ИСТИНА

Проект направлен на разработку тонкопленочных керамических материалов и слоистых структур на их основе, необходимых для создания нового поколения высокоэффективных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) с тонкопленочным электролитом, работающих в условиях средних температур (СТ) (500-700 °С). Отличительной особенностью предлагаемой конструкции СТ-ТОТЭ является использование пористых подложек на основе анодного оксида алюминия (АОА), обладающих заданной морфологией, адаптированной к технологии послойного формирования функциональных слоев ТОТЭ. Наличие в структуре АОА сонаправленных цилиндрических каналов будет использовано для транспорта топливного газа в приэлектродное пространство ТОТЭ, а возможность контролируемого изменения их диаметра от десятков до сотен нанометров и малая шероховатость поверхности будут являться залогом успешного формирования газоплотных тонкопленочных покрытий твердого электролита. Предлагаемая геометрия СТ-ТОТЭ позволяет уменьшить толщину твердого электролита до значений менее 10 мкм, существенно сократив омические потери и увеличив удельную мощность топливных элементов. Активное использование в работе фундаментальных основ неорганического материаловедения, электрохимии и физико-химических методов получения наноструктурированных материалов определяют междисциплинарный характер данного исследования. Отсутствие разработанных методов получения тонких газоплотных слоев твердого электролита на пористых высокопроницаемых подложках, а также перспективы их практического использования для появления новых высокоэффективных СТ-ТОТЭ, обуславливают необходимость проведения предлагаемых фундаментальных исследований и актуальность планируемых результатов.

The project is aimed to development of thin-film ceramic materials and layered structures based on them applied to creation of a new generation of high-performance solid oxide fuel cells (SOFCs) with thin-film electrolyte operating at intermediate temperatures (IT) (500-700 °C). A distinctive feature of the proposed concept of IT-SOFC deals with the application of mesoporous substrates based on anodic aluminum oxide (AAO) films possessed a specified morphology adapted to the layer by layer technology of formation of SOFC functional layers. The presence of collinear cylindrical channels in the AAO structure will be used to transfer fuel gas to the SOFC electrode space, and the possibility of controlled variation of their diameter from dozens to hundreds of nanometers and low surface roughness will be the key to the successful formation of gastight, pinhole-free thin-film coatings of solid electrolyte. The proposed geometry of IT-SOFC allows one to decrease the thickness of solid electrolyte to the values less than 10 microns that significantly reduces ohmic losses and enhances the power density of fuel cells. Active application of the fundamentals of inorganic materials science, electrochemistry and physico-chemical methods of obtaining nanostructured materials determines the interdisciplinary nature of the project. The absence of developed methods to obtaining thin gas-tight layers of solid electrolyte on high-permeable porous substrates as well as the prospects for their practical application for the emergence of new high-performance IT-SOFC determine the necessity of the proposed research and the relevance of the planned results.

Основными результатами работы будут являться: - лабораторная технология получения мезопористых подложек из АОА с заданной морфологией пористой структуры, обеспечивающей низкую шероховатость поверхности, контролируемый диаметр пор в диапазоне 50-200 нм, высокую газопроницаемость и стабильность при температурах выше 1400 °С; - методика синтеза ультрадисперсных порошков NiO, Zr1.84Y0.16O2-δ (YSZ), (La0.75Sr0.25)0.95MnO3 (LSM) с узким распределением частиц по размеру для последующего формирования на их основе тонких функциональных слоев ТОТЭ (анод, катод и электролит); - газоплотные кислород-проводящие мембраны с толщиной менее 10 мкм на основе наноструктурированного твердого электролита на пористых подложках из АОА; - методики формирования многослойных тонкопленочных керамических структур «анод/электролит/катод» на поверхности АОА в режиме послойного и совместного спекания; - прототипы СТ-ТОТЭ на основе тонкопленочного твердого электролита и данные об их электрохимической эффективности в диапазоне средних температур (500-700 °С).

Команда проекта обладает богатым опытом и высокой научной квалификацией по разработке методов синтеза различных классов неорганических соединений и их исследованию с помощью современных инструментальных методов анализа. Имеется многолетний опыт получения пористых плёнок анодного оксида алюминия (АОА) и функциональных наноматериалов на их основе. Для проведения процессов анодирования авторами разработаны уникальные конструкции электрохимических ячеек с прижимными донными электродами, не имеющие коммерческих аналогов. Их использование позволило существенно увеличить воспроизводимость результатов, а в случае анодирования при высоких плотностях тока – добиться равномерного роста оксидной пленки по поверхности за счет оригинальной системы охлаждения образца. Имеется большой опыт получения неорганических соединений на основе сложнооксидных фаз с использованием как традиционного керамического, так и других методов химической гомогенизации (золь-гель, криохимия, распылительная сушка и др.). Члены научного коллектива владеют современными физико-химическими методами исследования функциональных материалов, включая метод порошковой рентгеновской дифракции, термический анализ, сканирующую и просвечивающую электронную микроскопию, электронную дифракцию, а также электрохимические методы (импедансная спектроскопия, циклическая вольтамперометрия, потенцио- и хроноамперометрия и др.).