В России ведется разработка отечественных портативных электрохимических генераторов

Ученые Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН) осуществляют проект по созданию энергоустановки, совмещенной с каталитическим риформером, сочетающей компактность, высокую эффективность и быстроту запуска — портативных электрохимических генераторов на микротрубчатых твердооксидных топливных элементах (МТ ТОТЭ).

Разработка поддерживается Российским научным фондом и НИЦ «ТОПАЗ» (отечественная Группа компаний «ИнЭнерджи», специализируется на электрохимических технологиях и индустриальных решениях на их основе). Исследователи ставят амбициозную задачу: после реализации научного проекта в 2021-2024 годах вывести к 2027 году на рынок серийные российские изделия, перспективные для ниши маломощных (от 30 до 300 ватт) электрохимических источников питания, необходимых и в домашнем хозяйстве, и для питания автономной электроники, и в качестве изделий двойного назначения.

Рынок портативных электрохимических генераторов перспективен, и нашей стране необходимо занять на нем свою нишу. Как говорят авторы проекта, обычному жителю России портативный генератор пригодится хоть по дороге на дачу, хоть при поездке на электрическом самокате. Нетрудно догадаться, что успешная работа коллектива проекта обеспечит создание целой отрасли новых источников электропитания и устройств, предназначенных для мобильного применения. А использование высококалорийного топлива позволит получить на порядок более высокую весовую энергоемкость для автономных устройств по сравнению с лучшими типами литий-ионных аккумуляторов.

Руководитель проекта «ТОПАЗ» Алексей Кашин:

• В России создается линейка из трех устройств. Первое – это портативное зарядное устройство. Тут все понятно, у нас очень высокая удельная энергоемкость, мы с собой на каждый килограмм веса можем взять больше ватт-часов, чем при любом другом способе хранения или получения энергии в компактном устройстве. Это компактная носимая электростанция на органическом топливе.
• Второе – вспомогательная силовая установка для робототехники. Эта штука, установленная в роботе, летающем, ползающем, плавающем, может обеспечивать его электроприводы энергией. Мы агрегируемся с буферным аккумулятором, который снимает пики нагрузки и в постоянном режиме вырабатываем нужную электроэнергию для перемещения дрона. Это принципиально снимает барьеры по энерговооруженности подвижных комплексов – и это революционная технология. Те роботы, которые у нас работали 20 минут, теперь могут работать 200 минут – это принципиальное улучшение, особенно для летающих дронов. При этом мы отказываемся от использования сложных систем, а топливо доступно в любом ларьке – баллончик с пропаном для зажигалок нам подойдет.
• Третье — это портативные квазистационарные энергосистемы, или совсем малая распределенная энергетика, инфраструктура интернета вещей. Это любые датчики, которые стоят «в поле».

Интересно, что у твердооксидного топливного элемента КПД может достигать 70%. Мировая наука далеко продвинулась в создании таких топливных элементов. Когда-то они использовались преимущественно в космической отрасли, а в XXI веке входят и в быт. Среди многообразия топливных элементов, а они бывают низкотемпературные с полимерной мембраной, высокотемпературные с различными щелочными или кислотными электролитами и другие, твердооксидные стоят особняком, так как могут использовать в качестве топлива и углеводороды, например, природный газ (метан). Метан для начала необходимо перевести в синтез-газ в специальном устройстве – риформере. Что удобно: температуры реакции конверсии метана и работы топливного элемента совпадают – примерно 800 градусов, поэтому оба процесса можно совместить в одном устройстве – компактном электрохимическом генераторе. В Японии и Германии электрогенераторы с планарными (плоскими) твердооксидными топливными элементами уже доступны потребителям. Российские ученые выбрали другой тип твердооксидных топливных элементов – микротрубчатые (МТ ТОТЭ). Почему?

Планарные твердооксидные топливные элементы могут годами работать, не отключаясь, но быстро разогреть их до 800 градусов не получится – тепловой шок приведет к разрушению устройства. Вот теперь перейдем к российской разработке:

– МТ ТОТЭ можно нагревать достаточно быстро, поскольку трубчатая геометрия компенсирует тепловые шоки, особенно если использовать микротрубки, где тонкие слои и пористая подложка, – рассказал генеральный директор Научно-исследовательского центра «ТОПАЗ» Александр Сивак. – Нам всем знакома ситуация: разрядился гаджет, а розетки поблизости нет. Наша разработка позволит решить эту проблему достаточно просто: можно носить в рюкзаке баллончик с газом, в случае необходимости подключать его к устройству, в котором риформер метана в синтез-газ скомбинирован с микротрубчатым модулем, генерирующим электроэнергию, и через пять минут начинать зарядку смартфона или самоката. Ниша портативных генераторов для маломощных устройств сейчас занята литий-ионными аккумуляторами, но у них небольшая энергоемкость, да и время жизни ограничены. А у генератора с МТ ТОТЭ энергоемкость определяется лишь количеством газа, который у нас с собой. Устройство можно включать и выключать по необходимости, баллончик – вновь наполнять газом.