Разработка технологии изготовления прототипа механически прочной анодной подложки с тонкопленочным электролитом сложной геометрической формы

Отчет: 86 страниц, 37 рисунка, 9 таблицы. Ключевые слова: твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), анод-поддерживающая конструкция, тонкопленочные технологии, твердый электролит, пористые структуры, многослойные керамические структуры. Объектом исследования являются твердооксидные топливные элементы анод-поддерживающей конструкции. Целями работы являются: - разработка технологии изготовления двухслойных (токосъемный и функциональный слои) никель-керметных (Ni-SZ (стабилизированный диоксид циркония)) подложек размером 100х100 мм. - изучение влияния микроструктуры и размера зерен NiO и SZ на микроструктуру анодной подложки. - изучение влияния восстановления анодной подложки в атмосфере водорода на её механические характеристики и микроструктуру. - разработка технологии нанесения двухслойного электролита (основной YSZ и защитный GDC подслои); - проектирование измерительной ячейки для электрохимических испытаний мембранно-электродных блоков ТОТЭ; - разработка технологии изготовления двухслойных анодных подложек различной заданной геометрической формы (изменяемые параметры: форма и размер в плоскости, наличие, позиция и размер отверстий). Результаты работы: в рамках НИОКР разработана технология изготовления двухслойных анодных подложек для планарных ТОТЭ (толщина токосъемного слоя 400 мкм, а функционального – 20 мкм) различной геометрии, сохраняющих механическую стабильность после восстановления (NiO до Ni). Разработана технология нанесения двухслойного (YSZ/GDC) тонкопленочного электролита на несущую подложку – метод «холодного» аэрозольного напыления. Также спроектирована измерительная ячейка для неразрушающих электрохимических испытаний мембранно-электродных блоков ТОТЭ. Подана заявка на патентование Полезной модели «Устройство для неразрушающих испытаний электрохимических характеристик планарных твердооксидных топливных элементов». В настоящий момент технология нуждается в следующем развитии: существует необходимости в разработке батарей ТОТЭ на основе разработанных анод-поддерживающих ТОТЭ для получения энергоустановок заданной мощности (мощность единичного анод-поддерживающего ТОТЭ не превышает 50 Вт). Область применения ЭУ на ТОТЭ обширна – энерго- и теплоснабжение домашних хозяйств, удаленных территорий, северных территорий. Поскольку ЭУ на ТОТЭ может работать на природном газе, при подведении к ЭУ газа, она будет непрерывно генерировать электроэнергию (нет нужды в подвозе топлива или периодическом обслуживании). Данная работа является важным шагом на пути к коммерциализации ЭУ на ТОТЭ. Поскольку в России данная технология находится только на начальном этапе развития, существует необходимость в проведении исследовательских работ, направленных на решение поисковых задач. В частности, в данной работе показана важность предварительной подготовки порошков для получения механически прочных керамических пластин. Также, в работе была решена важнейшая задача – был спроектирован испытательный стенд, который значительно облегчит проведение электрохимических испытаний экспериментальных образцов ТОТЭ различной геометрической формы (что очень актуально для разных исследователей). Отчет отражает ход выполнения первого и второго этапов и результаты выполненных работ первого и второго этапов Договора № 3858ГС1/63204 о предоставлении гранта на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в рамках реализации проекта «Разработка технологии изготовления прототипа механически прочной анодной подложки с тонкопленочным электролитом сложной геометрической формы». Отчет оформлен в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-2001.