автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности твердооксидных топливных элементов и обоснование их применения для энергоснабжения потребителей малой мощности

На правах рукописи

Киселев Илья Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТВЕРДООКСИДНЫХ

ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ОБОСНОВАНИЕ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.14.01 — «Энергетические системы и комплексы»

АВТОРЕФЕРАТ

5 ДЕК 2013

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013 г.

005542472

Работа выполнена на кафедре «Химия и электрохимическая энергетика» Национального исследовательского университета Московского энергетического института.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Нефедкин Сергей Иванович профессор кафедры «Химия и электрохимическая энергетика» ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бакиров Фёдор Гайфуллович, зав. кафедрой авиационной теплотехники и теплоэнергетики ФГБОУ ВПО «Уфимского государственного авиационного технического университета»

кандидат технических наук, ассистент Захаренков Евгений Алексеевич ассистент ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»

Ведущая организация: ФГУП «Российский федеральный ядерный центр

Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики»

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 года в 14-00 в аудитории А-409 на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, 17

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссерта- ,/

ционного совета Д 212.157.14 /}■/ /

к.т.н„ доцент О--' " Зверьков В.П.

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 домохозяй-ствах, 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 высокотем-

пературной 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 C.B., Чеботина В.Н., Липилина A.C., Перфильева М.В., Демина А.К., Бредихина С.И., Коровина Н.В. Кроме того, расчетами гибридных установок с ТОТЭ занимались Седлов A.C., 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 массопе-реноса 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 массопе-реноса 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 (МаЛсасЗ, РНОЕМСЭ), 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 II и III 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.

Краткое содержание работы 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(N03)3 - для катодов и нитратов церия Ce(N03)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.).

1 Элементный и структурный анализ проводился с использованием сканирующего электронного микроскопа SEM JSM-6390 LA, Jeo!. на базе ЦКП «Водородная энергетика и электрохимические технологии» НИУ МЭИ

1,2 1,0

в

«Г 0,8

£

я 0,6

0,4 0,2 0,0

►

!♦ .а

♦ до активадии, 903°С

■ после активации. 903°С

ш после акитвации. 858°С

^ до активации, 896°С

0,1

0,2 0,3 0,4 0,5

Сила тока, А/см2

0,30

£ 0,25

о

Я„ 0,20

£ ? 0,15

я а

л 0,10

ы

0,05

0,00

♦ ♦

6 # # Ф # ф ш #

до активадии, 903°С после активадии, 903 °С после акитвации, 858°С до активадии, 896°С

0,1

0,2

0,3 0,4

Сила тока, А/см2

Рисунок 1 - Вольт-амперные и мощностные характеристики экспериментальных ячеек ТОТЭ до (а) и после (б) активации при различных температурах

Рисунок 2 - Увеличенные изображения (5000 раз) и спектрограмма катода ТОТЭ

На рис. 3 показаны микрофотография и спектрограмма анодного слоя. Видно, что структура анода также имеет крупные частицы, но меньшего размера.

Рисунок 3 - Увеличенные изображения (10000 раз) и спектрограмма анода ТОТЭ

Характерные размеры крупных микрочастиц находятся в диапазоне от 0,3 до 1,0 мкм. Спектрограмма содержит линии спектров никеля, циркония и кислорода. Характеристики микроструктуры электродов и вольт-амперные характеристики (ВАХ) единичных ТОТЭ использовались для построения модели ТОТЭ.

В третьей главе рассматривается модель единичного топливного элемента трубчатой конструкции в виде трубки Фильда (рис. 4).

Рисунок 4 - Схема трубчатой ячейки ТОТЭ с направлением потока реагентов

Окислитель (воздух) подается через внутреннюю трубку и контактирует с внутренней частью трубчатого ТОТЭ, на которую нанесен катод. Поток топлива контактирует с внешней частью трубчатого ТОТЭ, на который нанесен анод. Электрохимические процессы, протекающие в ТОТЭ, описываются следующими токо-образующими реакциями:

Н2 + О2" - 2е = Н2Ог (на аноде) (1)

02 + 4 е = 202" (на катоде) (2)

2Н2 + 02 = 2Н20 (суммарная) (3)

Первая часть модели представляет собой одномерную модель, разработанную в среде МаЛсас! и позволяющую описывать электрохимические процессы, протекающие на единичном участке ТОТЭ (см. рис. 4) и учитывать такие факторы как активационная поляризация (уравнение Батяера-Фольмера), омические потери на

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 Pétrie и др.

На основе проведенного моделирования работы ТОТЭ в пределах диапазона выбранных параметров процесса, получены расчетные вольт-амперные и мощ-ностные 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.

0,0

0,0 0,2 0.4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Плотность тока, А/см2

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Плотность тока, А/см2

(а) (б)

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 см . 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, магнитно-импульсного 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).

0.0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,; Плотность тока, А/см2

0.2 0,4 0.6 0,8 1.0 1,2 1.4 Плотность тока, А/см2

(а)

(б)

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 РНОЕМСЗ, представляющая собой па-

кет СРБ моделирования. Такая модель позволяет решать уравнения движения, энергии, неразрывности при определенных заданных граничных условиях, что в итоге дает возможность определять поля температур в трубчатого ТОТЭ. Указанные уравнения в тензорном виде имеют общую форму:

- 1\,8гас! (Ф,)) = 5, (4)

где: ! - время; р/ - плотность 1-ой фазы; Ф; - любая переменная г - ой фазы, такая как: энтальпия, момент на единицу массы, массовая доля химического компонента, турбулентная энергия и т.д.; V,; - вектор скорости г'-ой фазы; Гф/ - диффузионный коэффициент свойства Ф в ¿-ой фазе; ¿V- источник свойства Ф в /"-ой фазе.

В программе задавались геометрические размеры ячейки, параметры реагентов, включающие значения температуры, давления и скорости на входе в ячейку, ламинарный режим течения реагентов. Теплоперенос в ячейке осуществляется преимущественно с помощью конвекции, а также излучением.

Модель строится по модульному принципу. Дифференциальные уравнения задавались отдельно для каждой области. Для создания модели, трубчатая ячейка ТОТЭ была разбита на пять областей. На рис. 7. представлено схематическое изображение поперечного сечения трубчатой ячейки ТОТЭ, на котором римскими цифрами обозначены соответствующие области.

V

Рисунок 7 - Схематическое изображение поперечного сечения трубчатой ячейки ТОТЭ. Римскими цифрами обозначено: I — канал подачи воздуха; II - стенка стальной трубки; III — катодный канал; IV — блок катод-электролит-анод, V — анодный канал. Г! — внутренний радиус канала подачи окислителя; гт - наружный радиус канала подачи окислителя; Гз - внутренний радиус ячейки ТОТЭ; г4 — радиус границы раздела анод-электролит; г5 — радиус границы раздела электролит-катод; г6 - наружный радиус ячейки ТОТЭ; г7 - радиус анодного канала

Модель позволяет без проведения эксперимента исследовать тепло-массообменные процессы при работе ячеек ТОТЭ в виде трубки Фильда, опреде-

лять влияние параметров процесса и конструкционных размеров на распределение температур по объему ячейки ТОТЭ.

На рис. 8 представлены полученные в результате моделирования диаграммы распределения температур по длине трубчатой ячейки ТОТЭ при различных рабочих параметрах.

(г)

Рисунок 8 - Диаграммы распределения температур в трубчатой ячейке ТОТЭ: (а) внешний вид трубчатой ячейки ТОТЭ; (б) Tm = 900°С, ТВоздух = 20°С, VBowyx = 0,005 м/с, VH2 = 0,005 м/с; (в) Тю = 900°С, Тв<гздух = 100°С, VBüMyx = 0,005 м/с, VH2 = 0,005 м/с; (г) ТН2 = 900°С, ТВюдух = 500°С, VBmjlyx = 0,005 м/с, Vm = 0,005 м/с

На рис. 9 приведена зависимость распределения температуры по длине анода в зоне трехфазной границы трубчатой ячейки ТОТЭ от температуры воздуха на входе в ячейку ТОТЭ. Следует учесть, что перед тем как поток воздуха проходит вдоль катода ТОТЭ, он нагревается при прохождении стальной трубки, через которую непосредственно подается в ячейку. Можно увидеть, что при работе ТОТЭ, в зоне трехфазной границы образуются значительные перепады температур по длине ячейки, которые снижаются с ростом температуры воздуха. Перепады температур влияют на поляризацию процесса, также механическую прочность элементов ТОТЭ и могут вызывать различные дефекты. Следует учитывать, что изменение локальных температур по длине ячейки ТОТЭ будет влиять на локальные скорости электрохимических процессов и поляризацию топливного элемента в целом.

б 11 16 21 26 31 36 41 46 51 Длина ячейки в безразмерном виде

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 Длина ячейки в безразмерном виде

(а) (б)

Рисунок - 9 Зависимость распределения температуры по длине (а) анода в зоне ТФГ трубчатой ячейки ТОТЭ и (б) электролита от температуры воздуха на входе в ячейку ТОТЭ. Параметры работы ячейки: Тщ = 900°С; Ув0здух = 0,005 м/с, Ущ = 0,005 м/с; (а) ТВоздух= 500°С, (б) ТВоздух= 100°С, (в) ТВоиух= 20°С.

Смоделированное в пакете РНОЕШСБ изменение температуры электролита по длине ячейки ТОТЭ, как показано на рис. 10, приводит к изменению проводимости ионов О2", которая определяет омическую часть общей поляризации ТОТЭ.

На рис. 10 приведено распределение температур по сечению трубчатой ячейки ТОТЭ для трех различных сечений.

1000 900 . 800

11 '21 ' 31 ' 41

Ширина ячейки в безразмерном виде

--—20 .....-— 50 -^—30

Рисунок 10 - Распределение температур по сечению трубчатой ячейки ТОТЭ. Тш = 900°С,Твоздух = Ю0°С, Уво^ух = 0,015 м/с, УН2 = 0,015 м/с.

На рис. 11 представлены зависимости распределения потенциала по длине ячейки ТОТЭ при различных температурах воздуха на входе в ячейку. Как видно, в случае подачи воздуха при температуре 20 °С, значение потенциала электрода может отклоняться на 20 % от среднего значения, что вызовет значительную неравномерность процесса в ТОТЭ и является недопустимым. При температуре входя-

щего воздуха равной 500 °С, потенциал распределяется более равномерно. Таким образом, моделирование тепло массообменных процессов в ячейках ТОТЭ позволяет прогнозировать оптимальные режимы подачи реагентов и выявлять их влияние на равномерность распределения электрохимических процессов.

Длина ячейки в безразмерном виде

Рисунок 11 - Зависимость распределения потенциала по длине электролита трубчатой ячейки ТОТЭ от температуры воздуха на входе в ячейку ТОТЭ. Параметры рабочей ячейки: ТН2 = 900°С; УВоздух = 0,005 м/с, УН2 = 0,005 м/с; (а) Твозду* = 500°С, (б) Твоздух = Ю0°С, (в) ТВ1ЯДУХ = 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/см') 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 твер-дооксидкых 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.

Характеристика Величина

Строительный объем строения 1500 м3

Обшая площадь 400 м2

Жилая площадь 150 м2

Класс энергоэффективности С

На графике, рис. 12, представлена средняя часовая потребность потребителя в тепловой энергии, расположенного в Московском регионе в зависимости от месяца.

Месяц

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) схе-

мы тепло- и электроснабжения потребителя.

Схема 1 (традиционная). Электроснабжение от централизованной сети, а теплоснабжение и горячее водоснабжение с использованием тепла, вырабатываемого двухконтурным котлом, потребляющим природный газ.

Схема 2 (альтернативная). Электроснабжение и тепло на горячее водоснабжение осуществляется от энергоустановки на ТОТЭ, потребляющей природный газ, конвертированный в синтез-газ. Теплоснабжение (сезонное) вырабатывается одноконтурным газовым котлом.

в:

-Л

Л-

Хопсднле с э^оснлбжгнис

Отходит»«

(а) (б)

Рисунок 13 - Схемы тепло и электроснабжения загородного дома: (а) традиционная и (б) альтернативная. ЭУ ТОТЭ - энергоустановка на топливных элементах, ТО — теплообменник, 1-подающий насос, 2-трехходовой клапан

На рис. 14 представлена блок схема самой энергоустановки на ТОТЭ. На схеме показаны входящие потоки реагентов (метан и воздух), также вода для топливного процессора. Из установки выходят также пары реакционной воды (из анодной камеры ТОТЭ) и отработанный воздух. ЭУ ТОТЭ производит электроэнергию, а также высокопотенциальную тепловую энергию с выходящими продуктами.

Проведенные расчеты показали, что для обеспечения тепло- и электроснабжения рассматриваемого дома по альтернативной схеме, требуется 15,8 тыс. м3 природного газа в год. Для тепло-электроснабжения по традиционной схеме требуется 15,5 тыс. м3 в год. При сравнении двух схем стоит учитывать, что ЭЭУ помимо тепловой вырабатывает и электрическую энергию и позволяет потребителю быть независимым от централизованного энергоснабжения.

Граница ЗУ ТОТЭ

Отходящие газы и года

Рисунок — 14. Блок схема энергоустановки на ТОТЭ

В таблице 3 приведено сравнение затрат на природный газ и электроэнергию для двух схем.

Таблица 3. Сравнение затрат на природный газ и электроэнергию для двух различных схем энергоснабжения.

Затраты на электроэнергию, тыс. руб./год Затраты на газоснабжение, тыс. руб./год Общие затраты, тыс. руб./год Годовая экономия на тарифе, тыс. руб./год

Альтернативная - 46,04 46,04 14,7

Традиционная 23,65 38,26 60,74 -

Из таблицы 3 видно, что альтернативная схема более экономична исходя из годового потребления энергоносителей.

Расчет схемы электроснабжения жилого дома для средней полосы России на основе использования электрохимической энергоустановки ЭЭУ на ТОТЭ и использования магистрального газа показал, что такая схема тепло-электроснабжения обеспечивает экономию около 25% по сравнению с традиционной, при этом потребитель становится независимым от централизованной сети электроснабжения. Для расчета стоимости генерируемой электрической энергии использовалась методика расчета приведенной стоимости энергии. Полученная зависимость стоимости электроэнергии от стоимости установленной мощности показала, что при достижении стоимости установленной мощности значения 2500 долл. США/кВт, цена генерируемой электроэнергии будет сопоставима с текущим тарифом в г. Москве.

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 РНОЕГОСБ 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 A.C., Нефедкин С.И., Чухарев В.Ф., Киселев И.В., Козлов С.И., Юдин АЛ. 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 B.C., Липилин A.C., Никонов A.B. Моделирование работы твердооксидного топливного элемента трубчатой конструкции. Вестник МЭИ. 2, 2013 С.83-91.

3. Киселев И.В., Нефедкин С.И., Глазов B.C., Липилин A.C., 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 твердооксид-ных топливных элементов (Статья) Труды V Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» 18-22 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. 121128.

8. Заявка 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 A.C., Холичев О.В., Киселев И.В., Павлов В.И.

Подписано в печать Зак. Тир. 100 П. л.

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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201453692

Киселев Илья Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТВЕРДООКСИДНЫХ

ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ОБОСНОВАНИЕ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Шифр специальности: 05 Л 4.01 - «Энергетические системы и комплексы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Нефедкин С.И.

Москва 2013 г.

Содержание

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ...............................................11

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.....................................................................12

1.1. Топливные элементы с твердооксидным электролитом.............................12

1.2. Конструкции твердооксидных топливных элементов.................................18

1.3. Материалы для изготовления твердооксидного топливного элемента.....21

1.4. Текущее состояние разработки твердооксидных топливных элементов и уровень параметров.........................................................................................21

1.5. Основные направления в моделировании твердооксидных топливных элементов..........................................................................................................29

1.6. Малая распределенная энергетика.................................................................34

1.7. Использование ТОТЭ в качестве энергоустановки для нужд энергоснабжения малоэтажного домостроения...........................................36

Постановка задачи исследования.............................................................................41

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ......................................................42

2.1. Изготовление и исследование единичных ячеек твердооксидного

топливного элемента.......................................................................................42

2.1.1.Изготовление единичной ячейки твердооксидного топливного элемента.........................................................................................42

2.1.2.Исследование структуры и состава электродов................................47

Заключение по Главе 2..............................................................................................58

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЕДИНИЧНОЙ ЯЧЕЙКИ ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА.........................................59

3.1. Методика моделирования твердооксидного топливного элемента..............59

3.2. Электрохимическая модель...............................................................................65

3.2.1. Определение активационной поляризации.......................................65

3.2.2. Определение коэффициента диффузии.............................................67

3.2.3. Определение концентрационной поляризации................................70

3.2.4. Определение омической поляризации..............................................71

3.3. Апробация модели..............................................................................................72

3.4. Влияние размера пор и пористости..................................................................77

3.5. Влияние температуры процесса.....................................................................80

3.6. Влияние состава газов.....................................................................................82

3.7. Моделирование и расчет распределения температурных полей и напряжения при работе твердооксидного топливного элемента...............83

3.8. Описание программы.........................................................................................91

3.9. Модель распределения температур и напряжения при работе ТОТЭ трубчатой конструкции...................................................................................92

Заключение по Главе 3..............................................................................................98

ГЛАВА 4. ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ МАЛОЭТАЖНЫХ ДОМОСТРОЕНИЙ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ТЕХНОЛОГИИ ТОТЭ.............................................................................................100

1.8. Энергоснабжение жилого дома с использованием технологии ТОТЭ.... 105

Заключение по Главе 4............................................................................................119

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ............................................................................120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. С развитием малой энергетики и децентрализованного энергоснабжения у потенциальных потребителей растет интерес к энергоустановкам на базе 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 баз 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 же может 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). Наибольший вклад в развитие технологии ТОТЭ внесли работы российских ученых: Карпачева C.B., Чеботина В.Н., Липилина A.C., Перфильева М.В., Демина А.К., Бредихина С.И., Коровина Н.В. Кроме того, работами по расчету гибридных установок с ТОТЭ занимались Седлов A.C., 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 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 данных 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.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

• 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 и 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 работы:

• 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

/у

повышения эффективности ТОТЭ (удельная мощность более 0,8 Вт/см ) 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.

Основные положения, представляемые к защите:

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

• Модель ТОТЭ, описывающая процессы генерации электрического тока с учетом активационных, концентрационных, омических, диффузионных ограничений в зоне электрохимической реакции, а также структурных характеристик электрода на реальную поверхность зоны электрохимической реакции;

• 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;

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

Практическая ценность. Разработанная модель ТОТЭ является эффективным инструментом для расчета тепловых и энергетических параметров ТОТЭ, а также может быть использована при выборе оптимальных рабочих и конструктивных параметров единичных топливных элементов. Результаты структурных исследований элементного состава пористых электродов ТОТЭ, методов их формирования и активации могут быть использованы при реализации 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.

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

Публикации. По материалам диссертационной работы подана одна заявка на патент РФ, а также опубликовано 7 печатных работ, из них 3 в журналах из перечня ВАК:

1. Липилин A.C., 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 B.C., Липилин A.C., Никонов A.B. Моделирование работы твердооксидного топливного элемента трубчатой конструкции. Вестник МЭИ. 2, 2013 С.83-91.

3. Киселев И.В., Нефедкин С.И., Глазов B.C., Липилин A.C., Козлов С.И.. Моделирование процессов тепломассообмена в твердооксидном топливном элементе трубчатой конструкции. Естественные и технические науки. 3, 2013. С. 34-38

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» 18-22 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.

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.

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.

8. Заявка 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 A.C., Холичев О.В., Киселев И.В., Павлов В.И.

Работа выполнена под руководством профессора кафедры ХиЭЭ НИУ МЭИ, доктора технических наук Нефедкина Сергея Ивановича, которому автор выражает глубокую благодарность.

Автор выражает благодарность и признательность кандидату технических наук Глазову Василию Степановичу, консультировавшему по вопросам моделирования, кандидату технических наук Липилину Александру Сергеевичу за предоставленную возможность для проведения экспериментальных исследований на базе ИЭФ УрО РАН и научное консультирование, а также доктору технических наук профессору Козлову Сергею Ивановичу за содействие в выполнении работы и ряд важных и полезных рекомендаций.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

CFD - Вычислительная гидродинамика (англ. - Computational Fluid Dynamics); GDC - оксид церия допированый гадолинием (англ. - Gadolinium Doped Cerium Oxide);

LSM - манганит лантана допированый стронцием;

YSZ - оксид циркония стабилизированный иттрием;

ВАХ - вольт - амперная характеристика;

ГВС - горячее водоснабжение;

ГПЭА - газопоршневые электроагрегаты;

КПД - коэффициент полезного дейст