Эксπир
Регистрация / Вход

Разработка и создание опытно-промышленного производства энергетических установок на топливных элементах (твердополимерных и твердооксидных) для автономной, резервной и аварийной энергетики

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.526.11.6006
Организация
ФГУП "ЦНИИ СЭТ"
Руководитель работ
Аваков Вениамин Богданович
Продолжительность работ
2007 - 2009, 26 мес.
Бюджетные средства
232 млн
Внебюджетные средства
108 млн

- создание и постановка на опытно-промышленную эксплуатацию образцов энергоустановок на топливных элементах (ТПТЭ) и (ТОТЭ), в диапазоне мощностей от 5 до 100 кВт для стационарного применения
- создание базы, обеспечивающей испытание и производство опытно-промышленных партий (до 10 штук в год) образцов энергоустановок на топливных элементах (ТПиТЭ).

Этапы проекта

1
10.08.2007 - 15.11.2007
Разработан и выпущен промежуточный научно технический отчет «Разработка и создание опытно-про.лышленного производства энергетических установок на топливных элементах (твердополимерных и твёрдооксид-ных) для автономной резервной и аварийной энергетики» в 2-х частях № Э.НВЭ.4 - 045 с приложениями.
Разработаны технические предложения по модульной энергоустановке с твердополимерными топливными элементами (ТПТЭ) мощностью до 10 кВт для автономной (децентрализованной), резервной и аварийной энергетики, работающей на природном газе и воздухе, включая: пояснительную записку, схемы комбинированные принципиальные «ЭТГ-10 мощностью 10 кВт. Вариант 1 с селективной очисткой от СО» и «ЭТГ-10 мощностью 10 кВт. Вариант 2 с диффузионной очисткой конгаза», расчетное обоснование базовых схем ЭТГ-10 мощностью 10 кВт, чертежи основного оборудования ЭТГ-10, в том числе, батареи топливных элементов (БТЭ), модуля БТЭ, конденсатора-увлажнителя воздуха.
Разработана КД на макеты отдельных элементов, узлов и оборудования - для проверки распределения водорода в анодном пространстве, для проверки распределения воздуха в катодном пространстве, для проверки распределения воды во внутреннем объеме БХК, для проверки надежности узлов уплотнения ТЭ, для проверки блоков САУ и К и на стенды для их испытаний.
Изготовлены упомянутые выше макеты и стенды для их испытаний.
Разработано ТЗ на создание модуля ЭУ на базе отечественного мем-бранно-электродного блока с твердополимерным электролитом, электродными материалами с наноразмерной структурой с повышенными электрохимическими характеристиками.
Разработаны предварительные материалы к проекту бизнес плана, включающие прогнозную оценку основных тенденций развития в области разработки и внедрения ТЭ различных типов.
Разработано техническое предложение на опытную ЭУ с твердооксид-ными топливными элементами (ТОТЭ) мощностью до 5 кВт для станций катодной защиты Р111-М853ПЗ.
Разработано техническое предложение на макет демонстрационной установки с ТОТЭ, работающей на биогазе и воздухе, Р111-М854ПЗ.
Изготовлены и смонтированы макет модуля ТОТЭ Р111-М844.010-01 и испытательный стенд Р111-М844.010М, предназначенные для проведения ресурсных испытаний.
В выполнении работ по государственному контракту участвуют предприятия Федерального агентства по промышленности. Федерального агентства по атомной энергии, высшие учебные заведения Федерального агентства по образованию, институты Российской Академии Наук.
Заключены договора с соисполнителями: ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ, ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», ИК им. Г.К. Борескова СО РАН, АНО «РУСДЕМ-Энергоэффект», СПбГМТУ и им выплачены авансы.
Для выполнения обязательств по государственному контракту на этапе 1 привлечены внебюджетные средства в размере 7 000 000 рублей.
В результате выполнения работ по этапу 1 достигнут ряд программных индикаторов в объеме, достаточном для достижения плановых показателей за 2007 год в целом.
Развернуть
2
16.11.2007 - 31.12.2007
Аннотация
работ, выполненных на отчетном этапе 2 государственного контракта
№ 02.526.11.6006 от 10.08.2007 г.
по теме: «Разработка и создание опытно-промышленного производства
энергетических установок на топливных элементах (твердополимерных и
твердооксидных) для автономной, резервной и аварийной энергетики»

Работа посвящена разработке и созданию опытно-промышленного производства вы-сокоэффективных, экологически чистых энергетических установок на твердополимерных (ЭУ с ТПТЭ) и твердооксидных (ЭУ с ТОТЭ) топливных элементах, конкурентоспособных на рынках энергетического оборудования (источников энергии) для автономной, резервной и аварийной энергетики как по отношению к зарубежным аналогам, так и по отношению к традиционным источникам электрической и тепловой энергии.
Получены следующие результаты:
1 Выполнен эскизный проект электротеплогенератора (ЭТГ-10) мощностью до 10 кВт, работающего на природном газе и воздухе, в двух вариантах исполнения принципиаль-ных схем ЭУ, отличающихся способом очистки водородсодержащего газа (конгаза) в топ-ливном процессоре:
- с очисткой конгаза на ступенях среднетемпературной (СТК) и низкотемпературной (НТК) конверсии и селективным окислением СО (вариант 1);
- с диффузионной очисткой водорода из осушенного конгаза в выносном диффузион-ном отделителе (ДОВ), установленном после реактора СТК CO
(вариант 2).
Проведены расчеты энергетической эффективности, тепловых и массовых балансов обоих вариантов схем.
В проекте применены новые технические решения, обеспечивающие уровень тепло-энергетической и электроэнергетической эффективности энергоустановки, не уступающий зарубежным аналогам.
В частности:
- за счет специального профилирования и выбора формы полостей реагентов (анодной и катодной) мембрано-электродного блока (МЭБ) топливного элемента обеспечивается рав-номерность распределения указанных сред по соответствующим поверхностям при аэроди-намическом сопротивлении трактов, не превышающем
500 Па, позволяющая достичь плотности мощности ТЭ на уровне около 240 мВт/см2 и элек-трического КПД не менее 35 %;
- предложено специальное устройство, включение которого в состав ЭУ позволит ис-ключить необходимость подачи извне в энергоустановку в ходе эксплуатации значительного количества воды высокой чистоты (до 500 кг/сутки) и добиться величины общего КПД ЭУ (электричество + тепло) на уровне
80 - 85 %.
Проведены патентные исследования материалов проекта, выявившие патентоспособ-ные решения.
2 Разработаны программы-методики испытаний макетов:
- для проверки распределения воздуха в катодном пространстве;
- для проверки распределения водорода в анодном пространстве;
- для проверки распределения воды во внутреннем объеме биполярной холодильной камеры (БХК);
- для проверки надежности узлов уплотнения ТЭ;
- для проверки блоков системы управления (САУ и К).
В подтверждение оптимальности принятой конструкции водородо-воздушного ТЭ, для которого принципиальное значение имеют соотношения геометрических размеров ка-тодных, анодных и водяных камер и каналов, а также способы организации распределения газовых и водяных потоков по их рабочим объемам, проведены испытания соответствующих макетов узлов ТЭ, показавшие удовлетворительные результаты. В частности, при допусти-мой неравномерности распределения сред
10 %, указанная неравномерность для катодного пространства составляет не более 6 %.
3 Выполнен эскизный проект модуля ЭУ на базе отечественного МЭБ с повышенны-ми характеристиками, разрабатываемого РНЦ «Курчатовский институт». Расчетные оценки характеристик модуля ЭУ, проведенные с учетом данных, представленных этим Институтом, показали, что они не ниже значений, предусмотренные техническим заданием, и составляют:
- по мощности не менее 0,6 кВт;
- по КПД не менее 35…40 %.
4 Разработано ТЗ на проектирование опытно-промышленного производства (ОПП). Показано, что при реализации требований, заложенных в указанном ТЗ, создаваемое ОПП позволит обеспечить ежегодный выпуск ЭУ с ТПТЭ партиями до
10 штук в соответствии с требованиями технического задания на НИОКР.
5 Разработаны эскизные проекты энергоустановок мощностью до
5 кВт для станций катодной защиты (КТЭ-5) и работающей на биогазе
  (БГЭУ-5). В материалах проектов показано, что принятые схемно-конструктивные решения обеспечат достижение заданных характеристик создаваемых образцов ЭУ, в том числе, дос-тижение значения КПД на уровне 30…35 %.
6 Разработан эскизный проект модуля ТОТЭ с повышенными характеристиками. По-казано, что за счет применения способа последовательного соединения топливных элемен-тов, позволяющего значительно уменьшить коммутационные потери, и организации раз-дельного выхлопа из анодной и катодной полостей, обеспечивается достижение плотности мощности до 400 мВт/см2, против около 120 мВт/см2, заложенных в эскизных проектах КТЭУ-5 и БГЭУ-5.
7 В целях подтверждения ресурсных характеристик ЭУ с ТОТЭ разработана програм-ма длительных испытаний макета модуля ТОТЭ мощностью около 500 Вт. Проведены на стенде ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ испытания модуля до наработки 500 ч.
Испытания показали:
- продолжительность первоначального разогрева модуля составляет около
24 часов;
- в ходе испытаний наблюдалось некоторое снижение характеристик батарей на 4 – 20 % при тенденции к замедлению темпа снижения характеристик, что позволяет прогнозиро-вать выполнение требований ТЗ на НИОКР для ЭУ с ТОТЭ в части электроэффективности в течение всего заданного ресурса.

Объем выполненных работ и полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ и календарного плана.


Руководитель работ
Директор-главный конструктор
направления водородной энергетики
ФГУП «ЦНИИ СЭТ» В.Б. Аваков
Развернуть
3
01.01.2008 - 31.07.2008
Получены следующие результаты:
1 Выполнен технический проект электротеплогенератора (ЭТГ-10) электрической мощностью до 10 кВт, работающего на природном газе и воздухе, в варианте с очисткой конгаза на ступенях среднетемпературной паровой конверсии СО с последующим метаниро-ванием СО.
В подтверждение техпроекта проведены расчеты энергетической эффективности, теп-ловых и массовых балансов. Расчетами подтверждено значение электрического КПД ЭУ на уровне не менее 30,5 %, что отвечает требованиям ТЗ.
В техническом проекте развиты и апробированы новые технические решения, зало-женные на стадии эскизного проекта, обеспечивающие уровни теплоэнергетической и элек-троэнергетической эффективности энергоустановки, не уступающие и даже превосходящие зарубежные аналоги.
В частности:
- за счет специального профилирования и выбора формы полостей топливного эле-мента (анодной и катодной) для прохода реагентов обеспечивается равномерность распреде-ления указанных сред по соответствующим поверхностям при аэродинамическом сопротив-лении трактов, не превышающем 500 Па, позволившая экспериментально достигнуть на ма-кете полномасштабного ТЭ плотности мощности 240 мВт/см2, что превышает аналогичные показатели, получаемые зарубежными фирмами-разработчиками ТЭ;
- предложено специальное устройство (увлажнитель-осушитель), включение которого в состав ЭУ позволяет исключить необходимость подачи извне в энергоустановку в ходе эксплуатации значительного количества воды высокой чистоты (до 500 кг/сутки) и добиться величины общего КПД ЭУ (электричество+тепло) на уровне 82 %, что удовлетворяет требо-ваниям ТЗ.
2 Разработаны и изготовлены макеты отдельного оборудования и систем ЭТГ-10 и стенды для их испытаний. Проведены испытания макетов, экспериментально подтверждены основные технические решения, реализованные в техническом проекте, и подтверждена дос-тижимость технических параметров ЭТГ-10, заданных в ТЗ.
3 Выполнен технический проект модуля ЭУ на базе отечественного МЭБ с повышен-ными характеристиками, разрабатываемого с участием РНЦ «Курчатовский институт». Рас-четные оценки характеристик модуля ЭУ, проведенные с учетом данных, представленных этим Институтом, и первые результаты испытаний изготовленных по отечественной техно-логии МЭБ, показавших достаточно высокие характеристики, а именно 0,43 В при 1 А/см2 и 0,63 В при 500 мА/см2, показали реальную достижимость предусмотренной в ТЗ рабочей плотности до до 1 А/см2.
Развернуть
4
01.08.2008 - 31.12.2008
На основании анализа научно-технической информации, прогнозной оценки тенденций развития технологий ЭУ с ТЭ и анализа потенциальных рынков ЭУ с ТЭ было обосновано, что наиболее перспективны с точки зре-ния их коммерческого использования стационарные автономные энергоуста-новки на основе низкотемпературных ЭУ с ТПТЭ и высокотемпературных ЭУ с ТОТЭ в диапазоне мощностей 5 – 100 кВт. В качестве базовых созда-ваемых опытных образцов ЭУ к разработке были предложены ЭУ с ТПТЭ – ЭТГ-10, электрической мощностью 10 кВт и ЭУ с ТОТЭ – КТЭ-5 и БГЭУ-5 электрической мощностью до 5 кВт. Указанные предложения были реализо-ваны в техническом задании на выполнение НИОКР и приняты к разработке.
Развернуть
5
01.01.2009 - 30.06.2009
Изготовлен опытный образец модульной энергоустановки с ТПТЭ мощностью до 10 кВт для автономной (децентрализованной), резервной и аварийной энергетики, работающей на природном (баллоном) газе и воздухе и базирующейся на серийной технологии изготовления.Выполнен монтаж стендов и опытного образца и проведены пуско-наладочные работы.Проведены пуско-наладочные работы и введено в строй опытно-промышленное производство ЭУ с ТПТЭ. Изготовлен опытный образец модуля ЭУ на базе отечественного МЭБ с повышенными характеристиками.Изготовлен опытный образец ЭУ с ТОТЭ мощностью до 5 кВт для станции катодной защиты. Изготовлен демонстрационный образец ЭУ мощностью до 5 кВт, работающей на биогазе.Выполнен монтаж стендов для испытаний опытного и демонстрационного образцов ЭУ с ТОТЭ и проведены пуско-наладочные работы.Изготовлен опытный образец модуля ТОТЭ с повышенными характеристиками нового поколения.
Развернуть
6
01.07.2009 - 31.10.2009
Проведены предварительные испытания опытного образца и его доработка по результатам испытаний. Разработана программа приемочных испытаний и осуществлен вызов комиссии.Проведены приемочные испытания, откорректирована документация по результатам испытания с присвоением литеры «О1».Начата опытно-промышленная эксплуатация опытного образца.Проведены предварительные испытания опытного образца и произведена его доработка по результатам испытаний. Разработана программа приемочных испытаний и осуществлен вызов комиссии.Проведены приемочные испытания, откорректирована документация по результатам испытаний с присвоением литеры «О1».Проведены испытания демонстрационного образца.Проведены испытания модуля ТОТЭ с повышенными электрохимическими характеристиками.Начата опытно-промышленная эксплуатации опытного образца.
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
Разработка и создание опытно-промышленного производства энергетических установок на топливных элементах (твердополимерных и твёрдооксидных) для автономной резервной и аварийной энергетики
Продолжительность работ
2007 - 2009, 26 мес.
Бюджетные средства
240 млн
Количество заявок
2
Тема
Создание нового поколения энергоустановок на основе твердооксидных топливных элементов.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
18 млн
Количество заявок
3
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 технологий автономных и резервных источников энергии на основе необратимых и регенерируемых генераторов водорода и топливных элементов
Продолжительность работ
2007 - 2008, 15 мес.
Бюджетные средства
24 млн
Количество заявок
5
Тема
Разработка опытно-промышленных образцов установок, устройств и оборудования для квартирной и общедомовой утилизации вторичных энергетических ресурсов в массовом жилищном строительстве.
Продолжительность работ
2012 - 2013, 18 мес.
Бюджетные средства
115 млн
Количество заявок
4