INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH №10,2015

38 TECHNICAL SCIENCES УДК541

РАЗВИТИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 

Романов И.Д., Чернышов Е.А., Романова Е.А. Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,

Нижний Новгород, e-mail: nil_st@nntu.nnov.ruВстатьерассмотренаисторияразвитияисовременноесостояниеразработокэнергетическихустановок

наосноветвердооксидныхтопливныхэлементах.Твердооксидныетопливныеэлементыимеютвысокийко-эффициентполезногодействияпрямогопреобразованияхимическойэнергиитопливавэлектричество.Вка-честветопливатвердооксидныетопливныеэлементымогутиспользоватьлюбыеуглеводороды:природныетоплива(уголь,нефть,газ),продуктытехническойдеятельностичеловека,отходыпромышленногопроиз-водства,сельскогохозяйства.Приэтомэлектрохимическое,низкотемпературноесжиганиетопливаповыша-етэкологичностьпроцесса.Однойизактуальныхзадачприменениятопливныхэлементовявляетсясозданиевоздухонезависимойэнергетическойустановкидляподводныхобъектов,какобитаемыхподводныхлодоктак и необитаемых аппаратов. Приведены примеры государственной поддержки научных исследованийвобластитвердооксидныхтопливныхэлементов,атакжекомпаниипроводящиеданныеисследования.

Ключевые слова: энергетическая установка, твердооксидный топливный элементы, воздухонезависимая энергетическая установка

DEVELOPMENT OF POWER STATIONS ON THE BASIS OF SOLID  OXIDE FUEL ELEMENTS

Romanov I.D., Chernyshov E.A., Romanova E.A.Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, Nizhny Novgorod,

e-mail: nil_st@nntu.nnov.ruIn article thehistoryofdevelopment anda current stateofdevelopmentofpower stationson thebasisof

solidoxide fuel elements is considered.Solidoxide fuel elementshavehighefficiencyofdirect transformationof chemical energy of fuel to electricity.As fuel solid oxide fuel elements can use any hydrocarbons: naturalfuels(coal,oil,gas),productsoftechnicalactivityoftheperson,wasteofindustrialproduction,agriculture.Thuselectrochemical, low-temperatureburningof fuel increasesenvironmental friendlinessofprocess.Oneofactualproblemsofapplicationof fuelelements iscreationof theairindependentpowerstation forunderwaterobjects,asmannedsubmarinesanduninhabiteddevices.Examplesofthestatesupportofscientificresearchesinthefieldofsolidoxidefuelelements,andalsothecompaniestheconductingtheseresearchesaregiven.Keywords:powerstation,solidoxidefuelelements,airindependentpowerstation

Keywords: power station, solid oxide fuel elements, airindependent power station

Первыйтопливныйэлементбылсозданв 1838–1845году Кристианом ФридрихомШенбайномиУильямомРобертомГроувом.Примерностогожевремениизвестендви-гатель внутреннего сгорания изобретенныйНиколаусомОтто,газоваятурбинабылаизо-бретенаДжономБарберомещев1791году.Однакодонастоящеговременираспростра-нение топливных элементов незначительнопо сравнению с тепловыми двигателями.Прорыв был достигнут в 50 – 60годах 20века, когда активно стали развиваться то-пливныеэлементыдляиспользованиявкос-мических программах. Первым подводнымаппаратомнатопливныхэлементахсталсоз-данныйв1974году«DeepQuest».

Существуютнесколькоосновныхтиповтопливных элементов: с протонообменноймембраной(ProtonExchangeMembraneFuelCells);наосновеортофосфорной/фосфор-ной кислоты (Phosphoric Acid Fuel Cells);на основе расплавленного карбоната ли-тияинатрия(MoltenCarbonateFuelCells);с твердооксидным керамическим электро-литом (SolidOxideFuelCells/SOFC);ще-

лочные (Alkaline Fuel Cells); с прямымокислениемметанола(DirectMethanolFuelCells;спрямымокислениемэтанола(DirectЕthanolFuelCells);воздушно-цинковыйТэ(Zinc-AirFuelCells)идр.

Одним из наиболее актуальных, пер-спективных, однако и сложных являетсяSOFC. Комплексное использование хими-ческойитепловойэнергийвданныхэнер-гоустановках позволяют получать КПД до85–90%. SOFC элементы работают притемпературах 650–1000°С, причем могутиспользоватьлюбоеуглеводородноетопли-вопреобразованноевсинтез-газ(Н2–СО)(бензин, дизельное топливо и природныйгаз,биотопливо,торф,продуктыпереработ-ки отходов и водород).Уменьшенные тре-бования к чистоте используемого топливаявляется одним из важных преимуществSOFCпосравнениюсдругимитипамито-пливных элементов. Кроме того, за счетвысокойтемпературы,скоростьпротеканияэлектродных реакций достаточно высокаи не требуется использование дорогостоя-щихкатализаторов.

МЕЖДУНАРОДНЫЙЖУРНАЛПРИКЛАДНЫХ ИФУНДАМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ №10,2015

39 ТЕХНИЧЕСКИЕНАУКИ В настоящее время наиболее часто ис-

пользуемыми материалами для SOFC яв-ляются кислород проводящий диоксидциркония, стабилизированный иттрием(YSZ) – электролит, манганит лантана-стронция (LSM)–катод,никелевыйкермет(Ni+YSZ)–анодихромитлантана,допиро-ванный стронциемили кальцием (LSCилиLCC), – керамический токопроход. Впла-нарныхконструкцияхвпоследнеевремявсечаще используют металлический токопро-ход,какправило,изхромистойстали[1].

По исполнениюфункции механическойпрочностиSOFCделятсянаэлементысне-сущим электролитом, с несущим катодом,снесущиманодом,снесущейкерамическойвысокопористойосновой,снесущимметал-лическимвысокопористымтоковымколлек-тором. Впоследнее время для увеличениякомпактности появились конструкции эле-ментовснесущимиобоимиэлектродами.

Поскольку все компоненты SOFC на-ходятсявтвердомсостоянии,конструкциисамих элементов и устройств из них име-ютбольшоеразнообразие.До80-90хгодовпрошлоговекаихможнобылоразделитьнатригруппы:трубчатые,планарныеиблоч-ные.Позднеесталипоявлятьсяконструкцииэлементов объединяющие положительныесвойства трубчатой и планарной, трубча-тойиблочной.Преимуществотвердогосо-стояния единичного элемента приводит нетолькокмногообразиюегоконструкций,ноикмногообразиюконструкцийстековбата-рейиэнергоустановок.эХГгенераторынаSOFCмогут быть изготовлены вширокомдиапазоне мощностей для использованиявширокомспектреприложений.

В конце 1950-х начале 1960-хгодовисследователи по всему миру начали ра-боты по изучению процессов и разработ-

ке высокотемпературных твердооксидныхустройств с твердым оксидным электро-литом.Сегодня известно, что значительноечисло малых и крупных компаний США,Европы, Японии, Азии и Австралии нахо-дятся в стадии подготовки промышленно-го производства энергоустановок на SOFCразличного назначения, например Siemens,United Technologies, Delphi, Rolls-Royce,Honda,CeresPower,FuelCellEnergy,NexTechMaterials,CeramTec,FuelCellMaterialsидр.Странами-лидерамивэтихработахявляют-сяСША,ЕвросоюзиЯпония.Вкаждойизэтих стран есть система государственнойподдержкиданныхисследованийнапример:SECA в США; Real-SOFC, Flame-SOFC,LargeSOFCидр.вЕС,NEDOвЯпонии.

Примером активной государственнойполитики в коммерциализации твердоок-сидных генераторов на SOFC являютсяСША, где при поддержке правительствасформировался альянс Solid State EnergyConversion Alliance (SECA). целью про-граммыявляетсяразработкаипромышлен-ныйвыпускэнергосистемнаSOFCсудель-ной мощностью не менее 400мВт/см2,деградациейхарактеристикменее1%исто-имостьюнеболее$400/кВт.ТакжеоднаизцелейSECAвобластисистемнауглебыларазработка больших (более 100мегаватт)энергосистеминтегрированныхсгазифика-циейугля.ПервоначальноSECAвключалашесть проектов SOFC наиболее близкихк коммерциализации, разрабатываемыхконкурирующими промышленными ко-мандами:Cummins-SOFCo,Delphi-Battelle,General Electric, Siemens Westinghouse,AcumentricsиFuelCellEnergy(FCE).Суче-томсубконтрактовисследованияподаннойпрограмме было задействовано большеечислокомпаний(рисунок).

Компании участники программы SECA [2]

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH №10,2015

40 TECHNICAL SCIENCES В частности компании Siemens

Westinghouseнаосновеэлементовсобъеди-неннымитреугольнымив сечениитрубкамиполучена удельная мощность 600мВт/см2.Созданыустановки с гарантированнымсро-комслужбынеменее20000часовидеграда-циейхарактеристикоколо0,1%за1000часов.

Компаниями Delphi и FuelCell Energy(FCE) разработаны энергетические уста-новки для применения на автотранспортеи в морских энергетических установках.Включая воздухонезависимые энергетиче-скиеустановкидляподводныхобъектов.

BoingсовместносRolls-RoyceиFCEна-чаларазработкувспомогательнойэнергети-ческойустановкидляисточниковбеспере-бойного питания авиации.Предполагаетсячто к 2017году будут созданы генераторымощностью440кВт.

BloomEnergyCorpв2010годуобъяви-ла,чтоонаперваявышланарыноксэнер-гоустановкаминаосновеSOFCмощностью100кВт.Причемк2012годувСШАнасчи-тывалосьболее1,700 автопогрузчиков, ра-ботающихнатопливныхэлементах.

В Германии работы по разработке ге-нерирующих устройств с твердооксид-ным электролитом были начаты фирмойВВС,позднееприсоединилисьDornier,ЕС,Siemens. энергетические компании и раз-работчики технологий объединили усилиявпрограмме«Callux».Какчастьнациональ-нойинновационнойпрограммыповодород-нымтехнологиямитопливнымэлементам,которая координируетсяNOWGmbH. ВесьжепроектCalluxкоординируетсяцентромСолнечнойэнергиииВодородныхИсследо-ваний (ZSW)[3]. Пример финансируемогопроекта – FlameSOFC объединяет 24 пар-тнераиз11стран.

ВЕвропеоднимизлидероввсозданииэнергосистем на SOFC планарной кон-струкцииявляетсяForschungszentrumJülich(Германия), испытавший устройство мощ-ностью13кВтещёв2004году.В2012годубыладостигнутапродолжительностьрабо-ты40000часов[4].

В Японии в 2009году был запущенпроектENE.FARM.Входе его реализациибыло установлено 3000 комбинированныхустройствнаSOFC (электричество+тепло)для больших зданий и около 40000устройств, установленных в 2012году длядомохозяйств.TokyoGas,OsakaGasиEneosв Японии построили системы, используяSOFCпроизведенныеKyocera Inc.Данныесистемыработаютнаприродномгазеиобе-спечивают эффективность электрическойконверсииприблизительно45–50%.

Комбинированные системы, основан-ныенаэХГ,(электричество+тепло),также

активнопроходятиспытанияизапускаютсявпроизводствовАвстралии,НовойЗелан-дии. Причем, как и японские, австралий-ские системы используют SOFC работа-ющие в диапазоне 750–800C.В2012году25устройствэХГнаSOFCмаркиBlueGen(Ceramic Fuel Cells Ltd., Австралия) былииспользованы для создания первой ком-мерческойвиртуальнойэлектростанциинатопливныхэлементахвГермании.электро-станция является кластером распределен-ных единичных генерирующих устройствэлектроэнергии объединенных узломуправления, что позволяет преодолеть пи-ковыенагрузкииуравновеситьнеустойчи-воеснабжениеответряныхилисолнечныхгенераторов с более высокой эффективно-стью и большей гибкостью, чем крупныецентрализованныеэлектростанции.

ОсобостоитотметитьразработкиКитаяв области SOFC, так например компанияNingbo SOFCMANEnergyTechnologyCo.,Ltd[5]предлагаетнарынкекаккомпонентынеобходимыедляпроизводстваэнергетиче-скихустановокнаосновеSOFC, таки го-товые установки. Разработки данной ком-панииоснованынатехническихрешенияхNingboInstituteofMaterialsTechnologyandEngineeringиChineseAcademyofSciences.

ВСССР начиная с 60-хгодов прошло-го века Институт высокотемпературнойэлектрохимии Уральского отделения РАН(ИВТэ), занимался разработкой твердыхэлектролитов проводящих по ионам кис-лорода, а с начала 70-хгодов – разработ-коймакетов твердооксидных устройств наэтихэлектролитах.этопривелоксозданиюв1989году,высокотемпературногоэлектро-химическогогенераторамощностью1кВт.В2013г.ВИВТэразработан,авООО«За-вод электрохимических преобразователей»(г.Новоуральск) изготовлен эксперимен-тальный образец автономной энергоуста-новки для электропитания станций катод-ной защиты магистральных газопроводов.ВИВТэ в лаборатории твердооксидныхтопливных элементов к 2014году разра-ботаны, изготовлены и испытаны макетыэлектрохимических генераторов на твер-дооксидных топливных элементах мощно-стью100,200,300и1500Вт.

ВГосударственномнаучномцентреРФФизико-энергетический институт им. ака-демика А.И.Лейпунского разрабатываласьпланарная конструкция SOFC с использо-ваниемкакYSZэлектролитатакиэлектро-литанаосновецериядляработыприпони-женных температурах.При700°СудалосьполучитьКПДдо50%,при950°Снаеди-ничныхэлементахбыладостигнутамакси-мальнаяудельнаямощность700мВт/см2.

МЕЖДУНАРОДНЫЙЖУРНАЛПРИКЛАДНЫХ ИФУНДАМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙ №10,2015

41 ТЕХНИЧЕСКИЕНАУКИ Начиная с конца 80годов прошлого

века работы по разработке энергосистемна основе SOFC проводятся в Российскомфедеральномядерномцентре–Всероссий-ском научно-исследовательском институ-те технической физики имени академикаЕ.И.Забабахина (ВНИИТФ,г. Снежинск).Разработки велись по всем конструктив-ным разновидностям SOFC (трубчатая,планарная, блочная)мощностью1-2,5кВт.В2005г. в ВНИИТФ был изготовлен мо-дульбатарейSOFCдлясистемкатоднойза-щиты газопроводов. В2009г. были прове-деныиспытанияэнергоустановкинаSOFC.Генераторвырабатывалэлектричествовте-чение8800часов,чемподтвердилгаранти-рованныйсрокслужбы.

В 2003году президент РАН академикЮрий Осипов и генеральный директор –председательПравленияГМК«Норильскийникель»МихаилПрохоровподписалиГене-ральноесоглашениеосотрудничествемеж-дуРоссийскойакадемиейнаукикомпанией«Норильскийникель»вобластиводороднойэнергетики и топливных элементов. Былаучреждена национальная инновационнаякомпания «Новые энергетические проек-ты»,котораянепосредственносинститута-миРоссийскойАкадемиинаук занималасьразработкойопытно-промышленнойтехно-логии производства топливных элементовиводородныхгенераторовнааналогичныхэлементах[6].

В работе[7] показано положение делв области исследований и производстваSOFCвРоссии.ВчастностивТомскомПо-литехническом Университете планируетсяизготовление и испытания опытного об-разца батареи SOFCмощностью до 6кВт.Договор на выполнениеНИОКР заключенв октябре 2013года.Планируемое оконча-ниеработ–декабрь2015года.

В2009годуМРСКУралапровелакон-курсинновационныхпроектоввсфереэнер-госбережения.ОднимизпобедителейсталпроектУральскогоОтделенияРАНиООО«центр промышленных нанотехнологий»(Екатеринбург), цель которого в созданиипроизводстваустановокнабазеSOFC.

Одним из направлений примененияSOFC является создание воздухонезависи-мыхэнергетическихустановок(ВНэУ)[8].Так филиалом «центрального научно-ис-следовательского института судовой элек-тротехники и технологии» ФГУП «Кры-ловский государственный научный центр»впервые в отечественной практике былпредложен и реализован ряд техническихрешений[9].СовместносИВТэУрОРАНиспытан макетный образец сборки SOFCмощностьюдо1кВтипредложенаконцеп-

циякомбинированнойэУ,включающейпо-мимоSOFCтурбогенераториутилизацион-ныйтеплообменник.

ВцКБ«Рубин»ведетсяразработкапро-екта малой подводной лодки «Амур-950»сВНэУнабазетопливныхэлементовоте-чественного производства.энергетическаямощностьустановкисущественновышеза-рубежных аналогов (схожие проекты естьвГермании,ШвециииФранции)–400кВтпротив180кВт.ВНУэпозволяетобойтисьбез резервуаров с чистым водородом, по-сколькуонвырабатываетсянепосредствен-но из дизельного топлива. Ожидается чтоданнаяподводнаялодкаокажетсяконкурен-тоспособнанавнешнемрынкевооружений,одним из требований которого являетсяоснащение современных подводных лодокВНэУ[10,11].

В программе фундаментальных науч-ных исследований государственных акаде-мийнаукна2013–2020годыоднойиззадачзначится разработка электрохимическихгенераторовбольшоймощностина основетвердооксидныхтопливныхэлементов[12].

Также два проекта разработки энерго-установок с использованием топливныхэлементоввключилвсвоюсреднесрочнуюцелевуюпрограммуФондподдержкинауч-ной,научно-техническойиинновационнойдеятельности «энергия без границ». Пер-вый из них – «Создание высокоэффектив-ныхэкологическичистыхгибридныхПГУнаприродномгазенабазетвѐрдооксидныхтопливных элементов», которые направ-лены на разработку гибридных станцийкласса электрической мощности от сотенкиловатт до десятков мегаватт. Другой –«Создание экспериментального образцабиоэнергетического модуля на базе высо-котемпературного топливного элементаэлектрическоймощностью5кВт»–ставитцельюразработкумалыхкомбинированныхэлектрогенерирующих блоков, для обеспе-ченияэлектроэнергиейитепломудаленныепоселкиипредприятия.

В рамках «Программы мегагрантов»создана лаборатория электрохимическихустройств на твердооксидных протонныхпроводниках под руководством циакарасаПанайотиса.Крометогоподаннойпрограм-мевобластиSOFCвРоссииработаютещѐ3 лаборатории: в институте Теплофизикиим.С.С.КутателадзеСОРАНлаборатория«Новыхэнергетическихтехнологийиэнер-гоносителей» под руководством ЙошиюкиКавазое; в Томском политехническом уни-верситете в международной научно-об-разовательной лаборатории технологииводородной энергетики под руководствомТорстейннаСигфуссона;винститутефизи-

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH №10,2015

42 TECHNICAL SCIENCES китвердоготелаРАНлабораторияматериа-ловдляэлектрохимическихтехнологийподруководствомВладиславомХартоном.

Отдельного упоминания стоит инициа-тиваУральскойПромышленной компании,объявившейсебясамостоятельнымигрокомнароссийскомрынкегенераторовнаSOFC.Компания зарегистрирована как резидентИнновационного центра Сколково, вошлав фонд «Сколково» с проектом «Созданиеэнергоустановки на твердооксидных то-пливных элементах для станций катоднойзащиты нефтегазового сектора и линейкиустановок для других отраслей народно-гохозяйства».КонечнаяцельООО«УПК»поданномупроектуэтосозданиепромыш-ленного производства энергоустановок наSOFC. Ожидается, что крупносерийныйвыпускначнетсяв2015году.

ЗаключениеВ различных лабораториях мира ве-

дется поиск новых твердых электролитовиразработкаэкономическидоступныхпле-ночных технологий с целью дальнейшегоувеличения эффективности SOFC. Рассма-триваютсянаправлениярасширенияареалаSOFC, для их использования в различныхобластях: от миниатюризированных SOFCмалой мощности для применения в элек-тронной технике до батарей SOFC длятранспортаиспецприменений.

Список литературы

1.ЛипилинА.С.ТОТэиэнергосистемынаихоснове:состояние и перспективы// электрохимическая энергети-ка.–2007.–Т.7,№2.–С.61–72.

2.URL:http://www.gwpc.org/3.URL:http://www.f-cell.de/4.URL:http://www.plansee.com/5.URL:http://sofcman.com/6.Национальная инновационная компания «новые

энергетическиепроекты»//Международныйнаучныйжур-налальтернативнаяэнергетикаиэкология.–2007.–№2.–С.13–20.

7.Твердооксидные топливные элементы: проблемы,путирешения,перспективыразвитияикоммерциализации(Аналитический обзор)// ФГБНУ «Научно-исследователь-скийинститут–Республиканскийисследовательскийнауч-но-консультационныйцентрэкспертизыМосква,2015.

8.РомановА.Д.,ЧернышовЕ.А.,РомановаЕ.А.Срав-нительный обзор и оценка эффективности воздухонезави-симыхэнергетическихустановокразличныхконструкций//Современные проблемы науки и образования. – 2013. –№6.–С.67.

9.ВасильевВ.А.,РомановИ.Д.,РомановаЕ.А.,Рома-новА.Д.История развития подводных лодок с воздухоне-зависимымиэнергоустановкамивРоссиииСССР//ТрудыНГТУим.Р.Е.Алексеева.–2012.–№4(97).–С.192–201.

10.РомановА.Д.,ЧернышовЕ.А., РомановаЕ.А.Со-временныемалыеподводныелодки //Современныенауко-емкиетехнологии.–2014.–№3.–С.68–71.

11.РомановаЕ.А.,РомановА.Д.,ЧернышовЕ.А.Оцен-ка экспортного потенциала неатомныхподводных лодок //Вооружениеиэкономика.–2015.–№1(30).–С.99–105.

12.Программа фундаментальных научных исследо-ваний государственных академий наук на 2013-2020годыhttp://ibch.ru.