Созданный в вузе эталон применяют для оценки новых электродных материалов

13:03, 30 апреля 2019

Ученые университета разрабатывают инновационные топливные элементы с коллегами из Норвегии

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) — экологичные устройства с КПД до 70 %. Фото: Maryland Technology Enterprise Institute/mtech.umd.edu.

Исследователи Уральского федерального университета впервые изучили свойства композита, полученного из порошков двойного перовскита PrBaCo₂O_6−δ, и оксида церия, содержащего добавку оксида самария, Ce_0.8Sm_0.2O_1.9, где первое вещество является смешанным ионно-электронным проводником, а второе — твердым кислород-проводящим электролитом. Так ученые оценили возможность применения данного композита в качестве катодного материала в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) с электролитом на основе оксида церия.

Статью с описанием и выводами исследований ученые опубликовали в журнале Energies.

Чем выше ионная и электронная проводимость композитного материала, тем меньше, при прочих равных условиях, потери мощности внутри топливного элемента и тем большую мощность он может отдавать во внешнюю электрическую цепь. Таким образом, оптимизация свойств электродных материалов и электролита позволяет повысить эффективность ТОТЭ и открывает возможности для снижения рабочей температуры, необходимой для производства электроэнергии, и, следовательно, позволяет использовать для изготовления и оснастки топливного элемента менее дорогие, но более разнообразные конструкционные материалы.

В эксперименте ученые УрФУ изучали взаимную диффузию компонентов композитного катода. Для этого исследователи соединили две «таблетки» — из двойного перовскита и из оксида церия — и спекли их при нескольких температурах в диапазоне 1000-1200 градусов Цельсия. После охлаждения получившийся «сэндвич» разрезали, плоскость поперечного среза изучили под электронным микроскопом. Оказалось, что помимо «перемешивания» компонентов, входящих в состав двойного перовскита и оксида церия, между составными частями композитного материала происходит химическая реакция. В результате между «таблетками» образуется слой продукта реакции — церата бария.

«Это тоже перовскит, но у него довольно низкая электропроводность, на много порядков меньше, чем у двойного перовскита PrBaCo₂O_6−δ, церат бария блокирует границу между двойным перовскитом и оксидом церия, и, ввиду возрастающего сопротивления, электроперенос затрудняется, — рассказывает руководитель исследовательского коллектива, кандидат химических наук, доцент кафедры физической и неорганической химии УрФУ Дмитрий Цветков. — Несмотря на многочисленные публикации, предполагающие хорошую совместимость двойного перовскита и оксида церия, мы выяснили, что химическое взаимодействие между ними приводит к выраженному падению электропроводности композитного катодного материала».

Другими словами, применение двойного перовскита в «роли» катода в ТОТЭ с оксидом церия в качестве электролита не гарантирует долгосрочной, устойчивой и надежной работы устройства».

Совместно с коллегами из Университета Осло (Норвегия) была усовершенствована модель: в их подходе твердым электролитом служит не оксид церия, а та самая «помеха» в виде церата бария.

«В оксиде церия присутствуют подвижные ионы кислорода, он является кислородным твердым электролитом. В церате бария подвижны протоны — ионы водорода, поэтому он рассматривается как один из наиболее перспективных протонных твердых электролитов. Двойные перовскиты, как мы обнаружили, также обладают некоторой протонной проводимостью. Химического взаимодействия на границе между двойными перовскитами и цератом бария нет. Таким образом, вместо электрода для ТОТЭ с кислород-проводящим электролитом мы создали хороший электрод для протон-проводящих топливных элементов», — объясняет Дмитрий Цветков.

Добавим, что благодаря удачному сочетанию различных свойств материал, разработанный уральскими и норвежскими учеными, стал своеобразным эталоном, с которым в настоящее время сравнивают все вновь получаемые электродные материалы для протон-проводящих твердооксидных топливных элементов.

Справка

Твердооксидные топливные элементы, ТОТЭ (англ. Solid-oxide fuel cells, SOFC) — экологичные устройства с высоким, до 70 %, КПД, в которых энергия химической реакции окисления топлива непосредственно преобразуется в электроэнергию. Электролитом в ТОТЭ является твердый оксид, обладающий кислород-ионной проводимостью. Ионы кислорода, образующиеся при высокой температуре (700-900 градусов Цельсия) на катоде, при работе элемента проходят через слой электролита и вступают в реакцию с водородом на аноде. При этом во внешней цепи возникает электрический ток.

Высокие рабочие температуры являются основной проблемой в данной технологии: необходимость использования уникальных и дорогостоящих керамических материалов ведет к значительному удорожанию твердооксидных топливных элементов. Ученые мира решают задачу снижения рабочих температур, что откроет возможность применения более распространенных и дешевых материалов и, как следствие, снизит затраты на производство энергии.