Формирование тонкопленочных структур микротрубчатых среднетемпературных твердооксидных топливных элементов

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) являются экологичными и эффективными системами прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию. Несмотря на большие успехи, достигнутые в области разработки топливных элементов (ТЭ), актуальными остаются вопросы, связанные с повышением эффективности, долговременной стабильности характеристик и снижение стоимости данных устройств. Среди различных конфигураций ТОТЭ отдельно выделяют конструкцию, называемую микротрубчатой (МТ ТОТЭ). МТ ТОТЭ, обладая рядом преимуществ, таких, как высокая объемная удельная мощность и механическая прочность, быстрое время запуска и остановки, высокая стойкость к термоциклированию, простота герметизации, лучшее распределение механического напряжения, привлекают к себе все большее внимание. При разработке данных устройств, как и ТОТЭ в целом, актуальной остается задача снижения их рабочих температур при сохранении приемлемого уровня электрохимических характеристик. Это возможно за счет минимизации различного рода потерь и, прежде всего, потерь связанных с омическим и поляризационным сопротивлением ячеек, которые существенно возрастают при снижении рабочих температур. Подходом, широко используемым для снижения омических потерь, является снижение толщины электролита, снижения поляризационных потерь достигают за счет применения активных катодных материалов. МТ ТОТЭ представляет собой трубку с внешним диаметром не более 5 мм и длинной около 50 мм. В такой конструкции несущим элементом чаще является анод, который получают методом фазовой инверсии или экструзии. Остальные слои (электролит и катод) наносят поочередно, как правило, методом погружения. Не смотря на то, что метод погружения позволяет формировать тонкие слои, его применение требует последующего высокотемпературного спекания. В некоторых случаях, даже небольшие изменения в свойствах используемых суспензий, могут приводить к неоднородности покрытия. Кроме того, получение плотного слоя электролита на основе допированного оксида серия, используемого в среднетемпературных ТОТЭ, порошковыми методами затруднено. Вместе с тем тонкопленочные технологии все чаще применяются для формирования тонких пленок электролита, среди них магнетронное распыление. Перспективность и эффективность применения метода магнетронного распыления для формирования тонкопленочных структур мембранно-электродных блоков (МЭБ) среднетемпературных ТОТЭ планарной конструкции подтверждена множеством исследований. Такой подход позволяет в разы повысить производительность ТЭ. Возможность применения данного метода для формирования слоев МЭБ МТ ТОТЭ, в частности слоя электролита, до настоящего момента не исследовалась. Однако есть все основания полагать, что его применение за счет формирования слоя электролита в виде тонкой пленки с улучшенными структурными свойствами, позволит повысить производительность устройства и стабильность его характеристик. Таким образом, настоящий проект направлен на решение актуальной задачи, связанной с разработкой технологических подходов формирования тонкопленочных структур МЭБ МТ ТОТЭ, в частности, слоя электролита с целью повышения эффективности устройства. Научная новизна исследований заключается в том, что впервые для нанесения слоя электролита МТ ТОТЭ будет использован метод магнетронного распыления. Поскольку для стабилизации характеристик ТЭ, работающего при сниженных температурах, особое внимание должно быть уделено катодному слою, в работе будет проведено исследование влияния состава и наноструктурирования электродного слоя - катода на его функциональные свойства, а также на характеристики всего МТ ТОТЭ. Полученные значимые результаты будут востребованы исследователями, в первую очередь российскими, занимающимися разработкой энергоустановок на основе ТОТЭ и найдут применение в процессах конструирования и изготовления топливных ячеек микротрубчатой конфигурации. Подобные разработки будут способствовать продвижению отечественных ТОТЭ на мировом рынке.