На права рукопи

ах иси

Киселев И

К Илья Вла

адимиров

вич

ПО

ОВЫШШЕНИЕ ЭНЕР

Е РГЕТИ

ИЧЕСК ОЙ

ЭФФ

ФЕКТИВНОСТ ТВЕРДОО

ТИ ОКСИДДНЫХ

ТОП

ПЛИВННЫХ ЭЛ

ЛЕМЕННТОВ

И ОБО

ОСНОВВАНИЕ ИХ ПРИМЕ

Е П ЕНЕНИ ДЛЯ

ИЯ Я ЭНЕ

ЕРГОСН ЖЕНИЯ ПОТР

НАБЖ РЕБИТЕЕЛЕЙ

МАЛОЙ МОЩ

М Й ЩНОСТТИ

С Специальн ность 05. 14.01 – «Э Энергетич ческие си истемы и к комплекс сы»

АВТ

ТОРЕФЕ

ЕРАТ диссертации на соискани ученой степени ие й кандидат технических нау та ук Мо осква - 20 г.

Работа выполлнена на кафедре «Хими и элек а е ия ктрохими ическая энергетик э ка»

Национал Н льного ис сследоват тельского универс о ситета Московско М ого энерг гетическо ого института и а.

Научный руководи Н итель: до ктор техн нических наук, про офессор Неефедкин Сергей Иванович И ч пр рофессор кафедры «Химия и электро к охимическкая эне ергетика» ФГБОУ ВПО На » У ациональн иссле ный едоват тельский универсиитет «Мос сковский энергети ически инстит ий тут»

Официаль О ьные оппоненты: до ктор техн нических наук, проофессор Ведущая организац А-409 на заседан

ГБОУ ВППО

«НИУ МЭ по ад С диссерт Отзывы н автореф просим на п аправлять по адрес 11125 0, г. Моск ул. Красноказ Ученый С У Совет ФГББОУ ВПО «НИУ М Авторефе Ученый с У секретарь диссерта к.т.н., доц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С развитием малой энергетики и децентрализованного энергоснабжения у потенциальных потребителей растет интерес к схемам энергоснабжения на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

В настоящее время энергоустановки на основе ТОТЭ рассматриваются как одни из самых перспективных среди установок малой мощности (от 1 до 50 кВт). Такие установки имеют целый ряд преимуществ перед традиционными дизельными генераторами (ДГ), газотурбинными (ГТУ) и газопоршневыми установками (ГПУ).

В ТОТЭ при температурах 800 – 950°С происходит прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую энергию постоянного тока. Это определяет высокую энергетическую эффективность энергоустановок на базе технологии ТОТЭ (электрический к.п.д. более 50 %), высокие скорости протекания электродных реакций. При этом, могут быть реализованы высокие значения удельной мощности. Важно, что при рабочих температурах ТОТЭ нивелировано влияние каталитических ядов. Толерантность к чистоте используемого топлива является одним из важных преимуществ ТОТЭ по сравнению с другими типами топливных элементов. В качестве топлива, кроме технического водорода, здесь могут быть использованы любые углеводороды, преобразованные в синтез-газ (Н2 – СО), а также отходы жилищно-коммунального хозяйства, сельского хозяйства и лесопереработки, преобразованные в биогаз. Такие энергоустановки не имеют в своем составе движущихся элементов, что предотвращает их преждевременный износ и необходимость использования расходных материалов (например, масел).

Энергоустановки на базе ТОТЭ, например, при использовании в домохозяйствах, сами могут генерировать необходимое количество электроэнергии с высокой энергетической эффективностью. При этом, можно использовать, как привозное топливо, так и централизованное (магистральный природный газ). Таким образом, потребитель может быть независим от централизованных электрических сетей или продавать излишки электроэнергии в сеть при ее наличии. Кроме, того, высокопотенциальная тепловая энергия, попутно получаемая при работе энергоустановок на базе ТОТЭ, может быть использована для подогрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения. Такой способ энергоснабжения лежит в концепции распределенной энергетики, когда генерация и потребление электроэнергии локализована в одном и том же месте.

За рубежом активно ведутся работы по совершенствованию ТОТЭ. Мировые лидеры в области ТОТЭ фирмы Delphi Corporation, Siemens Energy, Fuel Cell Energy Inc., Rolls-Royce, Bloom Energy, Staxera концептуально разными путями вплотную подошли к созданию коммерческих энергоустановок на ТОТЭ с высокими эксплуатационными характеристиками. В России технология ТОТЭ продвигается лишь в нескольких научных центрах (в частности, в Институте высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН, в Институте Электрофизики УрО РАН (ИЭФ), в институте проблем химической физики РАН, г. Черноголовка. Наибольший вклад в развитие технологии ТОТЭ внесли работы российских ученых: Карпачева С.В., Чеботина В.Н., Липилина А.С., Перфильева М.В., Демина А.К., Бредихина С.И., Коровина Н.В. Кроме того, расчетами гибридных установок с ТОТЭ занимались Седлов А.С., Буров В.Д., Славнов Ю.А.

Для условий применения технологии ТОТЭ в России, обладающей конкурентными преимуществами перед другими странами в добыче и использовании природного газа, необходимо рассмотреть и обосновать преимущества, которые дает технология ТОТЭ для энергоснабжения потребителей малой мощности, использующих природный газ.

Несмотря на достигнутые успехи в технологии ТОТЭ, остается и требует решения ряд проблем. В частности, эффективность работы ТОТЭ во многом определяется конструкцией топливного элемента, составом катализаторов и твердого электролита, методами их изготовления, правильной организацией процесса генерации электрической энергии. Моделирование процессов работы ТОТЭ позволяет находить параметры, при которых топливный элемент работает наиболее эффективно, сократить при этом долю трудоемкой экспериментальной работы в общем объеме научных исследований.

В последние годы было разработано большое количество математических моделей для трех типов ТОТЭ (трубчатая, планарная и монолитная). Модели позволяют описывать транспорт реагентов в зону реакции, оптимизировать процесс электрохимической реакции на электродах ТОТЭ, давать практические рекомендации для повышения эффективности процессов преобразования энергии и массопереноса в ТОТЭ. Однако, при моделировании работы ТОТЭ, помимо прочего, важен учет структурных характеристик пористых электродов и величины реальной поверхности электрохимической реакции, т.к. они во многом определяют особенности переноса газообразных реагентов в зону реакции и эффективность электрохимических преобразований на электродах. В качестве подтверждения данной гипотезы, выдвинутой в работе, поставлена задача обоснования необходимости учета структурных факторов на степень приближения результатов моделирования работы ТОТЭ к реальным характеристикам ТОТЭ, получаемым экспериментально.

Цель работы. Целью данной работы является повышение энергетической эффективности генерации энергии в ТОТЭ, а также обоснование возможности использования энергоустановок на базе ТОТЭ в малой энергетике для энергоснабжения потребителей малой мощности, использующих в качестве топлива природный газ.

Основные задачи исследования:

- экспериментальное исследование состава и структурных характеристик пористых электродов ТОТЭ с учетом методов их формирования и активации;

- экспериментальное определение на стенде вольт-амперных характеристик ТОТЭ и их использование для проверки адекватности результатов моделирования работы ТОТЭ;

- выбор методики моделирования и моделирование процессов генерации электрической энергии в ячейках ТОТЭ с учетом параметров процесса, а также структурных характеристик пористых электродов, их геометрических размеров, также сравнение результатов моделирования с экспериментом;

- выбор методики моделирования и моделирование процессов тепло- и массопереноса и распределения температур по длине и по сечению ТОТЭ в виде трубки Фильда с учетом тепловыделений в результате электрохимических реакций на аноде и катоде.

- разработка практических рекомендаций по результатам моделирования;

- обоснование возможности использования энергоустановок на основе ТОТЭ для нужд малой энергетики путем разработки эффективной схемы энергоснабжения потребителей малой мощности, использующих природный газ.

Научная новизна:

- Впервые разработана и апробирована модель твердооксидного топливного элемента, описывающая процессы тепло- и массопереноса, происходящие по длине и сечению ячейки во время ее работы, и учитывающая совместное влияние диффузионных процессов переноса газообразных компонентов в зону реакции, а также структурных характеристик пористых электродов на активную поверхность электрохимической реакции и поляризацию электродов - Результаты моделирования показали принципиальную возможность повышения эффективности ТОТЭ (удельная мощность более 0,6 Вт/см2) за счет использования в конструкции с несущим анодом пористых активированных электродов с оптимальной структурой.

- На основе технологии ТОТЭ, в рамках концепции распределенной энергетики, предложена схема эффективного, независимого от централизованных электрических сетей, энергоснабжения типового газифицированного малоэтажного домостроения и показана ее экономическая целесообразность.

Достоверность и обоснованность результатов.

Приведенные в диссертационной работе данные и выводы базируются на использовании современных программ численных исследований (Mathcad, PHOENICS), методах проведения экспериментальных исследований и их обработки, а так же на соответствии полученных результатов исследований результатам экспериментов, опубликованных другими авторами.

Практическая ценность.

Разработанная модель ТОТЭ является эффективным инструментом для расчета тепловых и энергетических параметров ТОТЭ, а также может быть эффективно использована при выборе оптимальных рабочих и конструктивных параметров единичных топливных элементов. Результаты структурных исследования элементного состава пористых электродов ТОТЭ, методов их формирования и активации могут быть использованы в технологии производства трубчатых единичных ячеек ТОТЭ.

Схема энергоснабжения малоэтажного домостроения, предложенная в работе в рамках концепции распределенной энергетики, может быть воспроизведена в реальных проектах по энергоснабжению газифицированных потребителей с применением технологии ТОТЭ.

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований влияния состава и структурных характеристик пористых электродов и ячеек ТОТЭ на вольт-амперную характеристику с учетом методов их формирования и активации;

- разработанную модель ТОТЭ, описывающую процессы генерации электрического тока с учетом активационных, концентрационных, омических, диффузионных ограничений в зоне электрохимической реакции, а также влияние структурных характеристик электрода на реальную поверхность зоны электрохимической реакции;

- разработанную модель ТОТЭ в виде трубки Фильда, описывающая процессы тепло- и массопереноса по длине и сечению каналов подачи газообразных реагентов с учетом тепловыделений в результате электрохимических реакций на аноде и катоде.

- результаты моделирования ячейки твердооксидного топливного элемента трубчатой конструкции и практические рекомендации для повышения эффективности работы ТОТЭ;

- схему энергоснабжения с использованием технологии ТОТЭ типового газифицированного малоэтажного домостроения, независимого от централизованных электрических сетей.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на I и I Международных Симпозиумах по Водородной энергетике (2007, 2009, Москва); 5–й и 7–й международных школах молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», НИУ МЭИ, (2010, 2012 гг.).

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 7 публикациях, три из которых опубликованы в журналах рекомендуемых ВАК РФ. Также по материалам диссертации получена заявка на патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 11 таблиц. Список литературы включает 138 наименования.

Во введении показана актуальность темы диссертации. Поставлена цель и сформулированы задачи работы. Показана научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе приведен литературный обзор и анализ научно-технической литературы, посвященной тематике диссертации. Представлен обзор различных типов топливных элементов. Описаны преимущества и недостатки ТОТЭ, особенности конструктивного исполнения, уровень достигнутых параметров, а также текущее состояние разработки в России и за рубежом. Представлены материалы из отечественных и зарубежных научно-технических источников, в которых проводится анализ разработок в области моделирования рабочих процессов в ТОТЭ. Обзор существующих тенденций развития технологии ТОТЭ и концепции малой распределенной энергетики, анализ существующих проблем по указанным направлениям позволил определить цель и сформулировать задачи данной работы.

Во второй главе приведена методика экспериментальных исследований, описан процесс изготовления единичной ячейки ТОТЭ, приведены технологические схемы процесса изготовления экспериментальных образцов, а также представлены результаты структурных исследований электродов ТОТЭ и испытаний их активности. К испытаниям были подготовлены две ячейки ТОТЭ с не активированными электродами и две ячейки с электродами, активированными растворами нитратов празеодима Pr(NO3)3 - для катодов и нитратов церия Ce(NO3)3 - для анодов. На рисунке 1 приведены характеристики экспериментальных ячеек ТОТЭ.

Помимо электрических характеристик, были получены спектрограммы элементов ячейки ТОТЭ и их микрофотографии1. Для получения изображений каталитических композиций использовали сканирующий электронный микроскоп, SEM JSM– 6390 LA, Jeol. Результаты исследования катодного слоя приведены на рис. 2.

Данные, полученные в ходе исследования, позволили установить размеры частиц материалов, из которых изготовлены приведенные элементы. На снимках, рис. 2, видно, что катод состоит из микрочастиц, которые имеют размер 1,2–1,5 мкм.

Элементный состав материала катода, определенный с помощью спектрального анализа показал, что катод содержит все элементы, в соотношениях, закладываемых в технологии его производства. На спектрограммах видны спектры лантана, стронция, марганца, циркония, иттрия, а также кислорода (Рис 2.).

Элементный и структурный анализ проводился с использованием сканирующего электронного микроскопа SEM JSM–6390 LA, Jeol. на базе ЦКП «Водородная энергетика и электрохимические технологии» НИУ МЭИ Удельная мощность, ячеек ТОТ до (а) и после (б) актива Рисунок 2 - Увеличенные изображе что струк ч ктура анод также имеет кру Рисунок 3 - Увели Характерн мкм. Спе мма содерржит линнии спекктров никкеля, цир Характери (ВАХ) еди ( иничных ТОТЭ ис спользова В трретьей гл трубчатой констру Рисунок 4 - Схема трубчато ячейки ТОТЭ с направле слитель ((воздух) подается через вн внутренне частью трубчат контактир ешней час стью труббчатого ТОТЭ, на который нанесен анод. Эле т ческие процессы, протекаю щие в ТО о щими реаккциями:

Перв часть модели представл в среде M Mathcad и позволяю ющую оп писывать электроххимически процессы, прот к на чном учас стке ТОТ (см. ри 4) и учитывать такие факторы к активацио а онная пол ляризация (уравне ионное сопротивление твердого электролита и электрическое сопротивление электродов (закон Ома), концентрационная поляризация. Такой подход известен и описан в работе ряда авторов для низкотемпературных топливных элементов. Однако, в случае массопереноса газообразных реагентов при высокой температуре через пористые электроды в зону электрохимической реакции, на границе с твердым электролитом появляется ряд существенных ограничений диффузионного характера, особенно при использовании наноструктурированных компонентов пористых электродов. Диффузия в пористых электродах ТОТЭ описывается с помощью первого и второго законов Фика, где величина эффективного коэффициента диффузии включает в себя величину коэффициента молекулярной диффузии, рассчитываемого с помощью метода, предложенного Chapman и Enskog, а также коэффициента кнудсеновской диффузии. Преобладание того или иного типа диффузии определено с помощью введенного в модель числа Кнудсена, представляющего собой соотношение средней длины свободного пробега молекулы к среднему диаметру пор электрода. Другая особенность предложенной методики моделирования заключается в учете протяженности электрохимической границы, на которой электрод (электрон – проводящая фаза) контактирует с газовой фазой и электролитом (ион – проводящая фаза). Чем больше протяженность электрохимической границы, тем больше плотность тока электрохимического процесса при данном напряжении.

В предложенной модели этот факт учитывается через выражение для плотности тока обмена, т.к. известно, что она прямо пропорциональна количеству активных центров, на которых может протекать электрохимическая реакция. Сама плотность тока обмена определена через структурные характеристики пористого катализатора, т.е. через размер частиц электрода, пористость и диаметр пор. Подобный подход для другой системы был предложен в работе Petric и др.

На основе проведенного моделирования работы ТОТЭ в пределах диапазона выбранных параметров процесса, получены расчетные вольт-амперные и мощностные характеристики ТОТЭ. Исследовано влияние на них различных факторов.

В результате моделирования установлено, что характеристики ТОТЭ с несущим электролитом, полученные в модели, хорошо согласуются с экспериментальными данными. Результаты сравнения характеристик представлены на рис. 5.

Основываясь на сходимости данных, полученных в модели, с результатами эксперимента, были смоделированы характеристики единичного элемента с несущим анодом (в этом случае омические потери в ТОТЭ снижаются). С помощью моделирования выявлено, что элемент, изготовленный из аналогичных материалов и имеющий несущий анод, будет иметь плотность мощности до 0,8 Вт/см2.

Напряжение, В Рисунок 5 - Сравнение вольт–амперных (а) и мощностных характеристик (б) трубчатого ТОТЭ с результатами моделирования. 1 – данные эксперимента, 1’ – результаты моделирования, 2 – результаты моделирования элемента с несущим анодом. Активная площадь ТОТЭ с несущим электролитом составляет 30 см2.

Анод: 50 вес. % Ni + 50 вес. % GDC (наноструктурированные); катод: 50 вес. % YSZ + 50 вес. % LSM; Электролит YSZ – диоксид циркония, стабилизированный иттрием (толщина 150 мкм) Сочетание технологий наноструктурных исходных материалов, магнитноимпульсного компактирования и технологии tape casting позволяет получить принципиально новый трубчатый ТОТЭ с несущим электролитом 160 мкм, обладающий повышенными мощностными характеристиками.

С помощью моделирования также был определен оптимальный размер пор и пористость электродов ТОТЭ. Влияние размера пор и пористости на концентрационную поляризацию топливного элемента показано на рис. 6 (а, б).

Поляризация, В Рисунок 6 - Зависимость величины концентрационной поляризации ячейки ТОТЭ от диаметра пор (а) и пористости электродов (б).

Для создания второй части модели трубчатой ячейки ТОТЭ, учитывающей теплофизические свойства теплоносителей и процессы, происходящие по длине ячейки (рис.4), использовалась программа PHOENICS, представляющая собой пакет CFD моделир энергии, неразрыв итоге да и ает возмоожность определяять поля темпер Указанны уравнен в тензорном ви имею общую форму:

где: t - вр как: энтал к льпия, моомент на единицу м турбулент коэффици к иент своййства Ф в i-ой фазе Si – исто В пррограмме задавали геоме т ючающие значения темпера ламинарн л ный режи течени реаген преимуще п ественно с помощь конвек задавалис отдельн для ка ТОТЭ бы разбит на пять областей На рис 7. предс цифрами обозначе соответствующ облас Рисунок 7 - Схемат ТОТЭ. Ри Т имскими ц цифрами обозначе ено: I – ка канал. r1 – внутрен раздела ан р нод-электтролит; r5 – радиус границы раздела электрол r6 - наруж жный ради ячейк ТОТЭ; r7 – радиу анодно канал Модеель позв л яние параметров прроцесса и констру температу по объ распредел Рисунок 8 - Диаг (а) внешн вид тр 0,005 м/с, VH2 = VH2 = 0,00 м/с; (г) TH2 = 900°C, TВозд = 500°С, VВоздух = 0,005 м VH2 = 0,005 м/с в зоне тр рехфазной границы трубчат ячейк ТОТЭ от темп входе в ячейку ТО в ОТЭ. Следдует учессть, что перед тем как пото воздух проход вдоль кат р осредствен подае зоне трехфазной гр ячейки, которые снижаются с росто темпер влияют н поляризацию процесса также механиче ТОТЭ и м ызывать различные дефекты Следуе учитыв локальны температур по длине ячей ТОТЭ будет влиять на локальны скорос электрохи э имически процесс и пол Температура, °С Рисунок - 9 Зависи ТФГ труб ячейку ТО я ОТЭ. Пар раметры работы яч 0,005 м/с; (а) TВозду = 500°С (б) TВозд = 100°С (в) TВоз = 20°С Смооделирова по длине ячейки Т рис. риведено распредееление тем ячейки ТО Рисунок 1 - Распр TH2 = 900° °C,TВоздух = 100°C, VВоздух = 0,015 м/с VH2 = 0,015 м/с.

рис. 11 ппредставле ены зави исимости распреде еления по отенциала по дли ине ячейки ТО я ОТЭ при различны темпер случае по с одачи возд духа при температ туре 20 °С значен потенц ж оняться н 20 % от среднег значен образом, моделирование тепло массообменных процессов в ячейках ТОТЭ позволяет прогнозировать оптимальные режимы подачи реагентов и выявлять их влияние на равномерность распределения электрохимических процессов.

Рисунок 11 - Зависимость распределения потенциала по длине электролита трубчатой ячейки ТОТЭ от температуры воздуха на входе в ячейку ТОТЭ. Параметры рабочей ячейки: TH2 = 900°C; VВоздух = 0,005 м/с, VH2 = 0,005 м/с; (а) TВоздух = 500°С, (б) TВоздух = 100°С, (в) TВоздух = 20°С Таким образом, использование двух различных моделей ТОТЭ трубчатой конструкции позволило провести модельные расчеты его характеристик в зависимости от изменения различных факторов. Одной из важных особенностей данной модели является учет влияния конструктивных и рабочих параметров элементов ТОТЭ на поляризационные потери напряжения, представленные омической, активационной и концентрационной поляризацией. Полученная модель может использоваться для анализа эффективности работы трубчатого ТОТЭ, как с несущим анодом, так и с несущим катодом и электролитом. Результаты моделирования показали принципиальную возможность повышения эффективности ТОТЭ (удельная мощность более 0,6 Вт/см2) за счет использования в конструкции с несущим анодом пористых активированных электродов с оптимальной структурой.

При этом модель представляет эффективный инструмент для анализа трубчатых ТОТЭ различных конструкций с учетом изменения рабочих параметров процесса, таких как изменение скоростей реагентов, температур, давлений по длине элемента.

В четвертой главе обоснована возможность применением технологии ТОТЭ для энергоснабжения потребителей малой мощности, например малоэтажных домостроений. На основе анализа технико-экономических показателей энергоустановок различного типа показано, что наиболее эффективны энергоустановки на твердооксидных топливных элементах. Сравнительный анализ энергоустановок на базе ТОТЭ с микротурбинными установками и газопоршневыми агрегатами показал, что по ряду важных показателей (электрический КПД, бесшумность, удельный расход газа, эмиссия токсичных газов) они превосходят своих конкурентов.

В расчете представлено сравнение традиционной и альтернативной схем энергоснабжения потребителя - 2-х этажного жилого дома. В таблице 2 приведены характеристики данного потребителя.

Таблица 2. Характеристики объекта энергоснабжения.

Строительный объем строения Общая площадь Жилая площадь На графике, рис. 12, представлена средняя часовая потребность потребителя в тепловой энергии, расположенного в Московском регионе в зависимости от месяца.

Qч,среднечасовая потребность в Рисунок 12 - Средняя часовая потребность в тепловой энергии в зависимости от месяца. 1 - отопление + ГВС; 2 – отопление; 3- ГВС.

Как видно, потребление тепловой энергии в течение года, в отличие от потребления электрической энергии, носит неравномерный характер с характерным максимумом в зимние месяцы. Потребность в зимний период на отопление почти в 20 раз превосходит потребность в тепле летом на горячее водоснабжение. Поэтому в схеме энергоснабжения предполагается использование одноконтурного газового котла. В летний период отопление не осуществляется и котел отключен. Количество теплоты, затрачиваемой на ГВС, меняется в зависимости от температуры холодной воды, которая, в свою очередь, зависит от сезона.

На рис. 13 приведены традиционная и альтернативная (с ЭЭУ на ТОТЭ) схемы тепло- и электр теплоснаб т бжение и горячее водоснаббжение с использоованием ттепла, вы м хконтурны котлом, потреб газ, конве г ертированнный в синтез-газ Теплос одноконту Рисунок 1 - Схем тепло и электро и (б) аль ТО – тепл На рис. 14 ппредставллена блок схема самой энергоустан схеме пок с казаны вхходящие потоки ре л процессор Из установки выходят также пары реа анодной к а камеры ТТОТЭ) и отработа анный воздух. ЭУ ТОТЭ п э высокопотенциаль ьную теплловую энеергию с в ыходящи проду веденные расчеты показали что для обеспече н матриваеммого дома по альт р газа в год. Для тепло-электр 15,5 тыс. м в год При сравнении двух схем стоит учитыват что ЭЭ помим тепловой вырабаты независим н мым от це ентрализоованного энергосннабжения.

Рисунок – 14. Блок схема эн блице 3 приведено сравнени затрат на приро для двух с лица 3. Срравнение затрат на природн газ и электроэн различны схем эн годового потребле Расче схемы электрос основе ис ания элек ктрохимиической энергоуста ановки ЭЭЭУ на ТОТЭ и и п ния маг гистральн ного га аза пок казал, что така э набжения обеспечи ивает эко электросн использов к что при достиже ении стооимости установл ленной м мощности значен 2500 долл США/к 2 л. кВт, цена генериру уемой элеектроэнер

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основании вышеизложенного можно сформулировать основные результаты работы и сделать выводы:

1. В результате проведения комплекса исследований твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) трубчатой конструкции с несущим электролитом, включающих в себя снятие вольт-амперных характеристик на высокотемпературном стенде, спектральный микроанализ, растровую электронную микроскопию, показано значительное влияние структурных характеристик электродов на диффузионные процессы при подводе газообразных реагентов в зону электрохимической реакции и на удельную мощность ТОТЭ. Показано, что активация ТОТЭ путем термической обработки электродов, пропитанных нитратами празеодима (для катода) и церия (для анода) приводит к повышению их удельной мощности с 0,08 Вт/см до 0,27 Вт/см2 за счет расширения трехфазной границы электрохимических реакций. Полученные вольт-амперные характеристики использовались при определении достоверности модели ВАХ ТОТЭ.

2. Разработана и апробирована математическая модель единичной ячейки ТОТЭ, позволяющая рассчитывать ее вольт-амперные характеристики в зависимости от структуры и геометрии электродов, размера порообразующих частиц, а также параметров процесса (температуры и давления реагентов). При анализе данных моделирования было показано, что влияние размера пор электродов на концентрационную поляризацию имеет место лишь до значений 5 мкм, а затем не оказывает на нее существенного влияния. Определены оптимальные значения пористости коллекторов электродов ТОТЭ, для анода - 40 %, а для катода - 50 %.

3. На основании результатов моделирования рекомендована конструкция ТОТЭ с несущим анодом, геометрические и структурные параметры электродов, позволяющие повысить удельную мощность ТОТЭ до 0,8 Вт/см2 при плотности тока более 1 А/см2 и температуре 1223 К 4. С использованием программного пакета PHOENICS проведено моделирование и получены профили распределения напряжения ТОТЭ и температур реагентов по длине ячейки, позволяющее определять наиболее оптимальный режим работы ТОТЭ и параметров реагентов.

5. Показаны преимущества использования энергоустановок на базе ТОТЭ в качестве источника тепло- и электроснабжения газифицированных потребителей малой мощности. Предложена схема с использованием энергоустановки на базе ТОТЭ для энергоснабжения малоэтажного домостроения, независимого от централизованного электроснабжения. Проведенные расчеты показали, что альтернативная схема оказалась на 25 % экономически выгодней по сравнению с традицион сети.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Липилин А.С., Нефедкин С.И., Чухарев В.Ф., Киселев И.В., Козлов С.И., Юдин А.Л. Энергоснабжение малоэтажных домостроений на основе эффективного использования природного газа в технологии ТОТЭ. Альтернативная энергетика и экология. 10,2010 С.162-174.

2. Киселев И.В., Нефедкин С.И., Глазов В.С., Липилин А.С., Никонов А.В.

Моделирование работы твердооксидного топливного элемента трубчатой конструкции. Вестник МЭИ. 2, 2013 C.83-91.

3. Киселев И.В., Нефедкин С.И., Глазов В.С., Липилин А.С., Козлов С.И. Моделирование процессов тепломассообмена в твердооксидном топливном элементе трубчатой конструкции. Естественные и технические науки. 3, 2013.

С.42-47.

4. Киселев И.В., Нефедкин С.И. Энергоснабжение малоэтажных домостроений на основе эффективного использования природного газа и технологии твердооксидных топливных элементов (Статья) Труды V Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика» 18 – октября 2010 года. М.: Изд. дом МЭИ, 2010 – С.341-346.

5. Киселев И.В., Козлов С.И., Нефедкин С.И. Энергоснабжение потребителей малой мощности на основе эффективного использования природного газа в энергоустановках на основе топливных элементов. Сборник научных трудов аспирантов и соискателей ООО «Газпром ВНИИГАЗ». 2011. С. 24-29.

6. Киселев И.В., Козлов С.И., Нефедкин С.И. Моделирование работы твердооксидного топливного элемента трубчатой конструкции. Сборник научных трудов аспирантов и соискателей ООО «Газпром ВНИИГАЗ». 2012.С. 27-32.

7. Коломейцева Е.А., Нефедкин С.И., Киселев И.В. Расчет мини-электростанции на твердооксидных топливных элементах для энергоснабжения коттеджного поселка. Сборник трудов шестой международной школы – семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», НИУ МЭИ, 2012. С.121Заявка на патент РФ №20121122673/02(019086). Положительное решение. Ф №01 ИЗ-2011 от 6.03.2013. Способ изготовления электрода для электрохимических процессов. Нефедкин С.И., Богомолова А.С., Холичев О.В., Киселев И.В., Павлов В.И.

Полиграфический центр НИУ МЭИ Красноказарменная ул., д.14.