CC BY
0Стабильность электрохимических характеристик твердооксидного электролизного элемента при работе вблизи напряжения
термонейтральности
А.В.Перфилов, Д.В. Яловенко, И.Н.Бурмистров, С.И.Бредихин
ИФТТРАН, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, д.2
Stability of the electrochemical characteristics of a solid oxide electrolysis cell operating near a thermoneutral voltage
A.V.Perfilov, D.V.Yalovenko, I.N.Burmistrov, S.I.Bredikhin
Osipyan Institute of Solid State Physics RAS, 142432, Chernogolovka, Moscow region,
Academician Osipyan, 2
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.36
Решение проблемы истощения природных энергоресурсов и избыточных выбросов углеродсодержащих веществ в атмосферу может быть обеспечено применением технологии электролиза воды. Эта технология имеет свои преимущества в накоплении энергии. Важно отметить, что при совместном использовании с ветряной и солнечной электрогенерации, электролиз воды является экологически безопасным способом получения топлива и не требует использования ископаемых источников энергии, таких как уголь, природный газ или нефть. Получаемый в результате процесса электролиза водород представляет собой экологически чистое топливо, не нуждающееся в дополнительной обработке. Так водород может стать потенциальной заменой батареям, природному газу или другим источникам энергии.
Исследование эволюции внутреннего сопротивления твердооксидного элемента в процессе работы в режиме генерации водорода - основная задача данной работы. Твердооксидные электролизные элементы (ТОЭлЭ) превосходят другие системы по энергоэффективности при производстве водорода, но их широкая коммерциализация затруднена проблемой высокой скорости деградации электрохимических характеристик в связи с увеличением внутреннего сопротивления при работе на высоких плотностях тока.
Проводилось изучение образцов ТОЭлЭ размером 50х50 мм электролит-поддерживаемой конструкции, электроды которых были изготовлены методом трафаретной печати с последующим раздельным спеканием катода и анода. Толщина электролита, произведённого компанией АО «НЭВЗ-Керамикс» (Россия), составляла 150 мкм [1]. Для изучения электрохимических характеристик была создана экспериментальная сборка из трех ТОЭлЭ, на основе приготовленных МЭБ. Исследования проводились с использованием потенциостата/гальваностата SmartStat, включая измерения вольтамперных, хронопотенциометрических характеристик и импедансных спектров как сборки в целом, так и отдельных ТОЭлЭ.
Напряжение термонейтральности - напряжение, при котором количество теплоты, необходимое для протекания электрохимической реакции разложения воды равно количеству выделяемого джоулева тепла. Как можно видеть из рисунка 1, выдержка при напряжении близком к напряжению термонейтральности приводит к снижению величины тока, снимаемого со сборки, что свидетельствует о росте внутреннего сопротивления сборки как целого, а также каждого из составляющих ее образцов. Для анализа структуры изменений сопротивления, проводились расчеты при помощи метода
построения эквивалентных схем, из которых были получены значения полного сопротивления для каждого из образцов.
Рисунок 2 показывает, что выдержка ТОЭлЭ в электролизной поляризации в течение 360 часов привела к росту внутреннего сопротивления примерно в 1,5 раза. Для определения причин ухудшения электрохимических характеристик, исследуемых ТОЭлЭ проводились периодические измерения импедансных спектров образцов.
Рисунок 1. Изменение напряжения на каждом из трех образцов батареи ТОЭлЭ во время ресурсных испытаний в режиме генерации водорода: нижний образец (черная), средний образец (красная), верхний образец (синяя) и величины силы тока (зеленая) кривые.
Рисунок 2. Эволюция внутреннего сопротивления каждого из трех образцов батареи ТОЭлЭ во время ресурсных испытаний в режиме генерации водорода: нижний образец (черная), средний образец (красная), верхний образец (синяя) кривые, плотность тока
0.625А/см2.
/*
- •
П Г)4- • • А -—“ ~~ —^8
СМ С ■ < 1 ► ►— • •
t О * с п пч • •
JZ о < i >—“ ►—— _—■• — • 9' • ф
см о Г) П9- i i ► ~ . • ' f -•
* а: 4 < » >— •—— • • —•—
Low ohmic -•- Low ohmic+catalitic >- Low total resistance -•-Mid ohmic -•- Mid ohmic+catalitic ►- Mid total resistance -•- Up ohmic •- Up ohmic+catalitic Up total resistance
П Г)1
п пп
и,иин ■ ‘ 1 1 1 1
50 100 150 200
Time (hours)
250
300
Рисунок 3 Разность мнимых частей импеданса до и после проведения ресурсных испытаний, в зависимости от частоты.: нижний образец (черная), средний образец (красная), верхний образец
(синяя) кривые, плотность тока 0.625А/см2
Как можно видеть из рисунка 3, основной рост, судя по величине наклона кривых, обеспечивается за счет увеличения значения высокочастотного вклада, в то время как для суммы омического и каталитического вкладов и для полного сопротивления, она сохраняется. Это позволяет связать ухудшение электрохимических характеристик с ростом вклада высокочастотных процессов, преимущественно потерь на транспорт ионного тока через электролитическую мембрану.
Литература
[1] Е.А. Агаркова, Д.А. Агарков, И.Н. Бурмистров, О.Ю. Задорожная, Д.В. Яловенко, Ю.К. Непочатов, С.И. Бредихин, “Трехслойные мембраны анионного проводника производства АО "НЭВЗ-Керамикс" для планарных ТОТЭ электролит-поддерживающей конструкции: характеристики и применение”, Электрохимия, на рецензии (2019).
