1.3 Структуры мтотэ

Рассмотрены структуры МТОТЭ с неразделенным и разделенным электродным пространством, с использованием в качестве несущей конструкции Si пластин и Ni фольги. Получить МТОТЭ с общей толщиной структуры не более единиц микрометра возможно только при использовании несущей конструкции.

Сейчас предложены конструкции односторонних МТОТЭ, где в качестве несущей элемента используются подложки на основе Al₂O₃. При этом вся структура формируется на одной стороне подложки (односторонний МТОТЭ) [3]. К достоинствам одностороннего ТОТЭ можно отнести возможность формирования всей структуры методами последовательного ионно-плазменного нанесения отдельных слоев с использованием масок. Вторым вариантом является использование в качестве несущей конструкции Si пластин, в которых создаются сквозные отверстия [5]. При этом возможно максимальное применение традиционных технологий фотолитографии, травления и ионно-плазменного нанесения слоев, используемых в микроэлектронике.

1.4 Требования к слоям мтотэ

Несмотря на небольшие размеры и толщины тонкопленочных слоев элементов МТОТЭ все они должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к элементам традиционных ТОТЭ. Для слоев катода и анода это: высокая электропроводность, химическая и механическая стабильность при повышенных температурах (в окислительных условиях для катода и в восстановительных условиях для анода), близость коэффициента температурного расширения (КТР) электродов к КТР твердого электролита, достаточная пористость для обеспечения доступа кислорода из газовой фазы к твердому электролиту. Для слоя электролита это: беспористость и плотность, высокая кислородная проводимость и низкая электропроводность, высокая механическая прочность, стойкость к термоциклированию.

На основе анализа установлено, что для каждого слоя твердооксидного топливного элемента предъявляется ряд требований, которым должен удовлетворять нанесенный слой. Катоды твердооксидных топливных элементов должны обладать высокой электрической проводимостью, высокой каталитической активностью, достаточной пористостью для обеспечения доступа кислорода из газовой фазы к твердому электролиту и совместимость с другими компонентами топливной ячейки. Анодный электрод должен иметь высокую электропроводность, химическую и механическую стабильность, достаточную пористость для обеспечения доступа кислорода из газовой фазы к твердому электролиту. Пленки твердого электролита должны быть беспористые и плотные с высокой кислородной проводимостью и низкой электропроводностью.

Несмотря на небольшие размеры и толщины тонкопленочных слоев элементов ТОТЭ все они должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к элементам традиционных ТОТЭ. Для слоев катода и анода это: высокая электропроводность, химическая и механическая стабильность при повышенных температурах (в окислительных условиях для катода и в восстановительных условиях для анода), близость коэффициента температурного расширения (КТР) электродов к КТР твердого электролита, достаточная пористость для обеспечения доступа кислорода из газовой фазы к твердому электролиту. Для слоя электролита это: беспористость и плотность, высокая кислородная проводимость и низкая электропроводность, высокая механическая прочность, стойкость к термоциклированию.

Катоды твердооксидных топливных элементов должны обладать высокой электрической проводимостью, высокой каталитической активностью, достаточной пористостью для обеспечения доступа кислорода из газовой фазы к твердому электролиту и совместимость с другими компонентами топливной ячейки. Анодный электрод должен иметь высокую электропроводность, химическую и механическую стабильность, достаточную пористость для обеспечения доступа кислорода из газовой фазы к твердому электролиту. Пленки твердого электролита должны быть беспористые и плотные с высокой кислородной проводимостью и низкой электропроводностью.

Сформулированы требования, предъявляемые к анодным электродам ТОТЭ:

– Высокая ионная (кислородная) проводимость (> 10^-8 Ом×см^-1);

– Высокая электронная проводимость (> 100 Ом×см^-1);

– Хорошая газопроницаемость (развитая поверхность);

– Каталитические свойства в реакции окисления топлива;

– Химическая стабильность при контакте с материалами электролита и токового коллектора при рабочих температурах ТОТЭ;

– Коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) близкий к КЛТР остальных элементов;

– Высокая стабильность в области рабочих температур (650 – 950 С) в условиях протекания ионного тока.

Установлены используемые для формирования функциональных слоев составы.