Формирование тонкопленочных твердооксидных топливных элементов ионно-плазменными методами

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 16-19-00089

НазваниеФормирование тонкопленочных твердооксидных топливных элементов ионно-плазменными методами

Руководитель Линник Степан Андреевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11)

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

Ключевые слова водородная энергетика, твердооксидный топливный элемент, тонкопленочный электролит, нанопористые электроды, ионно-плазменные технологии, магнетронное распыление, композиционная керамика, модификация поверхности

Код ГРНТИ44.41.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке научных основ технологии изготовления твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) планарной конструкции с несущим NiO/YSZ анодом, в которых дополнительный NiO/YSZ анодный слой, YSZ электролит, барьерный CGO слой и LSCF катод формируются методом магнетронного распыления. Актуальность проекта связана с тем, что ТОТЭ на анодной основе и тонким электролитом в России не производятся, хотя во всем мире эта конструкция является одной из наиболее перспективных и развиваемых. В России исторически сложилась ситуация, что наиболее популярной является конструкция ТОТЭ с несущим электролитным слоем и эта конструкция на протяжении многих лет разрабатывается в ряде институтов РАН. Однако эта конструкция вследствие толстого (сотни микрон) электролита имеет рабочие температуры выше 850°С и, как следствие, требует использования более дорогостоящих материалов. При снижении рабочей температуры ТОТЭ ниже 800°С требования к конструкционным материалам снижаются, а долговечность и надежность устройства повышается. В настоящее время в мировой практике существуют две концепции изготовления твердооксидных топливных элементов. Первая подразумевает формирование толстых (от 15 микрон толщиной) функциональных слоев топливного элемента методами порошкового спекания (шликерное литье, трафаретная печать и т.п.). Такие элементы работают при температуре около 800°С и имеют плотность мощности до 1 Вт/см2 и более. Они идеально подходят для стационарных применений и изготовления батарей ТОТЭ мощностью более 1 кВт. Ко второй концепции относятся микро-ТОТЭ, которые имеют толщину слоев 100-200 нм, работают при температуре 500-600°С, но имеют небольшие плотности мощности (около 100 мВт/см2). Поэтому они применяются для питания мобильных устройств небольшой мощности. В данном проекте мы предлагаем концепцию, в которой основные функциональные слои ТОТЭ изготовляются толщиной несколько микрон, что позволит работать в диапазоне температур 600-800°С с плотностью мощности в диапазоне 0.3-1 кВт/см2. Однако для изготовления тонкопленочных слоев ТОТЭ требуются более сложные методы, чем те, которые применяются традиционно (шликерное литье, трафаретная печать). Авторами проекта продемонстрирована возможность и перспективность использования метода магнетронного распыления для формирования тонких (толщиной 3-5 мкм) слоев YSZ электролита, слоев NiO/YSZ анода. Метод был отработан на образцах диаметром 20 мм. Основной задачей проекта является отработка режимов формирования методом магнетронного распыления нанопористого NiO/YSZ анодного слоя, который будет выполнять функцию переходного слоя между несущим анодом (с микронного размера порами) и электролитом, газонепроницаемого YSZ электролита, барьерного (защитного) слоя CGO и нанопористого катода LSCF. Для решения этой задачи необходимо будет решить ряд проблем, связанных с равномерностью осаждения тонкопленочных слоев, газонепроницаемостью электролита (необходимо отсутствие в нем таких дефектов, как трещины, поры и т.п.), адгезией тонкопленочных слоев (необходимо найти способ снижения внутренних напряжений в каждом осаждаемом слое). Разработанные тонкопленочные твердооксидные топливные элементы станут основой для изготовления батарей ТОТЭ, которые являются базовой частью автономных энергоустановок на основе электрохимических генераторов, работающих на природном газе. Научная новизна используемых подходов заключается в том, что формирование тонкопленочного электролита будет осуществляться вакуумными ионно-плазменными методами, в частности магнетронным распылением. Конструкция топливного элемента с тонким электролитом снизит рабочие температуры ТОТЭ до 750°С и менее, и как следствие, упростит конструкцию, увеличить срок службы топливного элемента, и за счет возможности использовать более дешевые материалы снизит конечную стоимость ТОТЭ. Успешное выполнение проекта будет способствовать разработке и продвижению отечественных энергоустановок на базе ТОТЭ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ковальчук А.Н., Лебединский А.М., Соловьев А.А., Ионов И.В., Смолянский Е.А., Шипилова А.В., Лаук А.Л., Ромбаева М.Р. Performance characteristics of solid oxide fuel cells with YSZ/CGO electrolyte Key Engineering Materials, Vol. 743, pp 281-286 (год публикации - 2017)
10.4028/www.scientific.net/KEM.743.281

2. Соловьев А.А., Ионов И.В., Лаук А.Л., Линник С.А., Шипилова А.В., Смолянский Е.А. Fabrication and performance investigation of three-cell SOFC stack based on anode-supported cells with magnetron sputtered electrolyte Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, 15(4), 044501 (год публикации - 2018)
10.1115/1.4039705

3. Смолянский Е.А., Линник С.А., Ионов И.В., Шипилова А.В., Семенов В.А., Лаук А.Л., Соловьев А.А. Magnetron sputtered LSC thin films for solid oxide fuel cell application Journal of Physics: Conference Series, 1115(3), 032080 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1115/3/032080

4. Ионов И.В., Соловьев А.А., Лебединский А.М., Шипилова А.В., Смолянский Е.А., Ковальчук А.Н., Лаук А.Л. Формирование NiO/YSZ функциональных анодных слоев твердооксидных топливных элементов методом магнетронного распыления Журнал «Электрохимия» (год публикации - 2017)

5. Соловьев А.А., Шипилова А.В., Ионов И.В., Смолянский Е.А., Лаук А.Л., Ковальчук А.Н., Ремнев Г.Е. и Лебединский А.М. Solid oxide fuel cell anode surface modification by magnetron sputtering of NiO/YSZ thin film Журнал «Journal of Physics: Conference Series» (год публикации - 2017)

6. Ионов И.В., Соловьев А.А., Лебединский А.М., Шипилова А.В., Смолянский Е.А., Ковальчук А.Н., Лаук А.Л. Formation of NiO/YSZ anode functional layers of solid oxide fuel cells by magnetron sputtering журнал "Russian Journal of Electrochemistry" (год публикации - 2017)

7. Соловьев А.А.,Лебединский А.М., Шипилова А.В., Ионов И.В., Смолянский Е.А., Лаук А.Л., Ремнев Г.Е., Маслов А.С. Scale-up of solid oxide fuel cells with magnetron sputtered electrolyte Fuel Cells, Vol. 17, No.3, 378-382 (год публикации - 2017)
10.1002/fuce.201600227

8. Ионов И.В., Соловьев А.А., Шипилова А.В., Лебединский А.М., Смолянский Е.А., Лаук А.Л., Семенов В.А. Reactive co-sputter deposition of nanostructured cermet anodes for solid oxide fuel cells Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 57,01AF07 (год публикации - 2018)
10.7567/JJAP.57.01AF07

9. Соловьев А.А., Лебединский А.М., Шипилова А.В., Ионов И.В., Смолянский Е.А., Лаук А.Л., Ремнев Г.Е. Deposition of nickel oxide-yttria stabilized zirconia thin films by reactive magnetron sputtering International Journal of Hydrogen Energy (год публикации - 2018)

Публикации