Регистрация / Вход
Прислать материал

"Исследование новых технических возможностей для создания экологически чистого генератора водорода с использованием фотоэлектрохимического элемента на основе наноструктур полупроводниковых нитридов III группы"

Докладчик: Папченко Борис Петрович

Должность: Ответственный исполнитель

Цель проекта:
НИР направлена на разработку новых технических средств в области технологий водородной энергетики. Водород рассматривается, как экологически чистое топливо, не приводящее к образованию парникового газа (CO2), которое может использоваться, в двигателях внутреннего сгорания, теплообменниках и генераторных установках различной мощности, производящих электроэнергию. Основной целью проекта является также получение значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию перспективного типа экологически чистого генератора водорода с использованием фотоэлектрохимического элемента на основе наноструктур полупроводниковых нитридов III группы. Подобные устройства снижавшую экологическую нагрузку на природу внедрением энергосберегающей экологически безопасной технологии производства водорода. Для достижения основной цели данной работы предполагается решение следующих задач • Выращивание слоев одиночных слоев GaN, как нелегированных, так и легированных Si и Mg, а также структур GаN/InGaN на подложках из сапфира и кремния методом хлоридно-гидридной газофазной эпитаксии. • Характеризация выращиваемых слоев и структур (образцов) для контроля и оптимизации их структурных, оптических и электрических свойств. • Разработка методики пост-ростового нано-структурирования поверхности образцов в виде колонок диаметром 100-300 нм и высотой до 1500 нм. Подобные нано-структурированные образцы предполагается использовать в качестве фотоэлектрохимического элемента (рабочего электрода) генератора водорода • Изготовление прототипа (макета) ячейки фотоэлектрохимического элемента (ФЭХЭ) для проведения экспериментов по генерированию водорода из водного элктролита. • Подбор электролита и условий эксперимента, определение технических и других требований к ФЭХЭ. • Проведение экспериментов по генерированию водорода из водного электролита с различным значением рН и близкой ионной силой ратвора. Анализ полученных результатов. Выбор и обоснование направлений прикладных НИР, ОКР и ОТР, обеспечивающих создание генераторов водорода с ФЭХЭ на основе наноструктур полупроводниковых нитридов III группы. • Проведение патентных исследований по теме проекта и полученным результатам.

Основные планируемые результаты проекта:
1 При выполнении НИР должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1.1 Промежуточные и заключительный отчеты о НИР, содержащие:
а) обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, касающейся
технических средств в области технологий получения водорода фотоэлектрохимическим способом;
б). Отчет о патентных исследованиях.
в) обоснование выбора направления исследований;
г) теоретическое обоснование используемых методов, применяющихся в области технологий получения
водорода фотоэлектрохимическим способом;
д) результаты экспериментальных исследований методов, применяющихся в области технологий
получения водорода фотоэлектрохимическим способом
е) технико-экономическую оценку результатов ПНИ;
ж) обобщение и выводы по результатам ПНИ;
з) рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ;
- измерение шероховатости и плотности дефектов на поверхности GaN слоёв и GаN/InGaN структур
методом атомно-силовой микроскопии (AFM).
- измерение кривых качания слоев GaN и GаN/InGaN структур методами рентгеновской дифрактометрии
(XRD) для оценки струкруктурного совершенства слоев GaN и InGaN и состава слоев InGaN
- измерение вольт-емкостных (C-V) характеристик слоев GaN и GаN/InGaN структур для оценки
концентрации ионизованных доноров или акцепторов в приповерхностной области
- измерение эффекта Холла для определения концентрации и подвижности носителей в слоях и структурах
- измерение размеров наноколонок, сформированных на поверхности слоев и структур
и) результаты экспериментальных исследований выращивания структур
k) результаты экспериментальных исследований генерирования водорода из водного электролита;
л) результаты исследовательских испытаний макета ФЭХЭ и макета генератора водорода,
м) технические требования и предложения по разработке, производству
и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей
индустриального партнера;
н) лабораторная методика пост-ростового нано-структурирования поверхности образцов.
1.2. Эскизная конструкторская документация на макеты ФЭХЭ и генератора водорода;
1.3. Экспериментальные образцы структур, макеты ФЭХЭ и генератора водорода;
1.4 Проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка генератора водорода с
использованием фотоэлектрохимического элемента на основе структур полупроводниковых нитридов III
группы»
ФЭХЭ должен быть конкурентоспособен по сравнению с аналогичной разработкой зарубежных фирм и
университетов в части:
1) Большей эффективности преобразования энергии света в водород;
2) Меньшей себестоимости технологического процесса получения слоев и структур для ФЭХЭ.
3) Большего срока службы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Водород рассматривается, как экологически чистое топливо, не приводящее к образованию парникового
газа, которое может использоваться, в двигателях внутреннего сгорания, теплообменниках и генераторных
установках различной мощности, производящих электроэнергию.
Результаты НИР могут найти свое применение в разработке генератора водорода и водородного
топливного элемента способного в перспективе заменить двигатели внутреннего сгорания и обеспечить
подачу электрической мощности потребителям, как в стационарном, так и в передвижном варианте.
Результатом выполнения данной перспективной НИР является появление возможности использования
предлагаемой технологии для реализации на ее основе – и на примере прототипов (макетов) устройств,
также являющихся результатом разработки, - экологически чистых и весьма дешевых способов получения
чистого водорода с использованием энергии солнечного света.
Массовое использование подобной технологии может привести к дополнительной экономии средств
вследствие применения ее в сфере нетрадиционной энергетики, к росту разработок и увеличению
вариантов их успешного промышленного применения в области водородной энергетики, даст стимул для
реализации новых НИР, ОКР и промышленных приложений в смежных областях (дальнейший прогресс в
сфере приложений водородной энергетики, конструирования водородных двигателей, химической отрасли
– и т.д.)

Полученный водород является универсальным энергоносителем, который может быть использован почти в
любой энергетической системе. Преобразование энергии, содержащейся в водороде, производится с
помощью топливных элементов, которые имеют различную конструкцию и назначение. Стационарные -
могут использоваться в системах резервного энергоснабжения промышленных и бытовых объектов,
источниках питания удаленных потребителей. Переносные топливные элементы могут питать энергией
практически любое портативное устройство, которое работает на обычных батареях. И наконец, топливные
элементы, по мере удешевления производства водорода, будут все шире применяться на всех видах
транспорта, замещая другие виды топлива.
Возможные потребители научно-технических результатов ПНИ:
Химическая промышленность, нефтехимия, атомная энергетика:
- источники водорода,
- защитные покрытия против водородной коррозии реакторов,
- производство аммиака, метанола, перекиси водорода и т.п.,
- утилизация попутных продуктов синтеза.
Металлургия:
- термическая обработка (отжиг, нейтральная закалка, спекание, закалка в потоке газа).
Электронная промышленность:
- сверхчистый водород для особо чистых производств (корпусирование интегральных схем,
эпитаксиальные производства).
Оборонная отрасль и аварийно-спасательное оборудование:
- полевые источники энергии,
- системы жизнеобеспечения,
- автономное питание удаленных потребителей (радиомаяков, метеостанций, радиобуев и т.д.).
Наука и образование:
- источники водорода для исследовательских целей и научных лабораторий.,
- проведение реакций гидрирования органических веществ.
Индустриальный партнер, привлекаемый в данный проект – ООО "МОНТЭЛКОМ", обладает
необходимой инфраструктурой и оборудованием для проведения работ за внебюджетные средства по
проекту и дальнейшей коммерциализации результатов работ по проекту.
Продукция общества с ограниченной ответственностью "МОНТЭЛКОМ» − интегрированные наземная и
бортовая электронная аппаратура различного назначения, в том числе судовая и авиационная, включая
блоки питания.
ООО "МОНТЭЛКОМ» − разработчик, изготовитель и поставщик продукции, основанной на
высокотехнологичных решениях для авиатранспорта, сферы безопасности, ВПК.
Компания располагает современным хорошо оснащенным монтажно-сборочным производством, широким
спектром современного контрольно-измерительного оборудования и необходимой испытательной базой.
Новизна и высокий технический уровень продукции подтверждены и защищены патентами на изобретение
и полезные модели. Производство сертифицировано на соответствие международному стандарту качества
ISO 9001.
Серьезные перспективы развития ООО "МОНТЭЛКОМ»связывает с разработкой и производством
аппаратуры для получения электрической энергии на основе возобновляемых источников энергии –
водорода, получаемого разложением воды фотоэлектрохимическим способом.
Составляющими успеха ООО "МОНТЭЛКОМ» безусловно являются высокое качество продукции,
применение прогрессивных компьютерных технологий, гибкая ценовая политика, богатый практический
опыт и стремление к освоению новых технических направлений.

Текущие результаты проекта:
1.Выращены несколько опытных образцов на подложках из сапфира одиночные слои GaN ( нелегированных и легированных Si и Mg) методом хлоридно-гидридной газофазной эпитаксии. Для опытных образцов измерены вольт-емкостных (C-V) характеристики слоев GaN для оценки концентрации ионизованных доноров или акцепторов в приповерхностной области.
2.Проведен первичный эксперимент по выяснению химической устойчивости электродов на основе нитрида галлия. Установлено, что данный материал вне зависимости от типа легированности не может служить анодом, т.к. быстро растворяется.
3. Моделируя процесс электролиза (используется внешний источник электрической энергии), установлено, что для получения надежно измеряемых количеств водорода (0,5 - 1мл) необходимо создавать разность потенциала более 4 В и силу тока не менее 100 мА (размер катода GaN - 2,5-3 кв.см).