Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 5
1.1. Топливный элемент: классификация, структура, принцип действия 5
1.2. Твердооксидный топливный элемент 7
1.3. Основные компоненты ТОТЭ 11
1.3.1 Анод 12
1.3.2. Катод 12
1.3.3. Электролит 13
1.4 Конструкция ячейки ТОТЭ 14
1.5. Методы изготовления 15
1.5.1. Метод пленочного литья 15
1.5.2. Метод трафаретной печати 17
1.5.3. Метод магнетронного напыления 19
1.5.4. Метод одноосного прессования 20
1.6. Перспективные направления развития 21
Глава 2. Образцы, методы, экспериментальное оборудование 24
Глава 3. Результаты 29
3.1. Микроструктура катодных слоев 29
3.2. Определение оптимальной толщины катодных слоев на основе LNF 32
3.3 Электрохимические характеристики единичных ячеек ТОТЭ 32
3.4 Испытания на долговременную стабильность 35
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 40
За последние несколько десятилетий технологическое и промышленное развитие достигло заоблачных высот во всем мире. Это приводит к высокому потреблению энергии, что вынуждает нас искать чистые, безопасные, доступные и устойчивые энергетические ресурсы. И, действительно, все различные отрасли науки по всему миру объединяются, чтобы найти такие источники. На протяжении многих лет для получения энергии используются источники на основе ископаемого топлива. Однако, в 1956 году М. Кинг Хабберт [Ошибка! Источник ссылки не найден.] в своей гипотезе описал кривую для производства ископаемого топлива. Согласно его анализу, производство ископаемого топлива сначала увеличивается после открытия новых ресурсов и совершенствования методов добычи, достигает своего пикового значения, а затем, в конечном счете, снизится по мере истощения ресурсов. Более того, ископаемое топливо оказывает негативное влияние на изменение климата [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. По этим причинам огромные усилия исследователей на протяжении последних нескольких десятилетий направлены на поиск и развитие альтернативных источников энергии. Альтернативные источники энергии - это ресурсы, которые получают в результате использования энергии солнца, ветра, воды, геотермальной энергии, биомассы и др. Все они, в отличие от ископаемых видов топлива, являются возобновляемыми, поскольку не истощаются. К тому же они являются чистыми, доступными, высокоэффективными и безопасными [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. К альтернативной энергетике относится такое направление как водородная энергетика, основанная на использовании водорода или водородосодержащих соединений, для выработки энергии. Одним из наиболее эффективных устройств, вырабатывающих электричество при использовании в качестве топлива водорода, является твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ). В таком электрохимическом устройстве (ЭХУ) химическая энергия взаимодействия реагентов (топлива и окислителя) напрямую преобразуется в электрическую энергию в процессе электрохимической реакции. Благодаря тому, что из процесса исключены стадии преобразования одного вида энергии в другой, коэффициент полезного действия (КПД) топливного элемента (ТЭ) существенно превышает КПД двигателя внутреннего сгорания [Ошибка! Источник ссылки не найден.-Ошибка! Источник ссылки не найден.]. По разным оценкам теоретический КПД ТЭ может достигать 60-70% [Ошибка! Источник ссылки не найден.], в то время как двигатели внутреннего сгорания, дизели и тепловые электростанции имеют КПД не более 40% [Ошибка! Источник ссылки не найден.].
Подобно батарее ТОТЭ состоит из двух электродов (анода и катода), разделенных электролитом. На электродах протекают электрохимические реакции. ТОТЭ является 3
высокотемпературным устройством, его рабочие температуры составляют 800-1000°C. Это ограничивает области применения данного устройства и сдерживает его распространение среди широкого круга потребителей. Кроме того, высокие рабочие температуры ТОТЭ влекут за собой ряд трудностей, связанных непосредственно с самим устройством. Очевидно, что такие высокие температуры ограничивают выбор материалов, используемых для изготовления ТОТЭ, процессы деградации идут с высокой скоростью, имеет место взаимодиффузия материалов электродов и электролита, в результате которой образуются непроводящие соединений, а также возникают механические напряжения, обусловленные различием коэффициентов термического расширения (КТР) отдельных функциональных слоев топливной ячейки (ТЯ) [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Решить указанные проблемы можно путем снижения рабочей температуры ТОТЭ. Однако этот шаг, в свою очередь, приведет к снижению эффективности ТЭ, поскольку скорости протекания электрохимических реакций в таких условиях существенно снижаются. В связи с этим, задача, связанная со снижением рабочей температуры до приемлемых величин при сохранении высокой эффективности ТОТЭ, является весьма актуальной.
В последнее время большое внимание уделяется разработке среднетемпературных (600-800°С) ТОТЭ с тонкопленочным электролитом, который формируется на несущем аноде или металлической основе. При этом важной остается проблема, связанная с повышением эффективности воздушного электрода - катода, поскольку именно он вносит существенный вклад в снижение эффективности ТОТЭ при низких рабочих температурах. Это происходит потому, что скорость протекания реакции восстановления кислорода на катоде со снижением рабочей температуры резко снижается [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Применение в качестве катодов материалов со смешанной электрон-ионной проводимостью, например, La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-s (LSFC) позволяет повысить их
эффективность в среднетемпературном диапазоне [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. В недавних работах [Ошибка! Источник ссылки не найден.-Ошибка! Источник ссылки не найден.] продемонстрирована перспективность применения нового класса катодных материалов на основе LaNi0.6Fe0.4O3 (LNF) для среднетемпературных ТОТЭ. В данной работе единичные ячейки ТОТЭ на несущем NiO-YSZ аноде с тонкопленочным YSZ электролитом и композитными LSFC-SDC или LNF катодами были изготовлены и исследованы. Целью работы являлось исследование влияния состава функциональных слоев композитных катодов с оксидным коллектором на характеристики ТОТЭ с тонкопленочной мембраной. Для достижения поставленной цели решались задачи, связанные непосредственно с формированием катодных слоев, исследованием их микроструктуры и фазового состава, проведением сравнительных испытаний 4
характеристики ТОТЭ и изучением возможности повышения удельных характеристик ТОТЭ за счет использования нового класса композитных катодных материалов с оксидным коллектором.
В результате проведенных исследований был отработан способ нанесения функциональных и контактного слоев катодов на основе LNF обеспечивающий формирование однородной по толщине пористой структуры. Показано, что оптимальным, с точки зрения генерируемой ячейками мощности, является соотношение толщин ФКС/ККС 20 ± 5 мкм/35 ± 5 мкм.
Подводя итог по результатам, можно сделать вывод, что композитные катоды на основе LNF являются перспективными и могут рассматриваться как альтернатива кобальт содержащим катодным составам, например таким, как LSFC. Будущие исследования LNF-электродов в топливных элементах с тонкой пленкой электролита должны быть посвящены выявлению и изучению причин их деградации и последующему улучшению их долговременной стабильности. Регистрируемые характеристики (плотность мощности, омическое и поляризационное сопротивления) ТОТЭ с композитными катодами на основе LNF не только не уступают, но при пониженных температурах (700-750°C) даже несколько превосходят характеристики, полученные для ТОТЭ с однослойным LSC катодом. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что композитные катоды на основе LNF являются перспективными и представляют конкурентоспособную альтернативу LSC и LSFC катодам.
