Национальная инновационная компания «НИК НЭП» является интегратором, управляющим различными видами деятельности по разработке, созданию, коммерциализации и реализации на внутреннем и внешнем рынках конкурентоспособных продуктов в рамках комплексной программы «Водородная энергетика и топливные элементы», инициированной ОАО «ГМК «Норильский никель» и Российской академией наук в 2003 году. Одной из основных направлений ее деятельности, реализуемой ее Инжиниринговым центром в кооперации с широким кругом (около 50-ти) научных, промышленных и конструкторских организаций, является создание систем генерации и накопления энергии для децентрализованной энергетики, систем гарантированного и резервного энергоснабжения, а также их ключевых компонентов: твердополимерных, фосфорнокислых, расплавкарбонатных и твердооксидных топливных элементов, фотоэлектрических преобразователей, генераторов водорода и водородосодержащих газов, электрохимических накопителей.

Разработки в области водородной и альтернативной энергетики затрагивают целый ряд областей науки и техники, например: физика, электротехника, электрохимия, катализ, полупроводниковые материалы. Практически в каждой из этих областей существуют свои материалы, которые по могут быть отнесены к наноструктурам (хотя бы один характерный размер структуры лежит в диапазоне 1-100 нм). Например, материалы для формирования каталитических слоев низко- и среднетемпературных топливных элементов, а также электролизеров, представляют собой частицы металлов и сплавов с характерным размером 2-5 нм, помещенные на углеродных частицы диаметром порядка 30-60 нм. В рамках созданной НИК НЭП кооперации с российскими и зарубежными организациями разрабатываются наноразмерные и наноструктурированные материалы для реализации анодной и катодной реакций в твердополимерных и фосфорнокислых топливных элементах. Основными способами их получения являются термохимический и полиольный методы, восстановление металлов из растворов солей водородом или боргидридом натрия. Помимо химических методов приготовления каталитических композиций, уделяется внимание и подходам, связанным с физическими методами, плазменными технологиями. В частности, ведется разработка методики нанесения катализаторов на подложки методом электродиспергирования каталитических чернил.

 

Приложения электрического поля с высокой напряженностью при напылении позволяет создавать однородные слои с контролируемой пористостью.
В рамках работ по электрохимическому окислению спиртов разрабатываются подходы, связанные с применением углеродных нанотрубок и нановолокон в качестве носителей электрокатализаторов.

 

Синтезированные на углеродных наноструктурах биметаллические системы проявляют большую устойчивость к деградации, нежели при использовании в качестве носителя сажи. Углеродные наноструктуры также были использованы при формировании материалов композитных биполярных пластин для топливных элементов. Добавки небольших количеств наноструктурированных углеродных модификаторов около 3 масс.% к углерод-полимерному композиту позволяют практически вдвое снизить удельное сопротивление материала.

Большое внимание уделяется методам изучения морфологии и электрохимических свойств наночастиц, как в модельных условиях, так и в составе топливных элементов. Например, в рамках работ по

микротопливным элементам разработана методика одновременной оценки морфологии и электронной структуры активного слоя микротопливного элемента с помощью сканирующего зондового микроскопа.

 

Данная методика позволяет оценивать результаты оптимизации активного слоя на наноуровне.

Получение водорода в настоящий момент представляет не меньшую проблему, чем его эффективное электроокисление в топливных элементах. В этом направлении помимо топливных процессоров и электролизеров НИК НЭП занимается разработками генераторов водорода «по требованию» на основе гидролиза порошков активированного алюминия и термолиза промышленных алюминиевых порошков. Для использования в портативной электронике созданы прототипы источников питания, использующие такие генераторы водорода. Необходимо отметить, что в этих устройствах в качестве продуктов реакции вырабатываются наноразмерные материалы, которые могут найти применение в производстве катализаторов, композитных материалов и др. В рамках данного проекта проведены исследование исходных порошков и продуктов реакции как традиционными методами (рентгеновская дифракция, просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия), так и методом динамической десорбционной порометрии, который позволяет проводить оценку поверхности получаемых наноматериалов и их пористой структуры при минимальном аппаратном обеспечении.

Высокотемпературные электрохимические устройства (ВЭХУ) – изделия, имеющие в своей основе многослойные структуры различного функционального назначения. Создание таких структур, как правило, ведется поэтапно с многочисленными циклами нагрева и спекания. В результате энергоемкость технологических переделов во многом определяет стоимость конечного изделия. Применение совместного спекания двух и более функциональных слоев позволяет резко снизить затраты энергии, а также использовать дешевые технологии массового производства (например, пленочное шликерное литье) при изготовлении ВЭХУ. Его реализация невозможна без введения в исходные материалы допирующих добавок, позволяющих на наноуровне структурировать функциональные слои (например, для создания градиентной пористости) и корректировать свойства материалов для обеспечения совместного спекания.

В частности, одной из критических технологий является получение тонких (на уровне десятков микрон) слоев твердооксидного электролита. За счет внедрения технологий получения сверхактивных наноразмерных порошков удалось снизить энергозатраты при спекании на 30 %. Кроме того, были получены более тонкие, чем при использовании традиционных материалов, электролитные слои, снижено содержание временной технологической связки, что привело к снижению материалоемкости, повышению проводимости и технологичности изготовления электролитной мембраны. Создание структур с контролируемо изменяемой (градиентной) пористостью по толщине электрода позволяет использовать на практике результаты оптимизации пористой структуры электродов, проведенной с помощью математического моделирования диффузионных и кинетических процессов, протекающих в ВЭХУ. В результате проведенных технологических работ показано, что при применении дешевой технологии пленочного шликерного литья и использовании наноструктурированных порошковых материалов, сепарированных в процессе синтеза по фракциям, возможно создать электроды с градиентной пористостью. При этом функциональные свойства электродов улучшаются в два раза, что приводит к значительному повышению плотности мощности, реализуемой в ВЭХУ.

Важным фактором, во многом определяющим ресурс электрохимических генераторов на основе расплавкарбонатных топливных элементов, является длительная стабильность в рабочих условиях пористой структуры и материала электролитной матрицы. Проведенные исследования показали, что повысить ресурсные характеристики топливных элементов этого типа возможно, применяя монодисперсные порошковые материалы на основе моноалюмината лития, стабилизированного микроколичествами различных допантов. Получение указанного материала с нужным распределением частиц по размеру традиционными методами крайне энергоемко и занимает много времени. В то же время показано, что механоактивация порошковых материалов в процессе их синтеза позволяет значительно быстрее и с меньшими затратами энергии получать порошковые материалы желаемого качества.

Другим аспектом создания электрохимически эффективных электродов является получение композиционных материалов со смешанной электронной и ионной проводимостью. Значительная доля ионной проводимости позволяет расширить так называемую трехфазную границу электрохимической реакции на весь объем электрода, что снижает кинетические поляризационные потери при протекании тока. Основная сложность получения композитов состоит в необходимости равномерного распределения химически разнородных материалов в объеме электрода, что возможно обеспечить только контролируя технологии создания материалов на наноуровне.

Современные успехи в структурном дизайне оксидных соединений позволили резко расширить области применения ВЭХУ. Применяя математическое моделирование, удалось направленно синтезировать ряд материалов, обладающих ионной и электронной проводимостью. Это открыло новые горизонты в исследованиях материалов электрод-электролитных структур и обеспечило создание керамических мембран, сепарирующих кислород из воздуха при высоких температурах. Так, например, применение реакторов парциального окисления природного газа на основе керамических мембран со смешанной проводимостью позволяет на 30 % снизить капитальные и на 15 % эксплуатационные затраты в производстве метанола из природного газа. Благодаря последнему стало возможным радикальное изменение многих процессов переработки углеводородного сырья, что в обозримом будущем приведет к существенному пересмотру структуры и состава основного технологического оборудования, расширению сырьевой базы, повышению экономичности ряда производств (например, синтеза метанола, аммиака, моторных топлив нового поколения).

Разработки НИК НЭП также направлены на создание нового поколения электрических накопителей на базе литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). При этом большое внимание уделяется совершенствованию основных компонентов аккумулятора - электролитов, катодных и анодных материалов. Разработка электродных материалов направлена как на поиск и синтез новых соединений, так и модификацию уже известных материалов путем перехода от синтеза и использования субмикронных структур к применению наноструктурированных материалов. Использование наноструктурированных, в том числе композиционных материалов, позволяет существенно увеличивать скорости массопереноса и гетерогенных реакций на трехфазной границе. При этом появляется возможность применения электродных материалов с относительно низкой электронной и ионной проводимостью, а также радикального изменения их свойств с помощью поверхностного и объемного легирования, что позволяет многократно увеличить удельные мощностные и емкостные характеристики ЛИА.