CC BY
0Разработка микротрубчатых ТОТЭ
А.П.Немудрый, М.П.Попов, Е.С.Тропин, Е.Ю.Лапушкина, В.П.Сивцев,
Р.Д.Гуськов
ИХТТМ СО РАН, 630090, Новосибирск, ул. Кутателадзе, д.18
Development of microtubular SOFCs
A.P.Nemudry, M.P.Popov, E.S.Tropin, E.Yu.Lapushkina, V.P.Sivcev, R.D.Guskov
Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS, 630090, Novosibirsk,
Kutateladze, 18
e-mail: nemudry@solid.nsc.ru DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.6
В последние годы усилия мирового сообщества направлены на повышение эффективности использования углеводородного топлива и энергосбережение, в том числе на переход от централизованной энергетики к распределенной [1]. В этом отношении топливные элементы (ТЭ), способные эффективно преобразовывать энергию топлива непосредственно в электрическую энергию с высоким КПД, а также возможность их размещения непосредственно у потребителя, привлекают все большее внимание. Преимуществами твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) является гибкость в выборе топлива, включая возможность использования традиционных углеводородов, а также практически полное отсутствие благородных металлов В настоящее время доступны два основных типа ТОТЭ: планарные и трубчатые. Планарные ТОТЭ имеют оптимальную конструкцию, обеспечивающую наименьшее сопротивление и, следовательно, более высокую удельную мощность. Однако с точки зрения скорости запуска, простоты герметизации и стабильности при термоциклировании предпочтительными являются трубчатые ТОТЭ. Удельную мощность трубчатых ТОТЭ можно существенно увеличить за счет уменьшения внешнего диаметра ячеек до нескольких миллиметров. Топливные элементы этого типа выделяют в отдельный тип микротрубчатых ТОТЭ (МТ-ТОТЭ). Первые МТ ТОТЭ были разработаны в 1990-х годах [2]. Исследования показали, что компактность, высокая удельная мощность и быстрый запуск делают МТ-ТОТЭ перспективными автономными портативными электрогенераторами, отвечающими потребностям современного общества [3].
В ИХТТМ СО РАН ведутся работы по созданию единичных микротрубчатых анод поддерживаемых ТОТЭ. В докладе будут приведены сравнительные характеристики микротрубчатых анодных подложек состава NiO/10YSZ (60/40), полученных разными способами: экструзией с фазовой инверсией, фазовой инверсией при замораживании и методом окунания. На рисунке 1а и таблице 1 приведены последовательность и состав слоев, наносимых на анодную подложку. На рисунке 1б приведены фотография МТ ТОТЭ в различной стадии готовности и микрофотография МТ ТОТЭ на сломе.
Анодная подложка (Support) NiO/10YSZ: (60/40)
Анодный функциональный слой (AFL) NiO/10YSZ: (40/60)
Электролитный слой (EL) Zr0.9Y0.101.95 (10YSZ)
Буферный слой (BL) Ce0.9Sm0.1O1.95 (SDC)
Катодный функциональный слой (CFL) Ba0.5Sr0.5Co0.75Fe0.2Mo0.0503-8 (BSCFM5) BSCFM5/SDC: (60/40)
Катодный токосъемный слой (CCCL) La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803-8 (LSCF)
Рисунок 1. (а) - последовательность слоев в МТ ТОТЭ; (б) - микрофотография МТ ТОТЭ на
сломе.
Одной из основных характеристик, определяющих мощность МТ ТОТЭ является потери на катоде, которые состоят из омического и поляризационного сопротивлений. Для минимизации потерь предложено использовать в качестве катодного функционального слоя, непосредственно контактирующего с электролитом, материал, обладающий максимальными скоростями кислородного обмена с газовой фазой. Для этого были проведены сравнительные исследования кинетики кислородного обмена на катодных материалах, традиционно используемых в ТОТЭ и разработанных в ИХТТМ СО РАН. Для определения материала катодного токосъемного слоя были проведены измерения электропроводности и отобраны материалы с минимальным омическим сопротивлением. Перспективность данного подхода продемонстрирована на рис. 2.
Рисунок 2. Вольтамперные характеристики МТ ТОТЭ с различной комбинацией катодных материалов: 1- LSCF одновременно в качестве КФС и КТС, 2- BSCFM5 одновременно в качестве КФС и КТС и 3 - (BSCFM5 - КФС) + (LSCF - КТС).
Работа выполнена при поддержке РНФ, проект №21-79-30051.
22
Литература
[1] Mahyar Kamali Saraji, Dalia Streimikiene «Challenges to the low carbon energy transition: A systematic literature review and research agenda», Energy Strategy Reviews, 49 101163101183 (2023).
[2] K. Kendall, G. Sales “A rapid heating ceramic fuel cell”, Ceramics in energy applications, Institute of Energy, London (1994).
[3] Z. Xuebai, J. Yingmin, L. Dong, X. Yueping, “A review on recent advances in microtubular solid oxide fuel cells”, J. Power Sources, 506, 230135 (2021).
