводников
• установлено и детально изучено свойство расплавленных сред, находящихся в контакте с электронным проводником, приобретать окислительно-восстановительный потенциал, присущий этому проводнику
• при измерениях равновесных электродных потенциалов десятков металлов в расплавах установлено существование соизмеримых долей их ионов различных степеней окисления. Обнаружено, что скорости катодного осаждения и анодного растворения металлов и сплавов в этих средах определяются диффузией, затруднения в актах ионизации и перезаряда в электрохимических реакциях отсутствуют, а сами процессы идут в условиях, близких к равновесным
• выяснена роль катионов щелочных металлов в процессе коррозии и явлении бестокового переноса металлов и неметаллов. Установлена электрохимическая природа коррозии металлов и сплавов в расплавах солей, её количественной характеристикой могут служить величины стационарных потенциалов. Сформулированы принципы защиты материалов от коррозии
• разработаны научные основы электрокристаллизации металлов, сплавов и химических соединений из ионных расплавов, найдены условия формирования зародышей, катодных осадков определенной структуры, обнаружено фазовое перенапряжение при электровыделении
• сформулированы и реализованы принципы функционирования ряда электрохимических систем преобразования энергии, получения чистых водорода и кислорода, количественного анализа различных газовых сред

Группа ведущих ученых Института за цикл работ “Разработка основ физической химии и электрохимии расплавленных электролитов” была удостоена в 1988 г. Государственной премии СССР.

Лауреаты Государственной премии – сотрудники ИВТЭ УрО РАН Сидят (слева направо): М.В. Смирнов, И.Н. Озеряная, Н.А. Салтыкова, В.Н. Некрасов, В.Я. Кудяков; стоят (слева направо): В.А. Хохлов, А.Н. Барабошкин, В.П. Степанов, Л.Е. Ивановский, Н.Г. Илющенко

Фундаментальные основы электрохимии твердых электролитов и высокотемпературных преобразователей энергии заложили видные ученые: член-корреспондент С.В. Карпачев, доктора наук С.Ф. Пальгуев, Г.К. Степанов, В.Н. Чеботин, М.В. Перфильев, Л.Д. Юшина, Е.И. Бурмакин, Э.Х. Курумчин, С.И. Сомов, кандидат химических наук А.Д. Неуймин, Б.Л. Кузин, В.П. Горелов и др.

Результаты фундаментальных исследований определили области их практического применения:

1. производство новых материалов с заданными свойствами для машиностроения, включая авиа- и ракетостроение, электроники, энергетики, синтетической химии и других отраслей промышленности, каталитические аспекты использования твердых и расплавленных электролитов
2. электрохимическая энергетика, связанная с протеканием окислительно-восстановительных реакций в электрохимических системах с расплавленными и твердыми электролитами (первичных источниках тока, аккумуляторах, топливных элементах и электролизерах для получения водорода и риформинга природных топлив), обеспечивающих прямое и наиболее рациональное превращение химической энергии в электрическую
3. технологии глубокой переработки природного и техногенного сырья с использованием нетрадиционных (электрохимических) методов, включая подготовку ядерного горючего и переработку радиоактивных отходов

В качестве примеров готовых к использованию технологических решений, связанных с производством новых материалов, следует отметить:

• способ подготовки поверхности труднодеформируемых материалов для процессов холодной деформации металлов и сплавов глубокой вытяжки, штамповки, многопереходного короткоправочного волочения, производства крепежных изделий методом холодной высадки головок и накатки резьбы, в узлах трения механизмов. Она заключается в нанесении на нержавеющую сталь хорошо сцепленной с основой “металлической смазки” из меди, олова или цинка. Производство по новой технологии метизов из нержавеющей стали повышает производительность труда в 10-25 раз. Коэффициент использования металла увеличивается до 95-98%. Трудоемкость снижается в 8-10 раз
• упрочняющие, износостойкие боридные покрытия на деталях машин, инструментах и штампах, повышающие срок службы изделий в 2-5 и более раз

Холодная деформация металлов с использованием “металлической смазки”	Износостойкие боридные покрытия на деталях машин, инструментах и штампах

• коррозионностойкие цинковые покрытия стальных изделий сложной формы, инструмента и деталей машин , получаемые без наводораживания
• высокоэмисионные формоустойчивые материалы на основе поверхностных сплавов тугоплавких металлов с редкоземельными и трансурановыми металлами для электронной техники
• способ получения металлической ваты, имеющей высокую удельную поверхность для каталитической переработки и синтеза органических соединений
• новая технология получения высокоэффективных титановых анодов с диффузионным марганцевым покрытием для электролитического производства двуокиси марганца
• технология низкотемпературного синтеза мелкодисперсных порошков карбидов тугоплавких металлов
• технология получения порошковых магнитотвердых, магнитомягких, нержавеющих, легированных сплавов
• метод высокотемпературной гальванопластики изготовления изделий из тугоплавких металлов, таких как молибден, вольфрам, рений, иридий. Эти металлы являются одними из самых электроположительных и поэтому при электролизе их солей химический состав металлического осадка очень однороден. По своей химической чистоте полученные изделия (тигли для выращивания кристаллов сапфира и полупроводников, фольга для масс-спектрометров, паллеты для спекания таблеток оксидного топлива атомных электростанций и др.) близки к монокристаллам, благодаря чему обладают высокой пластичностью и длительным сроком эксплуатации в отличие от изделий, изготовленных методом спекания металлических порошков

Образцы изделий из молибдена, вольфрама и рения, полученные методом гальванопластики

Впечатляющие перспективы открывают ведущиеся в Институте более сорока лет систематические исследования в области высокотемпературной электрохимической энергетики. Электрохимический способ преобразования энергии имеет ряд решающих преимуществ перед традиционными методами переработки природных топливных ресурсов, используемыми в “большой” энергетике. Это, например, возможность промышленного производства электрохимических устройств различной мощности от сотен ватт до десятков мегаватт, позволяющая оптимально удовлетворить требования потребителей энергии в соответствии с мировыми тенденциями автономного и локального энергопотребления и повышения надежности энергетических аппаратов. В электрохимических устройствах химическая энергия преобразуется в электрическую, минуя промежуточную стадию сжигания органического топлива с получением тепла, а затем электричества. Так как преобразование тепла в работу в этих устройствах отсутствует, их КПД, и теоретически и практически, выше, чем у теплоэнергетических установок. Это видно из приведенной ниже диаграммы:

дизельгенератор фосфорнокислый топливный элемент газовая турбина топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом (РКТЭ) топливный элемент с твердым оксидным электролитом (ТОТЭ) гибридная газотурбинная установка с высокотемпературными топливными элементами (РКТЭ или ТОТЭ)

• Коэффициент полезного действия различных способов преобразования химической энергии природного топлива в электрическую

На базе полученных экспериментальных результатов в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН разрабатываются:

• топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (РКТЭ)
• твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) с кислород- и протонпроводящими электролитами
• высокотемпературные электролизеры (ВЭ) для разложения воды, которые в сочетании с топливными элементами представляют значительный интерес для решения проблем водородной энергетики
• высокотемпературные твердооксидные конвертеры (ВТОК) для получения водорода путем электрохимической конверсии горючих газов
• резервные (разогревные) химические источники тока (РХИТ) с высокими удельными значениями энергии и мощности
• высокотемпературные литиевые аккумуляторы (ВЛА)
• электрохимические сенсорные устройства (ЭС) для анализа состава газовых сред, позволяющие повысить эффективность сжигания природного топлива в теплоэнергетических и металлургических аппаратах
• высокотемпературные солевые аккумуляторы тепла (САТ)

Эти работы обретают второе дыхание в связи с разработкой Федеральной программы по “водородной экономике” и реализацией совместной “Комплексной программы по водородной энергетике и топливным элементам”, принятой Российской академией наук и ОАО “Норильский никель”.

Для практического использования топливные элементы (РКТЭ и ТОТЭ) собираются в батареи различной мощности от сотен ватт до десятков мегаватт в зависимости от требований потребителя. Эти батареи являются “сердцем” электрохимических генераторов (ЭХГ) и электрохимических энергетических установок (ЭУ), которые, собственно говоря, и являются конечным продуктом (товаром) высокотемпературной электрохимической энергетики, основанной на использовании топливных элементов. ЭХГ и ЭУ – довольно сложные аппараты, включающие, кроме электрохимических батарей, вспомогательное оборудование. Последнее состоит из теплообменников, конвертора ископаемого топлива (каталитического или электрокаталитического риформера природного газа или газификатора угля или органических отходов промышленности и жизнедеятельности человека), дожигателя неизрасходованного топлива (или системы регенерации топлива – отделения водорода от продуктов сгорания), компрессоров для подачи компонентов окислителя (воздуха), автоматики, поддерживающей нужный температурный режим и согласующей потребляемую мощность с подачей топлива и составляющих окислителя в зависимости от мощности топливных элементов, вида топлива, специфических требований различных потребителей электрической и тепловой энергии и т.д.. Вспомогательные (периферийные) устройства могут иметь разные инженерные решения и их стоимость меняется в широких пределах. Для энергоустановок киловаттного класса стоимость периферийных устройств составляет 60-80 и более % от общей стоимости установок, для аппаратов мегаваттного класса затраты на вспомогательное оборудование будет меньше 50 % общей стоимости электростанции.

Действующие макеты электрохимического генератора на основе твердооксидных топливных элементов и электролизера для разложения паров воды, разработанные и изготовленные в ИВТЭ УрО РАН

Важно подчеркнуть, что для высокотемпературных топливных элементов, работающих на легких углеводородах (метане, пропане), можно отказаться от внешнего конвертора как отдельного устройства. Преобразование топлива происходит непосредственно в батарее топливных элементов, что позволяет сбалансировать тепло, выделяемое при экзотермической реакции окисления водорода и потребляемое при эндотермической реакции риформинга метана, а также значительно упрощает и удешевляет энергетическую установку.
Высокотемпературные электрохимические генераторы на основе топливных элементов с твердыми оксидными и расплавленными карбонатными электролитами сами по себе могут рассматриваться в качестве перспективных электростанций различной мощности и назначения. Особенно заманчиво и выгодно использовать их в удаленных районах России, куда линии электропередачи от крупных электростанций (ГЭС, ТЭЦ, АЭС) прокладывать либо экономически нецелесообразно из-за больших потерь энергии, либо невозможно из-за природных условий. Мировые тенденции энергопотребления свидетельствуют о все возрастающей роли автономных электростанций на базе топливных элементов в энергоснабжении городов, загородных поселков и домов, в качестве самостоятельных и резервных источников электричества, обеспечивающих надежность и бесперебойность работы станций катодной защиты газо- и нефтепроводов от коррозии, городских инфраструктур, банков, информационных центров, больниц, аварийных служб, служб спасения и т.п.

Высокотемпературные электролизеры (ВЭ), в которых внешний электрический ток используется для разложения паров воды электрохимическим способом, в сочетании с топливными элементами представляют значительный интерес для решения проблем водородной энергетики. В них электрический ток потребляется для получения наиболее энергоемкого топлива – чистого водорода. В будущих гибридных энергетических установках, включающих любой из видов существующих или разрабатываемых электростанций, использующих энергию атома, солнца, ветра и др., высокотемпературные электролизеры с твердым оксидным электролитом в сочетании с электрохимическими генераторами на основе топливных элементов являются наиболее перспективными экономичными и безопасными системами обратимого хранения энергии.

Важным и практически значимым направлением исследований Института являются научное обоснование и разработка новых технологий глубокой переработки природного и техногенного сырья с использованием нетрадиционных (электрохимических) методов. В частности, были предложены и испытаны в лабораторных условиях способы получения высокочистого свинца (теплоносителя) с содержанием контролируемых примесей менее 1×10-4 мас. % для опытного атомного реактора нового поколения БРЕСТ-ОД-300, удаления материала оболочки ТВЭЛа в процессе регенерации отработанного ядерного топлива; обоснована новая технологическая схема его переработки с использованием металло-солевых многофазных систем.

Особое значение имеют работы, связанные с алюминиевой промышленностью. Замена традиционных углеродсодержащих анодов металлическими или оксидными, на которых будет в основном выделяться кислород, приведёт к существенному улучшению условий труда в электролизных цехах, к прекращению выбросов в окружающую среду экологически вредных веществ (угарного газа, фреонов, полициклических углеводородов и др.). Кроме того, согласно проведенным оценкам возможен и экономический выигрыш за счёт снижения себестоимости тонны алюминия примерно на 15%.

Опробованы в укрупненных масштабах ресурсосберегающие технологии переработки свинецсодержащих пылей медеплавильных заводов и аккумуляторного лома с целью получения свинца и его сплавов, модифицирования алюминий-кремниевых сплавов (силуминов) сплавов в солевых расплавах (совместно с Институтами металлургии и физики металлов УрО РАН), диффузионного цинкования различных метизов.
Большинство практических разработок Институт проводит в рамках кооперации с ведущими предприятиями и организациями России. Среди них ТК «ТВЭЛ» (Ростатом), ФГУП “РФЯЦ – ВНИИЭФ», ФГУП «РФЯЦ – ВНИИТФ им. академика Е. И. Забабахина», НИЦ «Курчатовский институт», ОАО «УЭХК», ОАО «ГНЦ НИИАР», ОАО «СвердНИИхиммаш», ОАО «Чепецкий механический завод», ОАО «Соликамский магниевый завод», ООО «УГМК», ОАО «Уралэлектромедь» и др.

В рамках международного сотрудничества институт связан с рядом научных учреждений и фирм. В основе взаимоотношений лежит стремление партнеров использовать большой опыт Института в области высокотемпературной электрохимии, высокую профессиональную квалификацию сотрудников, развитую экспериментальную базу исследовательских лабораторий.

Залогом будущей успешной деятельности Института является поддержка государства, поиск новых форм сотрудничества с промышленными предприятиями, научно-исследовательскими центрами и высшими учебными заведениями России, усиление деловых контактов с зарубежными партнерами.