Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій

Вивчення механізмів впливу робочого середовища на фізико-механічні характеристики матеріалів керамічних паливних комірок та розроблення методів їх підвищення

Сканівна електронна мікроскопія, що демонструє відповідний механізм руйнування об’єднаних в агломерати часточок нікелевої фази в анодному керметі:
а – міжзеренне (міжагломератне) руйнування матеріалу після однократного відновлення у водні;
б - череззеренне руйнування вдосконалених redox-обробкою агломератів нікелевої фази із високою міцністю їх зчеплення.

Області застосування

Розробка і виготовлення спеціального устаткування для redox-обробки дослідно-промислових зразків напівкомірок та визначення експлуатаційних характеристик дослідно-промислових зразків керамічних паливних комірок (КПК), які в подальшому будуть використані в різних галузях господарства України, зокрема на підприємствах ТОВ Віраж, ТОВ UA Technology, КБ «Південне» у енергетичних системах для безпілотних літальних апаратів.

Короткий опис

Встановлення закономірностей зміни структурно-фазового стану та жароміцності, водневотривкості і електропровідності матеріалів КПК на основі титанових композитів за дії відновлювального і окиснювального середовищ. Дослідження впливу структурно-фазового стану композитного анода та з’єднувальних елементів на основі титанових композитів з функціональними покриттями на жароміцність, водневотривкість і електропровідність цих матеріалів. Вибір оптимальних матеріалів для досліджуваних елементів КПК.

Очікувані властивості

Отримані науковцями НАН України результати дослідження матеріалів для виготовлення анодів, електролітів, катодів і з’єднувальних елементів КПК створюють науково-технологічну базу для виготовлення в Україні облегшених джерел електроенергії, зокрема для авіакосмічної і автомобільної промисловості. Для підвищення економічної ефективності застосування КПК необхідно забезпечити їх роботоздатність за використання вуглеводневого палива, наприклад, природного газу, біогазу тощо.

Переваги

Внаслідок застосування технології redox-обробки дослідних зразків анодного матеріалу підвищується його міцність на 12–60%, а електропровідність на 50–300%. Впровадження для з’єднувальних елементів матеріалу МАХ-фази титану дозволяє отримати порівняно з традиційними хромистими феритними сталями типу Crofer переваги за густиною, високою об’ємною електропровідністю, значно вищим температурним діапазоном поверхневої жаростійкості, високою стійкістю до дії водневого середовища. Пропонований матеріал хімічно стабільний, тоді як сталі Crofer схильні до утворення летких сполук хрому, які обумовлюють деградацію катода КПК. Низька густина пропонованого матеріалу особливо важлива для КПК автомобільного і аерокосмічного призначенння.

Стан розробки

Показано, що перспективним для виготовлення тонкостінних (~0,5 мм) анодів-підкладок ТОПК є матеріал системи 8YSZ–NiO, отриманий методом стрічкового литва. Можна очікувати підвищення його фізико-механічних властивостей після redox-циклування в суміші Ar–5%H₂. Встановлено, що перспективним матеріалом для виготовлення з’єднувальних елементів ТОПК є композит на основі Ti₂AlC, який має вищу жаростійкість порівняно з композитом на основі Ti₃AlC₂. Кандидатними матеріалами для таких елементів є також спечені композити системи Ti–Si–C і литі сплави системи Ti–Al. Встановлено, що за міцністю у повітрі і високотемпературному (600°С) водневому середовищі та жаростійкістю у повітрі при 600°С такі матеріали переважають феритні сталі типу Crofer, які традиційно використовують для з’єднувальних елементів КПК. Композит на основі титану дозволяє знизити їх вагу майже у 2 рази. Проте необхідно розробити технологію отримання тонкостінних (~0,5 мм) з’єднувальних елементів з досліджених титанових матеріалів.

Конкуренти

Forschungszentrum Julich (Germany);
POSCO Energy fuel cell (South Korea);
FuelCell Energy, Inc. (Germany);
Bloom Energy (USA).

Інтелектуальна власність

Патент України на винахід № 111082. Матеріал для виготовлення з’єднувальних елементів твердооксидних паливних комірок / О.П. Осташ, Т.О. Пріхна, А.Д. Івасишин, В.Я. Подгурська, Т.В. Басюк, О.Д. Васильєв, Є.М. Бродніковський – Опубл. 25.03.16; Бюл. № 6.

Патент України на корисну модель № 109256. Спосіб виготовлення анода-підкладки для паливної комірки / О.П. Осташ, Б.Д. Василів, В.Я. Подгурська – Опубл. 25.08.16; Бюл. № 16.

Контактна інформація

Виконавець: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України

Проект №25 «Вивчення механізмів впливу робочого середовища на фізико-механічні характеристики матеріалів керамічних паливних комірок та розроблення методів їх підвищення»

Контактна особа: