АНАЛИЗ СВОЙСТВ, МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК
1 Анализ структур, составов и требований к функциональным слоям микро твердооксидных топливных элементов
1.1 Твердооксидные топливные элементы
Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) – (Solid oxide fuel cells, SOFC), состоит из двух пористых электродов (воздушный и топливный), разделенных плотным, проводящим ионы кислорода, электролитом (рисунок 1.1). В этих топливных элементах, ионы кислорода проходят через твердый оксид, который используется в качестве электролита, и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде.
Рисунок 1.1 – Схема топливной ячейки
В ТОТЭ проводится предварительная конверсия природного газа и реально топливом является все тот же водород. Но так как конверсия может проводиться непосредственно в топливном элементе, то формально топливом считают природный газ.
Эти топливные элементы крайне привлекательны, т.к. могут использовать не платиновые катализаторы (пористый никель на аноде и смешанные оксиды – кобальтиты, манганиты, хромиты на катоде), расширяют диапазон видов топлива и относительно легко встраиваются в различные энергетические циклы за счет высокопотенциального тепла продуктов реакции. Однако высокие температуры требуют решения ряда конструкционных проблем, как, например “совместимость используемых материалов при температурном расширении”.
Традиционные твердооксидные топливные элементы работают при температурах 800 – 1000 °C и это вызывает две проблемы. Первое, при таких температурах даже при небольших различиях в температурных коэффициентах (ТКР) материалов в многослойной структуре ТОТЭ возникают большие внутренние напряжения, что, в конечном счете, это приводит к разрушению элемента. Второе, большинство оксидов металлов, из которых состоят функциональные слои ТОТЭ, быстро деградируют при повышенных температурах. Например, для твердого электролита, это приводит к резкому снижению кислородной проводимости и снижению эффективности ТОТЭ.
1.2 Микро твердооксидные топливные элементы
Одним из главных направлений современных исследований в области ТОТЭ является снижение рабочей температуры. Уменьшение рабочей температуры на 100 – 200 °C позволит значительно уменьшить время выхода элемента на рабочий режим, снизить потери мощности на поддержание рабочей температуры снизить внутренние напряжения и деградацию свойств, и как следствие увеличить срок службы ТОТЭ. Однако рабочая температура ТОТЭ не может быть уменьшена без принципиальных изменений в конструкции топливного элемента, поскольку ионная проводимость электролита резко снижается при уменьшении температуры [3]. Добиться уменьшения рабочей температуры ТОТЭ возможно путем уменьшения толщины каждого из слоев структуры. Для функционирования ТОТЭ при температуре 300 – 400 °C толщина слоя твердого электролита должна быть порядка 50 нм [4]. Это приводит к необходимости уменьшения размеров всего элемента и создания вместо одного элемента ряда микроячеек, так называемых микро твердооксидных топливных элементов (МТОТЭ), которые будут функционировать как обычный ТОТЭ.
Таким образом, высокая эффективность МТОТЭ по сравнению с традиционными ТОТЭ достигается за счет уменьшения толщин всех функциональных слоев.
Предполагаемые характеристики МТОТЭ:
Площадь ячейки МТОТЭ 1 – 4 мм2;
Напряжение холостого хода 0.7 – 0.8 В;
Плотность мощности до 1 мА/см2.
Разрабатываемые технологии могут быть применены для освоения производства матриц ячеек МТОТЭ, которые будут использоваться для создания элементов питания малогабаритной аппаратуры.
Область использования МТОТЭ нацелена на замену аккумуляторных батарей и гальванических элементов питания на топливные батареи с мощностью от 1 до 20 Вт для питания портативных электронных устройств:
Миниатюрных датчиков;
Медицинских приборов;
Карманных компьютеров;
Цифровых камер;
Мобильных телефонов;
Наручных часов.
Предсказывается, что батареи на основе МТОТЭ будут иметь в 3 – 4 раза более высокую емкость по сравнению с традиционными Ni-металл-гидридными и Li-ионными аккумуляторами.
В перспективе батареи на основе МТОТЭ могут изготавливаться в виде отдельных устройств или интегрироваться в едином корпусе с кристаллом ИМС или устройством микроэлектроники. Возможно освоение производства матриц ячеек МТОТЭ или интегрирование матриц с системами подачи углеводородного топлива (метанола, водорода, метана) для производства законченного устройства.