| Аннотация |
ООО "НИЦ "ТОПАЗ" разрабатывает компактные энергоустановки на основе микротрубчатых ТОТЭ, которые являются устройствами высокоэффективной генерации энергии путем электрохимического окисления органического топлива и предназначены для длительного автономного энергоснабжения носимой аппаратуры, мобильной робототехники и малого транспорта, наземной инфраструктуры БАС, телекоммуникационного оборудования и систем мониторинга, оборудования вдольтрассовых объектов магистральных продуктопроводов, в особенности, в удаленных районах и районах со сложными климатическими условиями; и в целом предназначены для обеспечения основного и вспомогательного энергоснабжения широкого спектра обслуживаемых и необслуживаемых объектов, в том числе, специального назначения.
Для энергоснабжения компактных систем связи и навигации, удаленных и труднодоступных объектов, аппаратуры на продуктопроводах и станций катодной защиты трубопроводов требуются энергоустановки мощности: 30 Вт - 3 кВт. Этот типоряд можно сформировать из ЭХГ, включающих унифицированные модули ТОТЭ. Единичный ТОТЭ состоит из 3-х основных компонентов: катода и анода, разделенных плотной мембраной – электролитом.
В н.в. считается [1,2], что производительность ТОТЭ лимитируется высоким поляризационным сопротивлением катодного функционального слоя (воздушного электрода), особенно при снижении рабочей температуры до 650-700 °С, а также высоким омическим сопротивлением катодного токосъемного слоя (токового коллектора). Поляризационные потери на электродах связаны с затрудненностью протекания реакции восстановления кислорода. Омические потери, в свою очередь, определяются природой электропроводности оксидных материалов, значения которой на 1-2 порядка ниже, чем для металлических проводников, используемых в анодных слоях ТОТЭ.
Для предстоящего массового распространения новейших электрохимических генераторов на основе технологии микротрубчатых ТОТЭ необходимо предусмотренное настоящим проектом создание эффективных высокотемпературных токовых коллекторов, которые должны быть стойкими к окислительной (на катоде ТОТЭ) и восстановительной (на аноде ТОТЭ) атмосферам при рабочих температурах до 900°С (без существенной деградации и увеличения внутреннего электрического сопротивления) и обладать высокой электронной проводимостью в сочетании с совместимым коэффициентом линейного температурного расширения с керамическими оксидными материалами ТОТЭ (YSZ, LSFC, BSCF, GDC) и отсутствием побочных химических реакций с ними. Дополнительно необходимо создание и новых материалов катода (воздушного электрода) и оптимизация анодного материала.
Основная научная задача проекта - разработка новых электропроводных композитных материалов "керамика-металл" (керметов), с защитными покрытиями и без таковых, и технологий их изготовления и последующего нанесения на неплоскую поверхность (с применение аддитивных технологий), что в целом позволит создать стойкие к высокотемпературным воздействиям проводящие композитные материалы (взамен проволочных металлических коллекторов) для различных нужд промышленности, а оптимизированные методы их производства будут также пригодны для иных схожих классов материалов.
Результатом первых двух лет выполнения проекта будет повышенный ресурс работы новейших российских электрохимических генераторов на основе микротрубчатых ТОТЭ не менее 20 тысяч часов для прототипа (вдвое превышает лучшие мировые разработки на основе трубчатых ТОТЭ), который также не будет сокращаться при циклах "старт-стоп" (что не обеспечивает ни один аналог за рубежом, в т.ч. среди перспективных); с потенциалом увеличения до 90 тысяч часов (при последующем повышении качества изготавливаемых материалов через 4 года от начала выполнения проекта).
В части создания прототипов продукции проект предусматривает создание:
- батареи микротрубчатых ТОТЭ с ресурсом работы до 20 тыс.ч., включающая в себя промежуточные результаты проекта в части синтеза и получения материалов токовых коллекторов и электродов, с выходной мощностью не менее 100 Вт для компактной энергоустановки;
- модуля батареи микротрубчатых ТОТЭ с ресурсом работы до 90 тыс.ч., включающая в себя итоговые результаты проекта в части синтеза и получения материалов токовых коллекторов и электродов, с выходной мощностью не менее 400 Вт для стационарной энергоустановки.
Софинансирование проекта со стороны квалифицированного заказчика будет направлено на:
- выполнение технического проекта по разработке энергоустановок: компактной 100 Вт и стационарной до 2 кВт (с прототипами батареи ТОТЭ повышенной удельной мощности и увеличенным ресурсом);
- изготовление макетного образца энергоустановки 400 Вт нового типа и проведение его испытаний;
- изготовление пилотного образца энергоустановки до 2 кВт и проведение его стендовых и натурных испытаний.
Реализация проекта позволит значительно расширить сферы применения автономных экологичных энергоустановок на основе ТОТЭ, использующих природный газ и другие виды углеводородного топлива, путем формирования микроэнергосистем удаленных и изолированных территорий, зон децентрализованного энергоснабжения, в том числе домохозяйств, коммерческих, социальных и инженерных объектов малой мощности за счет увеличения ресурса и повышения надежности одновременно со снижением себестоимости. Это повысит энергетическую безопасность России и отдельных её территорий, включая Арктику, а также позволит расширить экспортный потенциал продукции (автономных энергоустановок) в страны-участники БРИКС+, Азии, Ближнего Востока, Северной Африки и обеспечить технологическое лидерство России в секторе микроэнергетики.
Рынок компактных и автономных источников энергообеспечения на основе топливных элементов растет. Драйверами являются: потребности в автономном и резервном электропитании распределенной информационной инфраструктуры, повышение электрификации на рынке домохозяйств, развитие малого электротранспорта и беспилотных авиационных систем, снижение затрат потребителей на энергообеспечение, и даже тренд на фрактальную экономику. Для РФ также актуально быстрое развертывание автономной инфраструктуры при освоении новых территорий (в т.ч. Арктики), обеспечение электроснабжения объектов распределенной газовой инфраструктуры, мобильные пункты жизнеобеспечения при устранении последствий катаклизмов или пункты обогрева и связи вдоль федеральных трасс, повышения связности территорий, в т.ч., для обеспечения автономного энергоснабжения наземной инфраструктуры беспилотных авиационных комплексов в рамках Нацпроекта «БАС». Вышеуказанное формирует запрос на создание надежных автономных источников электроэнергии и тепла, как стационарных, так и компактных, работающих на распространенных видах органического топлива. Альтернативных решений, удовлетворяющих требованиям надежного и малообслуживаемого автономного энергоснабжения, не зависящего от климатических воздействий, на рынке не представлено.
|
