КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 25-19-00281

НазваниеАдаптация энергоустановки на основе топливных элементов с протонообменной мембраной для городского транспорта

Руководитель Фатеев Владимир Николаевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-403 - Водородная энергетика

Ключевые слова Природоподобные технологии, водородная энергетика, чистый транспорт, декарбонизация, городской воздух, электрохимические системы, протонообменная мембрана, мембранно-электродный блок, электроды, устойчивый электрокатализатор, отравляющие газы, холодный пуск

Код ГРНТИ44.31.39

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Решение проблем экологии, в том числе загрязнения воздуха и энергосбережения в крупных мегаполисах, неразрывно связано с увеличением доли общественного транспорта, в частности трамваев, троллейбусов и электробусов, и его переводом на экологически чистые виды топлив благодаря применению природоподобных технологий. Электробусы на литий-ионных аккумуляторах имеют ряд существенных недостатков, связанных с саморазрядом при хранении и необходимостью их частой перезарядки, которые можно нивелировать за счет их совместного применения с водородно-воздушными топливными элементами с протонообменной мембраной (ПОМТЭ) в составе гибридной энергоустановки на основе электрохимических источников тока для городского транспорта. Такие энергосистемы имеют низкую температуру работы, высокие показатели генерируемой мощности на массу и позволяют производить быстрый запуск, а также достигать значительно больших значений пробега на одной заправке в сравнении с аналогами на аккумуляторной батарее. Использование аккумуляторов в транспорте в настоящее время широко распространено, в то время как применение водород-воздушных ПОМТЭ на борту транспортного средства требует решения ряда задач. В качестве окислителя топлива в ТЭ выступает воздух, который поступает на борт транспортного средства непосредственно из окружающей городской атмосферы в окрестности автодорог, а значит, содержит в своем составе множество примесей (выхлопные газы, монооксид углерода CO, оксиды азота NOx, диоксид серы SO2, летучие углеводороды CnHm и др.), которые являются отравляющими веществами и значительно снижают эффективность работы устройства. Также важнейшей проблемой является эксплуатация ПОМТЭ в широком интервале температур окружающей среды, включая автономный запуск от отрицательных температур около -40 ℃. Проект направлен на решение научно-прикладной задачи обеспечения устойчивости и эффективности работы ПОМТЭ в составе гибридной транспортной энергоустановки на основе химических источников тока в различных режимах ее работы: пуск, эксплуатация, остановка в различных условиях внешней среды. Научная проблема предполагаемого проекта будет заключаться в установлении механизмов отравления электрокатализаторов, изучении кинетики электродных процессов в случае применения смеси газов каталитических ядов с учетом взаимного влияния этих процессов в широком диапазоне температур от 0 °С до 150 ℃ (с учетом кратковременных режимов отжига и регенерации) и концентраций кислорода в воздухе от 20 до 100 об.%. Будут определены механизмы и условия регенерации свойств электрокатализатора и топливного элемента после отравления в режиме эксплуатации. Будет изучено влияние указанных параметров на свойства компонентов мембранно-электродного блока ПОМТЭ, а именно мембран и каталитических слоев. Также будет определён и изучен оптимальный метод холодного пуска и функционирования батареи ПОМТЭ с учетом сезонного изменения температуры и влажности окружающей среды. Будут разработаны и смоделированы эффективные режимы эксплуатации гибридной энергоустановки (ПОМТЭ + литий ионный аккумулятор) в зависимости от условий внешней среды: температура, влажность, включая возможность перераспределения генерируемой мощности между устройствами. Будет проведено технико-экономическое обоснование применения гибридной энергоустановки на основе электрохимических источников тока по сравнению с существующими аналогами.

Ожидаемые результаты
Проект потребует проведения исследований фундаментального характера, направленных на определение свойств электрокатализаторов, мембранных материалов и электрохимических ячеек в целом в условиях эксплуатации ПОМТЭ, приближенных к реальным: температура работы 30–60 ℃, применение в качестве окислителя смеси газов, моделирующих состав «городского» воздуха, применение воздуха обогащенного по кислороду до 40–50 об.%, различные температуры (от -40 до +40 ℃) и влажности окружающей среды. Будут определены механизмы отравления и последующей регенерации активных центров электрокатализаторов в случае применения смеси газов каталитических ядов в широком диапазоне температур от 0 °С до 150 ℃ и концентраций кислорода в воздухе от 20 до 100 об.%, а также кинетика электродных процессов в данных условиях. Будет изучено влияние указанных параметров на свойства компонентов мембранно-электродного блока ПОМТЭ, а именно мембран (термическая деградация) и каталитических слоев. На основе полученных данных предложен сценарий и условия проведения циклов рабочий режим – регенерация для увеличения срока службы ПОМТЭ в составе транспортного средства. Будут разработаны и смоделированы эффективные режимы эксплуатации гибридной энергоустановки (ПОМТЭ + литий ионный аккумулятор) в зависимости от условий внешней среды: температура, влажность, включая возможность перераспределения генерируемой мощности между устройствами. Будет проведено технико-экономическое обоснование применения гибридной энергоустановки на основе электрохимических источников тока по сравнению с существующими аналогами. Успешность выполнения проекта позволит создать отечественную энергоустановку на основе химических источников тока для эффективного использования на борту транспортного средства в широком диапазоне условий внешней среды. Мировая тенденция состоит в развитии и совершенствовании электротранспорта, на что и направлен предполагаемый проект. Будет обеспечен быстрый запуск энергоустановки, ее устойчивость и большие значения пробега на одной заправке, что усовершенствует существующий электротранспорт. Применение данных технологий позволит снизить загрязнение воздуха в крупных мегаполисах, снизит шумовое загрязнение, сделает среду безопасной и устойчивой для горожан, что имеет высокую общественную значимость.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---