Формирование катода твердооксидного топливного элемента методом магнетронного распыления
Объектом исследования является проведение экспериментов по формированию и дальнейшему изучению свойств многослойного покрытия катодов твердооксидных топливных элементов. В частности, работа включает в себя нанесение LSC-CGO катода ТОТЭ методом магнетронного распыления в различных режимах. В дальнейшем проводится исследование зависимости электрохимических характеристик топливной ячейки от параметров напыления.
Введение …………………………………………………………………………………………………….. 11
1 Литературный обзор …………………………………………………………………………………. 12
1.1 Топливный элемент …………………………………………………………………………….. 12
1.2 Принципы работы топливных элементов. ……………………………………………. 13
1.3 Виды топливных элементов. ……………………………………………………………….. 15
1.4 Катодные материалы ТОТЭ …………………………………………………………………. 20
1.4.1 Перовскитоподобные манганиты лантана ………………………………………. 21
1.4.2 Композиты на базе электронно-ионных проводников …………………….. 22
1.4.3 Кобальт-содержащие перовскиты ………………………………………………….. 24
1.5 Технологии нанесения пленочных покрытий ……………………………………….. 25
1.5.1 Химические методы. ……………………………………………………………………… 26
1.5.2 Методы, основанные на испарении мишени …………………………………… 29
1.5.3 Методы, основанные на распылении мишени ………………………………… 32
2 Используемое оборудование …………………………………………………………………….. 35
2.1 Основное оборудование ………………………………………………………………………. 35
2.2 Диагностическое оборудование. ………………………………………………………….. 39
2.3 Испытательное оборудование. …………………………………………………………….. 41
3 Основная часть …………………………………………………………………………………………. 44
3.1 Обоснование эксперимента. ………………………………………………………………… 44
3.2 Нанесение LSC катода…………………………………………………………………………. 49
3.3 Нанесение LSC катода с подачей кислорода. ……………………………………….. 52
3.4 Нанесение LSC катода под углом 75°…………………………………………………… 56
3.5 Нанесение LSC катода под углом с подачей кислорода………………………… 59
3.6 Нанесение композитного катода LSC-GDC-LSC в среде аргона с подачей
кислорода. ………………………………………………………………………………………………… 62
3.7 Сравнения результатов эксперимента с зарубежными аналогами. ………… 67
4 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения ………… 70
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………….. 93
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 109
Список использованных источников ………………………………………………………….. 111
Приложение А …………………………………………………………………………………………… 114
Топливные ячейки – электрохимические устройства преобразующие
энергию химической связи непосредственно в электрическую энергию.
Главным преимуществом данных устройств является экологичность,
автономность работы, бесшумность.
Для функционирования ячейкам необходимо водородное топливо и
окислитель – часто применяется предварительно нагретый воздух. Результатом
реакции является тепло, вода и постоянный ток. Собирая топливные ячейки
последовательно возможно создания мощных батарей – стеков.
Ещё одним неоспоримым преимуществом топливных элементов
яявляется высокий КПД, только лишь на малых мощностях КПД доходит до
60% вследствие непосредственного преобразования химической энергии
топлива в электроэнергию. Применение излишков тепла в теплосетях и на
установках высокой мощности теоретически может довести КПД до 80% и
выше.
Исследуемым в данной работе классом топливных элементов является
твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) на основе твердооксидных
керамических материалов. На данный момент отработана технология
применения высокотемпературных ТОТЭ с рабочей температурой 1000-
1200°C. Главным их недостатком является низкая термохимическая
стабильность. Решением этой проблемы является снижение рабочей
температуры до 600-800°C, недостатком данного решения является рост
сопротивления химической реакции и пониженнаяя проводимость.
Наиболее ярко выражен данный эффект в катодах топливных элементов.
Решению этой проблемы посвящена данная исследовательская работа.
Применяя современные катодные материалы, новые способы формирования
катодных слоев можно добиться исследования путей формирования
оптимальных катодных покрытий, позволяющих увеличить удельную
плотность мощности снимаемой с топливной ячейки.
В работе рассматривается нанесения функционального катодного слоя
магнетронным напылением, что должно увеличить проводимость и снизить
сопротивление химической реакции, что должно привести к увеличению
мощности снимаемой с ячейки ТОТЭ.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (428 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
5 (14 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.2 (13 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
