Эксπир
Регистрация / Вход

Электролизные системы получения водорода из воды с твердым полимерным электролитом

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.526.11.6002
Продолжительность работ
2007 - 2009, 29 мес.
Бюджетные средства
145 млн
Внебюджетные средства
62 млн

Разработка высокоэффективных и производительных электролизных систем с твердым полимерным электролитом для водородной энергетики (создание водородной инфраструктуры), обеспечивающих получение водорода высокой чистоты (более 99,99%) при давлении до 13,0 МПа. Выпуск техдокументации, создание опытного образца производительностью 10 нм3/час. и проведение полного цикла испытаний

Соисполнители

Организация
АНО "КИТ КИ"
Организация
ОИЯИ
Организация
ОАО "Пластполимер"
Организация
ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ"

Этапы проекта

1
14.05.2007 - 31.08.2007
В научно-техническом отчете представлены результаты работ по 1 этапу государственного контракта от "14" мая 2007 г. N 02.526.11.6002 «Электролизные системы получения водорода из воды с твердым полимерным электролитом» и дополнительного соглашения №1 к этому контракту.
Цель работы - Разработка высокоэффективных и производительных электролизных систем с твердым полимерным электролитом для водородной энергетики (создание водородной инфраструктуры), обеспечивающих получение водорода высокой чистоты (более 99,99%) при давлении до 13,0 МПа.
Проведены аналитические исследования по технологиям электролизных систем получения водорода из воды с ТПЭ.
Исследованы технологии изготовления смешанных оксидных электрокататализаторов кислородного электрода на основе рутения, иридия и неплатиновых металлов (титан, олово, тантал и др.) с уменьшенным расходом металлов платиновой группы. Они позволяют в несколько раз снизить расход металлов платиновой группы, увеличить ресурс и, даже, несколько повысить рабочие плотности тока. Простым и перспективным с точки зрения промышленного применения методом синтеза является метод термического разложения солей.
Исследованы технологии изготовления неплатиновых катодных электрокатализаторов. Сделан вывод о перспективности использования палладия и композиций (сплавов, смесей) на его основе, в том числе сплавов с платиной, в электрокатализаторах на водородном электроде электролизеров с твердым полимерным электролитом. Среди перспективных используемых методов синтеза следует выделить физические (магнетронно-ионное напыление и т.п.), а также химические (восстановление в водной фазе) без использования ПАВ.
Исследованы технологии изготовления газоплотной мембраны. Проведен выбор и обоснование принятого направления исследований и разработки технологий изготовления газоплотных мембран.
Исследованы технологии изготовления бипористых коллекторов тока на основе титана и углеграфитовых материалов. Перспективным материалом для использования в качестве коллекторов тока электролизеров с ТПЭ является пористый титан. Перспективной технологией формирования пористого титана с оптимальными параметрами является распыление жидкого металла, в результате чего могут быть сформированы частицы неправильной формы с открытой пористостью до 50% при достаточной механической прочности материала. В частности, для работы при плотностях тока 1 А/см2 могут быть рекомендованы коллекторы тока ассиметричной конструкции с достаточно большим размером пор (50-100 мкм) с тыльной стороны, обращенной к биполярной пластине, и порами меньшего размера (15-25 мкм на аноде и 10-15 мкм на катоде) на стороне, контактирующей с электрокаталитическим слоем. В качестве катодных коллекторов тока возможно использование углеродных материалов в виде ткани или бумаги.
Исследованы технологии защиты конструкционных материалов (биполярных пластин, коллекторов тока) от окисления и наводороживания. Сделано предварительное заключение о целесообразности выбора материалов для элементов электролизной ячейки. Для анодной стороны используются материалы на основе титана (коллектор тока из пористого титана, титановая вставка для биполярной пластины, или титановое покрытие биполярной пластины) с дополнительной поверхностной защитой от окисления и графитовая биполярная пластина с поверхностной защитой от окисления. Для катодной стороны используется коллектор тока из пористого углеграфитового материала с поверхностной защитой от окисления.
Исследованы технологии изготовления встроенных каталитических дожигателей водорода. Наиболее перспективным катализатором для решения задачи обеспечения внешней водородной безопасности электролизной установки является каталитический элемент на основе ВПЯМ. Для обеспечения внутренней водородной безопасности электролизной установки предполагается использовать каталитическое покрытие на пористых элементах коллекторов тока, а также поверхностях конструкционных элементов (биполярных пластин, внутренних газовых каналов).
Разработана математическая модель процессов тепло и массопереноса в МЭБ и электролитической ячейке. Получены базовые уравнения переноса, описывающие двухфазные процессы в электролитической ячейке. Проанализированы основные особенности работы электролизных элементов при высоких давлениях. Показано, что газопроницаемость мембран может значительно понизить выход по току. Показано, что основным средством повышения эффективности электролиза является увеличение газоплотности и толщины мембраны, а также перенос электрохимических реакций в сторону ГДС. Это может быть достигнуто увеличением протонной проводимости и уменьшением электронной проводимости каталитических слоев
Разработана технологическая схема электролизного модуля. Проведены выбор и обоснование конструктивных решений и основных материалов. Выпущено «Техническое обоснование выбора конструктивных решений и основных материалов электролизного модуля высокого давления». разработано «Техническое задание на проведение поверочных прочностных расчетов электролизного модуля высокого давления».
Разработаны принципиальная и компоновочная схемы электролизной системы. Проведено компьютерное моделирование компоновочной схемы. Разработаны технические задания на «Разработку и оптимизацию системы поддержания теплового баланса автономной электролизной установки высокого давления» и на «Проведение разработки, изготовления и поставки каталитических рекомбинаторов (дожигателей) диффузионных примесей кислорода и водорода в продуцируемых газах применительно к электролизной установке высокого давления».
Выработаны основные требования к экспериментальной стендовой установке и помещениям для ее размещения. Проведена привязка к имеющимся площадям в РНЦ «Курчатовский институт». Разработано техническое задание на работы, выполняемые АНО «КИТ КИ» по инженерному обеспечению помещений для размещения экспериментальной стендовой и опытной электролизной установок.
Разработана концепция методов измерения параметров электрокатализаторов на основе использования рентгеновского и нейтронного излучений. Разработаны методы контроля материалов для технологий изготовления смешанных оксидных электрокатализаторов кислородного электрода с уменьшенным расходом металлов платиновой группы и изготовления неплатиновых катодных электрокатализаторов.
Проведено развитие приборной и исследовательской базы, приобретено исследовательское оборудование и конструкционные материалы.
Проведены патентные исследования по технологиям и конструктивным решениям электролизных систем получения водорода из воды с ТПЭ.
В работах по проекту участвовали молодые ученые и специалисты (15 человек), проведшие аналитические исследования по технологиям компонентов МЭБ.
Развернуть
2
01.09.2007 - 07.12.2007
В научно-техническом отчете представлены результаты работ по 2 этапу государственного контракта от "14" мая 2007 г. N 02.526.11.6002 «Электролизные системы получения водорода из воды с твердым полимерным электролитом» и дополнительного соглашения №1 к этому контракту.
Цель работы - Разработка высокоэффективных и производительных электролизных систем с твердым полимерным электролитом для водородной энергетики (создание водородной инфраструктуры), обеспечивающих получение водорода высокой чистоты (более 99,99%) при давлении до 13,0 МПа.
Проведена разработка математической модели процессов тепло- и массопереноса в электролизной установке и соответствующего программного обеспечения. На основании разработанной математической модели проведены численные расчеты характеристик полномасштабного интегрированного МЭБ для опытной электролизной установки.
Разработаны ключевые технологии для создания электролизной установки:
- изготовления смешанных оксидных электрокататализаторов кислородного электрода с уменьшенным расходом металлов платиновой группы;
- изготовления неплатиновых катодных электрокатализаторов;
- изготовления газоплотной мембраны;
- изготовления бипористых коллекторов тока на основе титана и углеграфитовых материалов;
- защиты конструкционных материалов (биполярных пластин, коллекторов тока) от окисления и наводороживания;
- изготовления встроенных каталитических дожигателей водорода.
По разработанным технологиям выпущены соответствующие Технологические инструкции.
Проведены измерения физико-химических характеристик электрокатализаторов. Методом рентгеновской дифракции произведена аттестация образцов платиновых, палладиевых, платино-палладиевых и смешанных оксидных катализаторов типа IrO2/RuO2/SnO2. На основе полученных методом рентгеновской дифракции данных можно с большой степенью точности определить структуру образцов, а также средний размер нанодисперсной фазы, что позволяет оперативно контролировать характеристики электрокатализаторов на различных стадиях их производства.
Проведено развитие приборной и исследовательской базы, приобретено исследовательское оборудование и конструкционные материалы.
Разработана проектная документация и технология изготовления интегрированных многослойных мембранно-электродных блоков. Выпущена Технологическая инструкция по изготовлению интегрированных МЭБ. Изготовлен макетный образец полномасштабного МЭБ с рабочей площадью 250 см2.
Разработана конструкторская документация на экспериментальный образец электролизного модуля производительностью 2,5 м3 водорода в час и экспериментальную стендовую установку.
Изготовлены узлы и блоки экспериментальной стендовой установки.
Разработана документация на оборудование стендовых помещений для размещения эскпериментальной и опытной электролизных установок на площадке РНЦ «Курчатовский институт».
Разработан бизнес-план по коммерциализации электролизных установок.
В работах по проекту участвовали молодые ученые (15 человек), принявшие участие в разработке технологий компонентов МЭБ и экспериментальных исследованиях.
Развернуть
3
01.01.2008 - 31.07.2008
Разработаны методы контроля материалов для технологий:
- изготовления смешанных оксидных электрокататализаторов кислородного электрода с уменьшенным расходом металлов платиновой группы;
- изготовления неплатиновых катодных электрокатализаторов;
- изготовления газоплотной мембраны;
- изготовления бипористых коллекторов тока на основе титана и углеграфитовых материалов;
- защиты конструкционных материалов (биполярных пластин, коллекторов тока) от окисления и наводороживания;
- изготовления встроенных каталитических дожигателей водорода.
Разработаны схематические решения, проведен анализ и выбор оптимального типоразмерного ряда электролизных энергоустановок модульной конструкции производительностью 10 нм3/час водорода.
Разработаны и оптимизированы технологии создания основных узлов и блоков электролизной установки (электролизной батареи, разгружного корпуса, газовых сепараторов).
Проведены испытания макетного образца интегрированного МЭБ.
Изготовлен экспериментальный образец электролизного модуля.
Изготовлена экспериментальная стендовая установка.
Разработана конструкторская документации на опытный образец электролизной установки.
Развернуть
4
01.08.2008 - 31.12.2008
Краткое описание выполненных работ:
Проведены испытания экспериментального электролизного модуля.
Проведено изготовление узлов и блоков опытного образца электролизной установки, включая опытный образец электролизного модуля.
Подготовлены предложения по международным научно-техническим проектам.
Развернуть
5
01.01.2009 - 31.05.2009
Разработаны электролизеры, работающие при высоких (до 13,0 МПа) давлениях и обеспечивающие получение высокочистого (более 99,99%) водорода, предназначены для применения в системах децентрализованного производства водорода, производства водорода на атомно-водородных комплексах, обеспечения водородом парогенераторов турбин, станций водородной заправки автотранспорта, энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии, а также ряда технологических процессов.
Развернуть
6
01.06.2009 - 31.10.2009
Разработанная научно-техническая продукция может быть применена в системах децентрализованного производства водорода, производства водорода на атомно-водородных комплексах, обеспечении водородом парогенераторов турбин, станциях водородной заправки автотранспорта, энергоустановках на основе возобновляемых источников энергии, а также для ряда технологических процессов (полупроводниковая промышленность, волоконная оптика, пищевая промышленность, нефтехимия, атомная энергетика и т.д.).Разработанная научно-техническая продукция позволит успешно решить задачи по развитию водородной энергетики (экономики), а также по созданию новых эффективных технологий децентрализованного производства водорода и позволяет существенно упростить задачу хранения и транспортировки водорода, а в ряде случаев и решить ее полностью.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

2.6 Осуществление комплексных проектов, в том числе разработка конкурентоспособных технологий, предназначенных для последующей коммерциализации в области энергоэффективности, энергоснабжения и ядерной энергетики
Тема
Электролизные системы получения водорода из воды с твердым полимерным электролитом
Продолжительность работ
2007 - 2009, 29 мес.
Бюджетные средства
150 млн
Количество заявок
4
Тема
Разработка научно-технических решений по созданию обратимых топливных элементов с твердым полимерным и твердым оксидным электролитом, создание и испытание лабораторных образцов модулей обратимых топливных элементов мощностью 0,5 кВт
Продолжительность работ
2008 - 2009, 17 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка процессов электролиза воды при сверхвысоких давлениях на основе твердого полимерного электролита с участием научных организаций Испании.
Продолжительность работ
2009 - 2010, 16 мес.
Бюджетные средства
4 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка научно-технических основ технологии создания металлогидридных блоков очистки водорода для систем водородного охлаждения турбогенераторов.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 14 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка технологий генодиагностики и генотерапии рака и выпуск опытных образцов тест-наборов и генно-клеточных противоопухолевых вакцин
Продолжительность работ
2008 - 2010, 29 мес.
Бюджетные средства
155 млн
Количество заявок
1