Электрохимия, 2024, № 3
научный журнал
Покупка
Новинка
Тематика:
Электрохимия
Издательство:
Наука
Наименование: Электрохимия
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 90
Дополнительно
Доступ онлайн
4 485 ₽
В корзину
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Российская академия наук
ЭЛЕКТРОХИМИЯ
том 60 № 3 2024 Март
Основан по инициативе А. Н. Фрумкина
в январе 1965 г.
Выходит 12 раз в год
ISSN: 0424-8570
Индекс журнала в каталоге Роспечати 39447
Журнал издается под руководством
Отделения химии и наук о материалах РАН
Главный редактор
Академик РАН А.Ю. Цивадзе
Зам. главного редактора
В.Н. Андреев, М.А. Воротынцев
Ответственный секретарь
Е.В. Золотухина
Редакционная коллегия:
Я.Г. Авдеев, О.В. Бушкова, В.М. Волгин, О.Л. Грибкова, Г.А. Евтюгин, А.В. Иванищев, В.В. Кондратьев,
А.Г. Кривенко, В.В. Кузнецов, В.А. Курмаз, Н.В. Лысков, К.Н. Михельсон, А.Д. Модестов,
В.В. Никоненко, А.М. Скундин, Н.В. Смирнова, Д.Г. Яхваров
Международный комитет:
К. Аматор (Париж, Франция), Е.В. Антипов (Москва, РФ), П. Атанасов (Ирвин, США),
Б.М. Графов (Москва, РФ), А.Д. Давыдов (Москва, РФ), Ю.А. Добровольский (Черноголовка, РФ),
Жун Чен (Nankai, Китай), Ю.П. Зайков (Екатеринбург, РФ), Дж. Инзельт (Будапешт, Венгрия),
Р.Дж. Комптон (Оксфорд, Англия), П.Й. Кулеша (Варшава, Польша), Д. Орбах (Бар-Илан, Израиль),
С. Сатиропулос (Тессалоники, Греция), Й. Ульструп (Лингби, Дания), Х.М. Фелью (Аликанте, Испания),
А.Р. Хилман (Лестер, Англия), Ф. Шольц (Грайфсвальд, Германия), А.Б. Ярославцев (Москва, РФ)
Консультативный совет:
А.Г. Волков (Хантсвил, США), В.А. Гринберг (Москва, РФ), А. Куликовский (Юлих, Германия),
Т.Л. Кулова (Москва, РФ), С.А. Мартемьянов (Пуатье, Франция), А.И. Маршаков (Москва, РФ),
А. Пронь (Варшава, Польша), Г. Рагойша (Минск, Белоруссия), В.А. Сафонов (Москва, РФ),
Я. Стейскал (Прага, Чехия), Е.Е. Ферапонтова (Архус, Дания), В.В. Хартон (Авейро, Португалия)
Электронная почта редколлегии журнала “Электрохимия”: rjelectrochemistry@yandex.com
Адрес: 119071, Москва, Ленинский проспект, 31
Институт физической химии и электрохимии им. АН. Фрумкина РАН
Редакция журнала “Электрохимия”
e-mail: ftse@mail.ru
Зав. редакцией Т.С. Филатикова
Москва
ФГБУ «Издательство «Наука»
© Российская академия наук, 2024
© Редколлегия журнала “Электрохимия”
(составитель), 2024
СОДЕРЖАНИЕ
Том 60, номер 3, 2024
Специальный выпуск на основе материалов IX Всероссийской конференции
с международным участием “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”
(Черноголовка, 2022 г.)
Использование прекурсоров для изготовления композитного материала
на основе диоксида циркония, допированного 8 мол. % оксида иттрия (8YSZ),
и NiO для анод-поддерживаемых ТОТЭ
Е. А. Агаркова, И. Н. Бурмистров, Д. В. Яловенко, О. Ю. Задорожная,
Ю. К. Непочатов, С. В. Работкин, А. А. Соловьев, С. И. Бредихин 167
Формирование с использованием струйной 3D-печати анода
твердооксидного топливного элемента на основе композиций NiO-Ce0.8Gd0.2O2
и исследование его микроструктуры
А. Д. Асмедьянова, А. С. Багишев, О. А. Логутенко, А. И. Титков 174
Диффузионные никель-кобальтовые покрытия
для защиты токовых коллекторов твердооксидных электролизных элементов
из стали Crofer 22 APU
О. В. Пикалов, Н. В. Деменева, И. И. Зверкова, С. И. Бредихин 182
Анализ характеристик батареи топливных элементов
с протонообменной мембраной: влияние температуры окружающей среды
Н. А. Фаддеев, И. В. Васюков, М. А. Беличенко, А. В. Серик, Н. В. Смирнова 191
Изучение особенностей формирования наночастиц Pt(0)
на поверхности пеноникеля в условиях ионного наслаивания
и их электрокаталитических свойств в реакции выделения водорода
при электролизе воды в щелочной среде
М. В. Канева, Л. Б. Гулина, В. П. Толстой 198
Влияние природы порообразователей на микроструктуру анода ТОТЭ
на основе NiO и 10YSZ, сформированного гибридной 3D-печатью
И. А. Мальбахова, А. С. Багишев, А. М. Воробьев, Т. А. Борисенко, А. И. Титков 210
Магнетронная технология изготовления электродов электролизеров
с протонообменной мембраной
С. И. Нефедкин, А. В. Рябухин, В. Е. Елецких, Р. Г. Болдин,
В. Д. Михневич, М. А. Климова 221
Изучение высокотемпературного выделения кислорода
из сложного оксида La2NiO4+δ в квазиравновесном режиме
Е. С. Тропин, М. П. Попов, Р. Д. Гуськов, А. П. Немудрый 235
Исследование кальций-боросиликатной стеклокерамики
в качестве герметика ТОТЭ
А. О. Жигачев, С. И. Бредихин, Е. А. Агаркова, Д. В. Матвеев 242
CONTENTS
Vol. 60, No. 3, 2024
Special Issue Based on the Materials of the 9th All-Russian Conference
(with International Participation) “Fuel Cells and Power Plants Based on Them”
(Chernogolovka, 2022)
Application of Yttria Stabilized Zirconia (8YSZ),
and NiO Precursors for Fabrication of Composite Materials
for Anode-Supported SOFCS
E. A. Agarkova, I. N. Burmistrov, D. V. Yalovenko, O. Yu. Zadorozhnaya,
Yu. K. Nepochatov, S. V. Rabotkin, A. A. Solovyev, S. I. Bredikhin 167
Fabrication of NiO-Ce0.8Gd0.2O2-Based Anode
for a Solid Oxide Fuel Cell Using Inkjet 3D Printing and Study of its Microstructure
A. D. Asmedianova, A. S. Bagishev, O. A. Logutenko, A. I. Titkov 174
Diffusion Nickel-Cobalt Coatings for Protection
of Solid Oxide Electrolysis Cells’ Current Collectors Made of Crofer 22 APU Steel
O. V. Pikalov, N. V. Demeneva, I. I. Zverkova, S. I. Bredikhin 182
Performance Analysis of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Battery:
Effect of Ambient Temperature
N. A. Faddeev, I. V. Vasyukov, M. A. Belichenko, A. V. Serik, N. V. Smirnova 191
Study of the Formation Features of Pt(0) Nanoparticles
at the Interface of Nickel-Aqueous Solution of Reagents under Sild Conditions
and their Electrocatalytic Properties in Hydrogen Evolution Reaction During Water Electrolysis
in an Alkaline Medium
M. V. Kaneva, L. B. Gulina, V. P. Tolstoy 198
The Effect of the Nature of Pore Former
on the Microstructure of SOFC Anodes Based on NiO
and 10YSZ Formed by Hybrid 3D Printing
I. A. Malbakhova, A. S. Bagishev, A. M. Vorobyev, Т. А. Borisenko, A. I. Titkov 210
Magnetron Technology for Manufacturing Electrodes
of Electrolysers with a Proton-Exchange Membrane
S. I. Nefedkin, A. V. Ryabukhin, V. E. Eletskikh, R. G. Boldina,
V. D. Mikhnevich, M. A. Klimova 221
Investigation of High-Temperature Oxygen Release from LA2NiO4+Δ
in Quasi-Equilibrium Mode
E. S. Tropin, M. P. Popov, R. D. Guskov, A. P. Nemudry 235
Calcium-Borosilicate Glass-Ceramic as a Sealant for SOFC
A. O. Zhigachev, S. I. Bredikhin, E. A. Agarkova, D. V. Matveev 242
ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2024, том 60, № 3, с. 167–173
УДК 621.352
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕКУРСОРОВ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА ...
НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ,
ДОПИРОВАННОГО 8 МОЛ. % ОКСИДА ИТТРИЯ (8YSZ),
И NiO ДЛЯ АНОД-ПОДДЕРЖИВАЕМЫХ ТОТЭ1
© 2024 г. Е. А. Агаркова И ДР.a, *, И. Н. Бурмистровa, Д. В. Яловенкоa,
О. Ю. Задорожнаяb, Ю. К. Непочатовb, С. В. Работкинc,
А. А. Соловьевc, С. И. Бредихинa
aИнститут физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН, Черноголовка, 142432 Россия
bАО “НЭВЗ-Керамикс”, Новосибирск, 630048 Россия
cИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, Томск, 634055 Россия
*e-mail: stepanova.ea@issp.ac.ru
Поступила в редакцию 21.10.2022 г.
После доработки 26.07.2023 г.
Принята к публикации 03.10.2023 г.
В настоящей работе выполнена направленная оптимизация технологии изготовления двух слойных поддерживающих анодных подложек для планарных твердооксидных топливных эле ментов с использованием прекурсоров. Двухслойные поддерживающие анодные подложки для
планарных ТОТЭ второго поколения были изготовлены методом литья на движущуюся ленту
с последующим ламинированием. С целью приготовления композитного материала для то косъемного слоя, содержащего 60 об. % NiO, и функционального слоя, содержащего 40 об. %
NiO (выбраны значения, близкие к первому и второму перколяционным порогам), использо вали семиводный сульфат никеля NiSO4∙7H2O. Композитную смесь 8YSZ/NiSO4 прокаливали
при температуре 1000°С. Использование указанного прекурсора привело к получению прочной
анодной подложки, сохраняющей механическую стабильность при окислительно-восстанови тельных циклированиях. Мелкая дисперсность NiO в тонком функциональном слое привела
к высокой плотности трехфазных границ, что положительно повлияло на электрохимическую
активность анода. На основе поддерживающих анодных подложек были изготовлены модель ные образцы твердооксидных топливных элементов, которые были исследованы с помощью
стандартных электрохимических методик. Удельная мощность при рабочей температуре 750°С
составила 1 Вт/см2.
Ключевые слова: твердооксидные топливные элементы, ТОТЭ, анодная подложка, поддержива ющий анод, механическая стабильность, микроструктура
DOI: 10.31857/S0424857024030017, EDN: RBYQMQ
1 Публикуется по материалам IX Всероссийской конференции с международным участием “Топливные элементы
и энергоустановки на их основе”, Черноголовка, 2022.
167
АГАРКОВА и др.
APPLICATION OF YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA (8YSZ),
AND NiO PRECURSORS FOR FABRICATION
OF COMPOSITE MATERIALS FOR ANODE-SUPPORTED SOFCS
© 2024 E. A. Agarkovaa, *, I. N. Burmistrova, D. V. Yalovenkoa, O. Yu. Zadorozhnayab,
Yu. K. Nepochatovb, S. V. Rabotkinc, A. A. Solovyevc, S. I. Bredikhina
aOsipyan Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, 142432 Russia
b“NEVZ-CERAMICS”, JSC, Novosibirsk, 630048 Russia
cInstitute of high current electronics Siberian Branch, Russian Academy of Science, Tomsk, 634055 Russia
*e-mail: stepanova.ea@issp.ac.ru
Received on October 21, 2022
Revised on July 26, 2023
Accepted on October 3, 2023
In this paper, optimization of the manufacturing technology of bilayer supporting anode substrates for
planar solid oxide fuel cells using precursors is carried out. The bilayer supporting anode substrates for
the second generation planar SOFCs were fabricated by tape casting technique. In order to prepare
a composite material for a current-collecting layer containing 60 vol. % NiO and a functional layer con taining 40 vol. % NiO (proportions were chosen due to percolation theory), nickel sulfate heptahydrate
NiSO4·7H2O was used. The composite mixture of 8YSZ/NiSO4 was calcined at a temperature of 1000°С.
Application of NiO precursor led to the obtaining of a strong anode substrate that retains mechanical
stability during redox cycling. The fine dispersion of NiO in a thin functional layer led to a high density
of three-phase boundaries, which positively affected the electrochemical activity of the anode. Model
samples of solid oxide fuel cells were made on the base of the manufactured anode substrates, its electro chemical behavior was investigated using standard electrochemical techniques. The power density at an
operating temperature of 750°С was 1 Wt/cm2.
Keywords: solid oxide fuel cells, SOFC, anode support, mechanical strength, microstructure
ВВЕДЕНИЕ окислительно-восстановительных циклиро ваниях. Пагубные структурные изменения
Твердооксидные топливные элементы в аноде ТОТЭ возникают из-за существенно(ТОТЭ) анод-поддерживаемой конструкции го объемного эффекта на уровне 42 объемных
имеют неоспоримое преимущество по сравне- процентов, сопровождающего процессы окиснию с ТОТЭ электролит-поддерживаемой кон- ления металлического Ni до NiO и следующего
струкции. Данное преимущество связано с су- за ним процесса восстановления [6].
щественно меньшей толщиной пленки элек- Исследователями и разработчиками предпри-тролита – на уровне 5–10 мкм, что существенно нимаются различные попытки по обеспечению
снижает омические потери (для ТОТЭ перво- механической стабильности анод-поддерживаего поколения потери на анионный транспорт мых ТОТЭ за счет оптимизации микроструктуры
в мембране твердого электролита составляют анодной подложки. Основная идея большинства
около половины полного внутреннего сопро- подходов – создать механически прочный картивления топливного элемента) и позволяет по- кас, сформированный зернами твердого элеклучать существенно более высокие мощностные тролита [7–9]. При применении такого подхода
характеристики даже при пониженных рабочих мелкодисперсный NiO, выполняющий в данном
температурах [1–4]. случае электрохимические, а не механические
Одна из существенных трудностей, воз- функции, должен быть равномерно распределен
никающих при функционировании ТОТЭ по всему объему электрода.
анод-поддерживаемой конструкции, – воз- В литературе встречаются различные споможность потери механической стабильности собы технической реализации данного подхоэлемента в процессе работы [5]. Этот процесс да. Например, в работе [7] сначала формируют
связан с возможной механической и микро- многослойную керамическую структуру, в ценструктурной деградацией анода элемента при тре которой находится газоплотный электролит
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 3 2024
использование прекурсоров для изготовления Композитного материала... 169
на основе галлата-манганита лантана-стронция и семиводного сульфата никеля NiSO4∙7H2O
(LSGM), а по краям от него – пористые слои (АО “Уралэлектромедь”, Россия). В функциLSGM-электролита. Композитный электрод ональном анодном слое содержалось 60 об. %
изготавливается путем импрегнации пористого 8YSZ, а в токосъемном слое – 40 об. %. Укаслоя LSGM водным раствором нитрата никеля занные соотношения компонентов в композите
с последующим прокаливанием при температу- были выбраны как значения, близкие к первому
ре 700°С. Такой подход имеет несколько преи- и второму перколяционным порогам, сопровомуществ. Во-первых, он позволяет сформиро- ждаемым резким изменением амбиполярной
вать каркас структуры при высокой температуре, проводимости композиционного материала [10].
а во-вторых, он позволяет получить зерна окси- Смесь порошков перемалывалась в дистиллирода никеля сколь угодно мелкой дисперсности ванной воде на валковой мельнице с использоза счет отсутствия необходимости в проведении ванием мелящих тел из частично стабилизировысокотемпературного отжига после прокалки ванного диоксида циркония диаметром 10 мм.
(поскольку высокотемпературный отжиг приво- После гомогенизации смеси проводилась ее
дит к существенному росту размера зерен). прокалка при температуре 1000°С. Процесс
В работе [8] исследователи провели моди- приготовление суспензии, а также процедура
фикацию поверхности сферических частиц литья подробно описаны в [11]. Для обеспечеZr0.92Y0.08O2-δ (8YSZ). В качестве прекурсоров ния пористости подложки в суспензию для тоиспользовались оксид, нитрат и гидроксокар- косъемного слоя был дополнительно введен побонат никеля. С их помощью была изготовлена рообразователь – рисовый крахмал (BOTGAO,
стабильная суспензия на основе NiO и 8YSZ. Вьетнам) с характерным размером частиц
Для получения порошка правильной морфологии 2–5 мкм.
композит прокаливался в два этапа: сначала при Для изготовления двухслойного электролита
температуре 800°С, после этого следовал помол с составом 8YSZ/10GDC (10GDC = 90 мол. %
для предотвращения быстрого разрастания зерен CeO2 + 10 мол. % Gd2O3) использовался метод
NiO, а затем следовал второй высокотемператур- реактивного магнетронного напыления. Наненый отжиг при температуре 1200°С. Кермет, спе- сение проводилось с использованием металличенный при температуре 1400°С, имел жесткий ческих мишеней с составом Zr-Y (85:15 ат. %)
каркас, составленный зернами 8YSZ. и Ce-Gd (90:10 ат. %) производства компании
В данной работе предложено использование “Гирмет” (Россия). Осаждение проводили в атсемиводного сернокислого никеля в качестве мосфере смеси Ar/O2 при рабочем давлении
прекурсора для изготовления композитного ма- 0.2 Па. Скорость осаждения пленок 8YSZ и GDC
териала. После прокалки получали однородную составляла 0.72 и 2 лм/ч соответственно. Подсмесь, содержащую крупные зерна 8YSZ и мел- робно процедура нанесения описана в [11].
кодисперсный оксид никеля. Соответственно, Двухслойный катод (функциональный и топри отжиге керамики, изготовленной из такого косъемный подслои) состава LSCF/10GDC –
композитного материала, отсутствует опасность LSCF (LSCF = (La0.6Sr0.4)0.97Co0.2Fe0.8O3-δ) былв чрезмерном увеличении размера зерна NiO. изготовлен на базе коммерчески доступной каТакой подход позволяет использовать другие тодной пасты данного состава производства комсоли Ni, в том числе нитраты. Также данный пании KСeraСell (Республика Корея) методом
подход позволяет использовать стандартный трафаретной печати с применением принтера
метод изготовления анодной подложки – ме- Ekra E2 (Asys Group, Германия) с последующим
тод литья на движущуюся ленту, без примене- спеканием при 1200°С в высокотемпературной
ния дополнительных методик (таких, как им- печи NaberTherm 40/16 (Германия).
прегнация). Микроструктурные исследования подложки
и функциональных слоев топливных элемен ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ тов были проведены с помощью сканирующего
электронного микроскопа Supra 50VP с системой Двухслойная анодная подложка была изготов микроанализа INCA Energy+ (CarlZeiss, Велико-лена методом литья на движущуюся ленту с по британия).следующим ламинированием. Композитный материал был изготовлен на основе порошков 8YSZ Механические свойства анодных подложек
производства компании SOFCMAN (Китай) оценивались с помощью трехточечного метода
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 3 2024
АГАРКОВА и др.
(а) (б)
3 мкм 33 мкммкм
(в) (г)
33 мкммкм
Рис. 1. Поперечное сечение (а, б) токосъемного и (в, г) функционального слоя анодной подложки (а, в) до и (б, г)
после восстановления.
на изгиб на установке УТС111.2-50 (Россия).
Скорость движения пуансона – 0.5 мм/мин. 1.4 спеченная подложка восстановленная подложка
Для механических исследований использова- 1.2
лась вставка из монокристаллического сапфира, подробно описанная в [12], размер образцов 1.0
кгссоставлял 24 × 9 мм. Для оценки механической
прочности подложек в процессе работы ТОТЭ 0.8
подложки были восстановлены в смеси Ar/H2 0.6 Усилие,при температуре 800°С в течение часа с последующим остыванием в атмосфере водорода. 0.4
Электрохимические характеристики ТОТЭ 0.2
были изучены с помощью автоматизированного газо-температурного стенда, включающего 0.0
высокотемпературную печь, измерительную 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
вставку, газовую систему на базе контроллеров Прогиб, мм
потока газа Bronkhorst (Нидерланды), а также потенциостат/гальваностат Reference 3000 Рис. 2. Нагрузочные кривые анодных подложек
(Gamry Instruments, США). до и после восстановления.
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 3 2024
использование прекурсоров для изготовления Композитного материала... 171
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Изображения поперечного сечения спеченной
анодной подложки, полученные методом сканирующей электронной микроскопии, представлены на рис. 1. На верхних изображениях (а, б) показано поперечное сечение токосъемного слоя,
а на нижних (в, г) – функционального. Левые
изображения (а, в) демонстрируют микроструктуру подложки после изготовления – до восстановления, а правые (б, г) – после проведения
процедуры восстановления. В окисленном со 3 мкмстоянии (рис. 1а) отчетливо видны зерна 8YSZ,
размер которых не превышает 3 мкм. В восстановленном состоянии (рис. 1б, 1г) отчетливее Рис. 3. Поперечное сечение 8YSZ/GDC-электролита
проявляются зерна Ni – их размер не превыша- и LSCF/GDC-LSCF-катода на поверхности анодной
ет 1 мкм. В структуре токосъемного слоя присут- подложки.
ствует открытая пористость, образованная введением рисового крахмала. Толщина анодной механической стабильности пластин, наоборот –подложки после спекания составила 420 мкм. увеличивается их гибкость. Дополнительная по-Толщина токосъемного слоя, являющегося ме- ристость, образованная крахмалом, приводитханически опорным слоем в структуре ТОТЭ,
к увеличению предельной нагрузки, при кото-составила 400 мкм. Функциональный слой
рой происходит разрушение анодных подложек,имеет толщину около 20 мкм, отсутствие необ на 10–15% [13]. Предельное усилие, необходимоеходимости изготовления данного слоя с боль для разрушения подложки после ее восстановле-шей толщиной определяется тем, что активная
реакционная толщина анода составляет около ния, составляет около 1 кгс, а соответствующий
10 мкм [10]. прогиб – около 0.45 мм.
Нагрузочные кривые пластин, измерен- Поперечное сечение двухслойного
ные до и после восстановления, представлены 8YSZ/10GDC электролита и двухслойнона рис. 2. Видно, что увеличение пористости го LSCF/10GDC-LSCF катода представлено
пластин, которое наблюдается при их восста- на рис. 3. Толщина слоя 8YSZ составляет оконовлении (рис. 1б, 1г), не приводит к потере ло 5.4 мкм, а слоя 10GDC – около 2.4 мкм.
(а) (б)
1.1 1.4
800 °C 1.2
1.0 750 °C
700 °C 1.0
0.9
0.8
BU, Вт/см2
0.8 P, 0.6
800 °C 0.4
0.7 750 °C
0.2 700 °C
0.6
0.0
0 500 1000 1500 2000 0 500 1000 1500 2000
i, мА/см2 i, мА/см2
Рис. 4. Вольт-амперные (а) и мощностные (б) характеристики ТОТЭ, полученные при 700, 750 и 800°С.
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 3 2024
АГАРКОВА и др.
(б)
0.15
800 °C
750 °C
700 °C
(а) см2 0.10
0.20
800 °C Ом
см2 0.15
750 °C 0.05 ‒Zʹʹ,Ом 0.10 700 °C
0.05‒Zʹʹ,
0.00 0.00
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 10‒1 100 101 102 103 104 105
Zʹ, Ом см2 v, Гц
Рис. 5. Годографы импедансных спектров ТОТЭ (а) и их частотная зависимость (б), полученные при 700, 750 и 800°С.
Толщина функционального (LSCF/10GDC) потери, детектируемые во время эксперимента,
и токосъемного (LSCF) подслоев катода состав- содержат в себе не только сопротивление элекляет около 10 и 12 мкм соответственно. На изо- тролита, но и дополнительное сопротивление
бражении видна хорошая равномерность толщи- контактных областей, относительный вклад коны всех функциональных слоев, а также хорошо торого с понижением температуры падает из-за
сформированные внутренние интерфейсы ТОТЭ. роста сопротивления электролита.
Исследование электрохимических харак- Увеличение сопротивления в среднечастоттеристик проводилось на образцах диаметром ной области импеданса (рис. 5б) характеризует
21 мм при рабочих температурах 700, 750 и 800°С ухудшение электрохимической активности элекпри потоках воздуха (окислитель) и водорода тродов ТОТЭ с понижением температуры.
(топливо) 200 мл/мин. Рабочая площадь элект- Доля потерь, связанных с протеканием элекродов элемента составила 2 см2. Измеренное на- трохимических реакций, во всем температурном
пряжение открытой цепи – более 1.05 В (рис. 4а), интервале не превышает 30%. Изготовление
что свидетельствует о высоком качестве герме- композитного материала для функционального
тизации элемента в процессе измерений, а также слоя анода ТОТЭ из 8YSZ и соли никеля приотсутствии газовых и токовых утечек. В рабочей вело к высокой плотности трехфазных границ
точке при напряжении 0.7 В удельная мощность за счет мелкой дисперсности оксида никеля.
составила 0.78, 1 и 1.17 Вт/см2 для рабочих темпе- В свою очередь, именно это помешало появлератур 700, 750 и 800°С соответственно. нию крупной пористости в функциональном
Из годографов импедансных спектров слое, что, вероятно, повлияло на значительные
(рис. 5а) видно, что с понижением температуры диффузионные потери (рис. 5).
растет сопротивление элемента – увеличивается
омическое сопротивление элемента, а также рас- ЗАКЛЮЧЕНИЕтет вклад высоко- и среднечастотных процессов.
Более наглядно это видно на зависимости мнимой Показано, что использование соли никеля для
части сопротивления от частоты (рис. 5б). Не- приготовления композитного материала на осзначительный рост омического сопротивления нове 8YSZ/NiO благоприятным образом сказы(высокочастотная отсечка) с 44 до 94 мОм см2 вается на качестве двухслойных анодных подлосвязан с термоактивационным характером за- жек планарных ТОТЭ. Благодаря такому подходу
висимости сопротивления твердого электроли- в токосъемном анодном слое формируется несута от температуры. Стоит отметить, что сопро- щий каркас из крупных зерен анионного провотивление двухслойного 8YSZ/GDC электролита дника. При этом мелкодисперсные зерна оксида
общей толщиной 7.8 мкм при температурах 800 никеля, обеспечивающие электронную провои 700°С должно составлять 20 и 53 мОм см2 со- димость, равномерно распределены по структуответственно. Из этого следует, что омические ре кермета и из-за своего небольшого размера
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 3 2024
Доступ онлайн
4 485 ₽
В корзину