РЕФЕРАТ 6
Введение 11
Глава 1. Характеристики твёрдооксидного топливного элемента 14
1.1. Твёрдооксидный топливный элемент (принцип работы) 14
1.2. Физика ТОТЭ 16
1.2.1. Твердые ионные проводники 16
1.2.2. Термодинамические характеристики ТОТЭ 18
1.2.3. Кинетика электродных процессов 21
1.2.4. Зависимость потенциала от плотности тока 23
1.2.5. Эффективность 25
1.2.6. Плотность мощности 26
1.3. Материалы используемы для ТОТЭ 27
1.3.1. Материалы электролита 30
1.3.1.1. YSZ электролит 32
1.3.1.2. CGO электролит 33
1.3.2. Анодные материалы 34
1.3.3. Катодные материалы 38
1.3.3.1. Кристаллическая структура перовскитоподобных оксидов 39
1.3.3.2. Электронная и ионная проводимость в перовскитах 40
1.3.3.3. Коэффициент термического расширения (КТР) перовскита 43
1.3.3.4. Кобальтсодержащие перовскиты 46
1.4. Стек ТОТЭ 47
Глава 2. Оборудование для изготовления и исследования ТОТЭ 50
2.1. Установка вакуумного напыления типа УВН - 6.1 50
2.1.1. Магнетронные распылительные системы 52
2.2. Метод трафаретной печати 54
2.3. Стенд для исследования электрохимических характеристик 55
2.4. Интерферометр Линника МИИ - 4 56.
Глава 5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 59
5.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 59
5.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования 59
5.1.2. Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 60
5.1.3. SWOT анализ 62
5.2. Планирование научно-исследовательских работ 65
5.2.1. Структура работ в рамках научного исследования 65
5.2.2. Разработка графика проведения научного исследования 66
5.3. Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 68
5.3.1. Затраты на расходные материалы 69
5.3.2. Затраты на персонал
5.3.3. Контрагентные расходы 72
5.3.4. Накладные расходы 72
5.4. Выводы по разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» 72
В связи с постоянным ростом цен на традиционные источники энергии, такие как нефть, природный газ и уголь большое внимание стало уделяться альтернативной энергетике, базирующейся на электрохимических источниках энергии на основе топливных элементов. Топливный элемент (ТЭ) — электрохимическое устройство, напрямую преобразующее энергию химической реакции окислителя (например, кислород) и восстановителя (например, водород, уголь) в электрическую.
Основными преимуществами топливных элементов перед традиционными источниками энергии является высокий КПД 70 - 80 %, в силу отношению энергии, снятой с самой топливной ячейки к величине энергии, которая высвобождается в результате прямой химической реакции.
Из всех на сегодняшний день миру известных ТЭ, твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) являются одними из самых распространенных, т.к. они не привередливы к чистоте и качеству используемого топлива. С развитием водородной энергетики топливом для ТОТЭ стала не только чистый водород, но и разнообразные углеводородные виды топлива, например самый востребованный из них это «синтез-газ» (смесь монооксида углерода и водорода). В промышленности синтез-газ получают несколькими способами, такими как паровая конверсия метана, парциальное окисление метана, газификация угля.
В настоящее время тема возобновляемых источников энергии очень важна, из чего следует, что ТОТЭ и различные источники энергии на их основе, являются очень эффективными и необходимыми технологиями. ТОТЭ работают бесшумно и в результате работы с водородом, выбросов вредных веществ в окружающую среду нет или они ничтожно малы, а благодаря высоким температурам работы (> 700 °С), можно избежать использования дорогостоящих катализаторов.
На сегодняшний день основным фактором, сдерживающим широкое распространение этого вида ТЭ, является их высокая рабочая температура до 1000° С. Для создания коммерческой и эффективной энергоустановки на основе среднетемпературных ячеек ТОТЭ необходимо решить актуальнейшую задачу снизить его рабочие температуры до 600°-800° С, тем самым повысив КПД самой энергоустановки, что может быть достигнуто либо за счет использования новых материалов электролита, обладающих высокой ионной проводимостью при пониженных температурах, либо путем изменения материалов электродов ТОТЭ.
Основным компонентом ТОТЭ является твердый электролит, который проводит ток благодаря переносу ионов кислорода. Чаще всего используют в качестве твердого электролита керамику на основе ZrO2 допированную оксидом иттрия Y2O3. С противоположных сторон электролита расположены электроды: анод - никелевый кермет (NiO/YSZ), катод - манганат лантана стронция (LSM). При уменьшении рабочей температуры за счет уменьшении толщины YSZ, проводимость катодного материала ТОТЭ падет, что приводи к поиску новых материалов катодного электрода, например, таких как феррокобальтит лантана стронция (LSCF катод). Для нормальной работы ТОТЭ все материалы должны иметь схожие коэффициенты термического расширения (КТР) и между ними должны отсутствовать химические взаимодействия, приводящие к появлению новых соединений, ухудшающих контакт между слоями ТОТЭ. Материал LSCF катода при низких температурах взаимодействует с YSZ электролитом и для решения данной проблемы можно использовать защитные слои, которые помогут избавиться от подобных проблем, например, CGO электролит не взаимодействует с материалом LSCF катода и имеет схожий КТР с YSZ электролитом, что позволяет использовать его в качестве защитного слоя в новых среднетемпературных ТОТЭ.
И связи с выше изложенным целью выпускной квалификационной работы является сформирование единичных ячеек твёрдооксидного топливного элемента с двухслойным YSZ/CGO электролитом и LSCF катодом площадью 5 х 5 см2. И последующая сборка стека из единичных ячеек ТОТЭ площадью 5х10 см2 на основе отработанной и масштабированной технологии изготовления ячеек ТОТЭ.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи: во-первых сформировать на поверхности NiO/YSZ анодной подложки площадью 5x5 см2 двухслойной структуры YSZ/CGO электролита магнетронной распылительной системой (МРС). Затем на этой же подложке с YSZ/CGO электролитом нанести LSCF катод методами трафаретной печати, с последующим спеканием 100°С и 1100°С. Исследовать микроструктуру получаемых покрытий YSZ/CGO электролита и электрохимических (вольтамперных и мощностных) характеристик ячеек ТОТЭ. Масштабировать полученную технологию на ячейки 5х10 см2 и собрать на основе полученных ячеек стек ТОТЭ и исследовать его электрохимические характеристики при рабочей температуре 750 °С.
