Разработка технологических основ создания среднетемпературных планарных твердооксидных топливных элементов для новых видов беспилотных авиационных систем

Развитие новых типов источников энергии с электрохимическими генераторами на основе топливных элементов является приоритетным направлением научных исследований и разработок. Одной из перспективных областей использования компактных топливных элементов с высокими удельными мощностными характеристиками является создание энергоустановок для беспилотных авиационных систем. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) сочетают в себе такие качества как высокая энергоэффективность и толерантность к использованию различных видов топлива, что выгодно отличает ТОТЭ от прочих способов генерации энергии и типов топливных элементов. Настоящий проекта направлен на разработку фундаментальных физико-химических основ создания эффективных среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) анод-поддерживающей конструкции с удельной мощностью не менее 500 мВт/см2 в интервале средних температур 600-800 °С. Заявленную цель проекта планируется достичь за счет поэтапного формирования и оптимизации микроструктурных и электрохимических свойств отдельных слоёв планарного ТОТЭ. При этом слой твёрдого электролита малой толщины будет сформирован методом магнетронного напыления. В ходе выполнения работы планируется провести комплексное исследование, включающее следующие этапы: 1. Разработку технологических подходов создания несущей анодной основы для формирования многослойной структуры СТ-ТОТЭ, в качестве которой будет использован кермет Ni-Zr0.84Y0.16O1.92 (Ni-YSZ). 2. Отработку условий и параметров нанесения основного электролитного слоя YSZ толщиной менее 10 мкм и буферного электролитного слоя Ce0.9Gd0.1O1.95 (GDC) толщиной до 2 мкм на поверхность керметных подложек методом магнетронного напыления, а также определение оптимальных параметров последующей термической обработки для формирования газоплотного слоя твердого электролита. 3. Изучение микроструктуры двухслойного электролитного слоя YSZ/GDC после термической обработки в условиях послойного и совместного спекания. 4. Создание прототипов ТОТЭ анод-несущей конструкции с использованием полученных полуэлементов несущий анод/двухслойный электролит/нанесенный методом трафаретной печати двуслойный катод на основе La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF), состоящий из катодного функционального и токосъемного слоев. 5. Исследование электрохимических характеристик образцов анод-поддерживающих ТОТЭ в условиях стационарной выдержки при постоянной температуре и температурного циклирования «нагрев-охлаждение». Масштаб и комплексный характер решаемой задачи предполагает выявление фундаментальной взаимосвязи между составом, структурой и электрохимическими свойствами ключевых материалов ТОТЭ и изучение процессов переноса заряда на межфазных границах с участием материалов электродов и электролитов для создания высокоэффективных ТОТЭ. Научная новизна решаемой задачи будет заключаться в определении технологических параметров магнетронного напыления функциональных твердоэлектролитных покрытий и режимов последующей термической обработки для формирования требуемой микроструктуры двухслойного электролитного слоя YSZ/GDC.