CC BY
0Композитные материалы для электрической коммутации твердооксидных
топливных элементов
Д.Ю.Дубовцев, И.Д.Устюжанинов, Н.С.Саетова, А.В.Кузьмин
Вятский государственный университет, 610000, Киров, Кировская обл., ул.
Московская, д.36
Conducting glass-based composite materials for SOFC sealing D.I.Dubovtsev, I.D.Ustyuzhaninov, N.S.Saetova, A.V.Kuzmin
Vyatka State University, 610000, Kirov, Kirov region, Moskovskaya, 36 e-mail: usr22638@vyatsu.ru
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.56
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) представляют собой электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива в электрическую. Среди всех видов ТОТЭ трубчатые конструкции представляют большой интерес, благодаря их долгосрочной стабильности и устойчивости при темоциклировании в рабочих условиях. Однако сложность в изготовлении таких ТОТЭ, заключается в обеспечении надежной электрической коммутации между материалом электродов и материалом интерконнектора. В настоящее время электрическая коммутация трубчатой конструкции реализуется за счет припекания к электродам серебряной, платиновой или палладиевой проволоки, намотанной на катодный слой ТОТЭ. Данный способ имеет ряд ключевых недостатков таких как дороговизна используемых материалов, сложность в обеспечении эффективного токосъема. Помимо этого, плотная намотка проволокой может привести к нагромождению катодного части ТОТЭ.
Одним из путей обеспечения электрической коммутации со стороны катода в трубчатых ТОТЭ может служить создание композита с проводящим материалом. Так использование проводящих частиц позволит получить электрический контакт между материалом электрода и интерконнектором, а стеклогерметик, выполняющий роль связующего, обеспечит хорошую адгезию к функциональным материалам ТОТЭ. В данной работе проводится оценка возможности добавления проводящего материала к стеклогерметикам для обеспечения электрической коммутации между катодным материалом и материалом интерконнектора.
В качестве стеклогерметика было выбрано перспективное стекло состава 54,4SiO2-13,7Na2O-1,7K2O-5,0CaO-12,4MgO-0,6Y2O3-n,3AhO3-0,9B2O3 (мас. %) [1,2]. В качестве проводящей основы использовали следующие материалы: сплав PdAg, железо металлическое и карбоксильное, катодный материал LNF(LaNi0.6Fe0.4O3), углерод и марганцево-кобальтовую шпинель (MnCo2O4). Общую электропроводность образцов измеряли двухзондовым методом на постоянном токе. Образцы в форме прямоугольных параллелепипедов были спечены при температуре 950 °C.
т. °с
и
"1 О
с га о
3 2 1 О -1 -2 -3 -4
-7
-а
850 700 600
500
400
1 1 1 1 1 1 ■ ■ Экспериментальные данные i I ■ 1 1 I
. п Экстраполяция данных
- стекло+PdAg
□ □ □ ■ я ■ я ■ ■ *
□ □ А ш щ я я ■ стекло+LNF ■ •
я я я ■ стекло+МпСо204
: 0 □ □ □ □ я я я ■ ■ ■ я я ■ " ■ стекло+Рекарбок ■ ■
■ стекло+Fe^™
□ □ □ ш в а
- ■ я стекло+углерод
i 1 i ■ i . V .
0.8 0.9 1.0 1.1 12 1.3 1.4 1.5
1000/ТК"1
Рисунок 1. Температурные зависимости удельной проводимости композитных материалов, полученные экспериментально и путём экстраполяции данных.
Согласно полученным данным по проводимости, представленным на рисунке 1, наилучшие результаты демонстрируют композиты состава: стекло+PdAg, стекло+LNF и стекло+МпСо204. Композит стекло+PdAg обладает высокой электропроводностью, однако его производство связано с существенными затратами, что может затруднить его широкое применение. В качестве альтернативы можно рассмотреть композит стекло+LNF, демонстрирующий сопоставимую электропроводность при значительно меньших затратах на производство. Так же использование в качестве проводящих частиц материала катода позволит избежать взаимодействия других проводящих добавок, которые могут «отравить» материал катода.
Приведенный выше список не является ограниченным. Известны многие другие проводящие материалы, возможность применения которых в композитах для электрической коммутации в трубчатых ТОТЭ будет исследована в ходе дальнейшей работы.
Исследования проводятся при финансовой поддержке программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Литература
[1] N.S. Saetova, D.A. Krainova, A.V. Kuzmin, A.A. Raskovalov, S.T. Zharkinova, N.M. Porotnikova, A.S. Farlenkov, N.I. Moskalenko, M.V Ananyev, M.V Dyadenko, S. Ghosh, "Alumina-silica glass-ceramic sealants for tubular solid oxide fuel cells.", Springer US, vol. 54, N6, pp.4532-4545, (2019).
[2] D.A. Krainova, N.S. Saetova, I.G. Polyakova, A.S. Farlenkov, D.A. Zamyatin, A.V. Kuzmin, "Behaviour of 54.4Si02-13.7Na20-1.7K20-5.0CaO-12.4MgO-0.6Y203-n.3Ah03-0.9B2O3 HT-S0FC glass sealant under oxidising and reducing atmospheres.", J. Ceram. Int, N48, pp.6124-6130, (2021).
