CC BY
0Электрохимические характеристики планарных электролит- и анод-поддерживающих среднетемпературных ТОТЭ с катодом на основе
купрата празеодима
Ю.О.Добровольский1, Н.В.Лысков2, Г.В.Нечаев2, В.Е.Пуха2, Г.Н.Мазо1
1МГУ имени М.В. Ломоносова, 119991, Москва, ул. Ленинские горы, д.1, стр. 3 2ФИЦПХФ иМХРАН, 142432, Черноголовка, Московская обл., пр. Семенова, д.1
Investigation of the electrochemical parameters of planar and microtubular electrolyte- and anode-supporting SOFCs with a cathode based on
praseodymium cuprate
Yu.O.Dobrovolsky1, N.V.Lyskov2, G.V.Nechaev2, V.E.Pukha2, G.N.Mazo1
1Lomonosov Moscow State University, Leninskie Gory 1/3, Moscow, 119992, Russia 2Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry RAS, Academican Semenov av. 1, Chernogolovka, Moscow region, 142432, Russia
e-mail iurii.dobrovolskii@chemistry.msu.ru
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.55
Одной из ключевых задач современной энергетики является разработка и применение технологий, основанных на использовании возобновляемых источников энергии. Среди всех типов альтернативных источников энергии особый интерес вызывают топливные элементы. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) рассматривают в качестве высокоэффективных и экологически безопасных устройств, преобразующих энергию окисления топлива в электроэнергию. Использование полупроводниковой керамики в качестве электродных материалов и работа при высоких температурах (800-1000°C) обуславливают возможность использования углеводородного топлива и высокий коэффициент полезного действия (~ 90%) таких устройств. Тем не менее, при длительной эксплуатации ТОТЭ при высоких температурах происходит деградация смежных компонентов, вследствие химического взаимодействия. В связи с этим основной задачей исследователей в области развития ТОТЭ является снижение рабочей температуры до среднетемпературного интервала (600-800°С). Однако снижение рабочей температуры приводит к росту поляризационного сопротивления, особенно катода, что связано с высокой величиной энергии активации, необходимой для реакции восстановления кислорода. Поэтому ключевым условием для создания коммерчески привлекательных устройств на основе среднетемпературных ТОТЭ является поиск новых катодных материалов и способов формирования границы электрод/электролит, позволяющих повысить электрохимическую активность протекания реакции восстановления кислорода и стабильность электрохимических характеристик.
В данной работе в качестве перспективного катодного материала ТОТЭ был рассмотрен сложный оксид Pr2CuO4 (PCO). Купрат празеодима обладает высокой электропроводностью (~100 См/см при 900°С) и термомеханической совместимостью (коэффициент термического расширения (КТР) = 11.9*10-6 К-1) со стандартными твердыми электролитами Ce0.9Gd0.1O1.95 (GDC) (КТР = 12.4*10-6 К-1) и Zr0.84Y0.i6O1.92 (YSZ) (КТР = 10.5*10-6 К-1). Для исследования электрохимических свойств купрата празеодима в качестве катода ТОТЭ были приготовлены модельные топливные ячейки различной конструкции состава NiO-YSZ/YSZ/GDC/катод. Толщина мембраны твердого
электролита YSZ составляла около 500 мкм для электролит-поддерживающего образца, а толщина анодной подложки - 400 мкм в случае анод-поддерживающей конструкции. Формирование тонкослойного электролита YSZ в анод-несущем образце осуществляли методом аэрозольного осаждения в вакууме. Для создания катода ячеек формировали бифункциональный слой, состоящий из функционального (смесь, состоящая из порошков РСО и GDC, взятых в соотношении 60 и 40 мас. %) и токосъемного (РСО) подслоев. Нанесение электродных и буферных слоев на мембрану твердого электролита и керметной подложки осуществляли методом трафаретной печати. Обозначения и конфигурация тестовых ячеек приведены в таблице 1. Исследование вольтамперных и мощностных характеристик единичных ячеек ТОТЭ проводили с помощью электрохимической ячейки ProboStat™ (NorECs AS, Норвегия) в интервале температур 600-900°С. В качестве окислителя использовалась азотно-кислородная смесь (80:20 об. %), топливом являлась увлажненная (3 об. % H2O) азотно-водородная смесь (50:50 об. %).
Таблица 1. Конфигурация и обозначение топливных ячеек (АН - аэрозольное напыление)
№ образца Подложка Конфигурация
(1) YSZ (500 мкм) Ni0-YSZ/YSZ/GDC/PC0-GDC(60:40)/PC0
(2) NiO-YSZ (400 мкм) Ni0-YSZ/YSZ(AH)/GDC(AH)/PC0-GDC(60:40)/PC0
На рис. 1 представлены РЭМ-изображения поперечного сечения полученных топливных ячеек. Анализ микроструктуры поперечного сечения полученных образцов показал хорошую адгезию электродных слоев к материалу электролита. Толщина анодного слоя для образца (1) (рис. 1а) составила 20 мкм. Стоит также отметить высокую плотность электролита на рис. 1а, б. Толщина тонкого газоплотного слоя YSZ для анод-поддерживающего образца (2) составила 4 ±1 мкм. Толщина буферного слоя для планарного электролит-поддерживающего образца (1) около 8 мкм, для анод-несущего (2) - 1 мкм. Толщина катодного слоя для образца (2) составила около 20 мкм.
Рисунок 1. РЭМ-изображения поперечного сечения планарных топливных ячеек: электролит-поддерживающая - а) анод/электролит б) катод/электролит; анод-поддерживающая - в).
Вольтамперные и мощностные характеристики исследованных топливных ячеек представлены на рис. 2. Линейный вид вольтамперных зависимостей образцов (1) и (2) свидетельствует об отсутствии диффузионных затруднений. Как видно из рисунка, электролит-поддерживающая ячейка обладает невысоким максимумом удельной мощности ~ 70 мВт/см2 при 800°С. При переходе к анод-поддерживающему образцу планарной геометрии с тонкопленочным электролитом удельная мощность возрастает почти в четыре раза до 265 мВт/см2 при 800°С.
со
.. 0,6
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 I, А/СМ2
Рисунок 2. Вольтамперные и мощностные характеристики электролит- и анод-поддерживающих топливных ячеек с катодом на основе PCO при 800 °С (номер соответствует
номеру ячейки в табл. 1).
В таблице 2 представлены экспериментальные величины омических и поляризационных потерь топливных ячеек при 800°С. Как видно, переход от электролита- (1) к анод-поддерживающей (2) конструкции с тонкопленочным электролитом обеспечивает снижение омических потерь почти в 10 раз. Анализ величин общего омического и поляризационного сопротивления модельных ТОТЭ при 800°С показал самую низкую величину поляризационных потерь (Rp) для планарного анод-поддерживающего образца (2) 0.49 Ом*см2 (табл. 2).
Таблица 2. Экспериментальные величины омических и поляризационных потерь
№ ячейки Rohm, ОмХсм2 Rp, ОмХсм2
(1)* 2.14 ± 0.02 0.78 ± 0.01
(2)** 0.25 ± 0.01 0.49 ± 0.01
планарные * электролит- и **анод-поддерживающие.
Результаты исследований полученных топливных ячеек показали, что уменьшение толщины электролита и переход к анод-поддерживающей конструкции ячейки обеспечивает рост мощности в четыре раза до -265 мВт/см2 при 800°С по сравнению с электролит-несущим образцом. Методом импедансной спектроскопии показано, что для анод-поддерживающей топливной ячейки наблюдается наименьшая величина поляризационных потерь. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования композитного состава в качестве катодного материала в условиях средних температур, а уменьшение толщины электролитного слоя до -5 мкм в анод-поддерживающей конструкции представляют наибольший интерес для дальнейших исследований.
Работа выполнена в рамках государственного задания ФИЦ ПХФ и МХРАН (номер государственной регистрации 124013000692-4).
