| Название НИОКТР |
Разработка способа импульсной активации мембранно-электродного блока низкотемпературного топливного элемента
|
| Аннотация |
Среди наиболее перспективных видов источников энергии выделяются топливные элементы, масштабирование мощности и энергоемкости которых для задач потребителей возможно без существенного изменения технологии производства. Преимуществом топливных элементов является отсутствие выбросов углекислого газа в их месте использования при работе на водородном топливе. Широкое применение топливных элементов может способствовать не только удовлетворению глобальных потребностей в энергии, но и решению экологических проблем. Особое внимание уделяется низкотемпературным топливным элементам (НТЭ), поскольку они имеют высокую удельную мощность и быстрое время запуска.
Системы энергопитания на основе НТЭ потенциально могут заменить двигатели внутреннего сгорания на транспорте, а также накопители энергии для стационарных приложений, что будет способствовать не только удовлетворению глобальных потребностей в энергии, но и решению экологического кризиса в мире. Наиболее важные проблемы, с которыми сталкивается производители и пользователи НТЭ – стоимость, производительность и долговечность таких систем.
Активация в заданных условиях — ключевой процесс, обеспечивающий достижение оптимальных выходных характеристик вновь изготовленных батарей низкотемпературных топливных элементов. Изначально их производительность, как правило, недостаточна для практического применения из-за ряда факторов, включая загрязнение примесями на этапе производства. Однако продолжительность активации, зависящая от конструкции мембранно-электродного блока (МЭБ) и применяемых методик, может составлять от нескольких часов до нескольких суток. Это не только приводит к повышенному расходу реагентов, но и снижает общую эффективность производства. Стратегия активации должна обеспечивать не только достижение максимальной мощности за минимальное время, но и не оказывать негативного влияния на долговечность топливного элемента. Комплексный характер различных факторов усложняет анализ, поэтому понимание механизмов активации позволит разработать более эффективные протоколы и оптимизировать конструкцию топливных элементов.
Таким образом, целью данного проекта является разработка стратегии обеспечения быстрой и неразрушающей активации мембранно-электродного блока низкотемпературного топливного элемента.
Наиболее прогрессивной, но и наиболее сложной в реализации является импульсная активация, при которой применяется циклическое воздействие тока, превышающего максимальный рабочий ток на 30% с определённым рабочим циклом. Этот метод обеспечивает быстрое улучшение эксплуатационных характеристик за счёт оптимизации трёхфазных границ и увеличения эффективной площади катализатора, но требует тщательного подбора параметров во избежание деградации материалов. Динамическое изменение тока в процессе активации мембранно-электродного блока вызывает колебания напряжения, что индуцирует электрохимические процессы на поверхности катализатора. Изменения потенциала запускают реакции окисления/восстановления, которые выполняют две ключевые функции: (1) модифицируют поверхностную структуру каталитического слоя, повышая его активность, и (2) преобразуют гидрофобные углеродные отложения (сажу) в гидрофильные соединения. Данный эффект сочетается с гидратирующим действием воды, образующейся в ходе электрохимических реакций, что в совокупности приводит к значительному улучшению характеристик МЭБ.
Активация коротким замыканием технологически упрощенный случай более общей стратегии — активации сильноточными импульсами. Ключевое различие между ними заключается в системе управления. В то время как для реализации сильноточного импульса требуется программируемая электронная нагрузка, позволяющая точно задавать профиль тока, метод короткого замыкания технически реализуется посредством простого переключателя и дополнительного проводника, что существенно упрощает конструкцию стенда и снижает капитальные затраты. Оба метода эксплуатируют режимы работы с экстремально высокой плотностью тока, недостижимой при штатной работе топливного элемента. С точки зрения управляемости процессом, методы кардинально различаются: при коротком замыкании ток и напряжение носят неконтролируемый, саморегулируемый характер, определяемый в основном омическим сопротивлением цепи, тогда как при использовании электронной нагрузки ток принудительно задается, что, в свою очередь, может индуцировать опасный реверс напряжения в отдельных ячейках батареи НТЭ. Несомненным преимуществом короткого замыкания является высокая скорость активации, ведущая к значительной экономии реагентов и операционных затрат.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, а именно:
- Провести анализ современного состояния способов активации мембранно-электродного блока низкотемпературного топливного элемента;
- Исследовать влияние токов большой плотности в области малых напряжений мембранно-электродного блока на скорость активации и стабильность рабочих низкотемпературного топливного элемента;
- Разработать быстрый и неразрушающий способ активации мембранно-электродного блока низкотемпературного топливного элемента.
|
| Доступ к ОКОГУ исполнителя |
False
|
| Количество связанных РИД |
0
|
| Количество завершенных ИКРБС |
0
|
| Сумма бюджета |
1400.0
|
| Дата начала |
2025-06-20
|
| Дата окончания |
2025-12-30
|
| Номер контракта |
075-15-2025-112
|
| Дата контракта |
2025-03-29
|
| Количество отчетов |
1
|
| УДК |
621.351
|
| Количество просмотров |
23
|
| Руководитель работы |
Фаддеев Никита Андреевич
|
| Руководитель организации |
Пузин Владимир Сергеевич
|
| Исполнитель |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (НПИ) ИМЕНИ М.И. ПЛАТОВА"
|
| Заказчик |
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
|
| Федеральная программа |
Отсутствует
|
| Госпрограмма |
Фундаментальные и поисковые научные исследования
|
| Основание НИОКТР |
Соглашение (государственный/муниципальный контракт)
|
| Последний статус |
2025-12-16 08:29:46 UTC, 2025-12-16 08:29:46 UTC
|
| ОКПД |
Нет
|
| Отраслевой сегмент |
—
|
| Минздрав |
—
|
| Межгосударственная целевая программа |
—
|
| Ключевые слова |
водород; регенерация; Топливный элемент; мембранно-электродный блок; отравление CO
|
| Соисполнители |
—
|
| Типы НИОКТР |
Разработка новых материалов, научно-методических материалов, продуктов, процессов, программ, устройств, типов, элементов, услуг, систем, методов, методик, рекомендаций, предложений, прогнозов
|
| Приоритетные направления |
—
|
| Критические технологии |
—
|
| Рубрикатор |
44.41.29 - Установки прямого преобразования химической энергии в электрическую
|
| OECD |
—
|
| OESR |
Электрохимия (сухие элементы, батареи, топливные элементы, коррозионные металлы, электролиз)
|
| Приоритеты научно-технического развития |
б) переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников энергии, способов ее передачи и хранения;
|
| Регистрационные номера |
nioktr: {'id': 'EEARQZHWYOJV3IL3ZQMHTWT5'}; nioktr: {'id': 'I9E75P33W0E726KKBNJ6GJX9'}
|
