CC BY
4Мощностные характеристики топливных элементов симметричной конфигурации с близким ионным составом функциональных слоёв
Е.В.Гордеев1'2, Д.А.Осинкин1'2
!ИВТЭ УрО РАН, 620066, Екатеринбург, Свердловская обл., ул. Академическая, д.20 2Уральский федеральный университет, 620002, Екатеринбург, Свердловская обл., ул.
Мира, д.19
Power performances of symmetrical fuel cells with similar ionic composition of
functional layers.
E.V.Gordeev1'2, D.A.Osinkin12
¡IHTE UB RAS, 620066, Ekaterinburg, Sverdlovsk region, Akademicheskaya St., 20 2Urals Federal University, 620002, Ekaterinburg, Sverdlovsk region, Mira St., 19
e-mail: egorgordeev1998@mail. ru
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.53
Развитие водородной энергетики обусловлено стремлением к переходу на экологичные способы генерации электрической энергии. Перспективными устройствами для преобразования энергии химической реакции окисления водорода в электрическую, являются твёрдооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Традиционная конструкция ТОТЭ представляет из себя анодный, электролитный и катодный слои, которые состоят из материалов различного фазового и химического состава, что увеличивает экономические затраты на создание таких электрохимических ячеек. С каждым годом всё больше исследователей обращают своё внимание на симметричную конструкцию топливных элементов (сТОТЭ) [1]. Особенностью такого дизайна является использование в качестве анода и катода одного и тот же материала, который обязан быть стабильным в восстановительной и окислительной атмосферах. Материалы на основе феррита-молибдата стронция являются перспективными для создания электродных слоёв для сТОТЭ за счёт своих высоких электрохимических и эксплуатационных свойств [2]. Электролитный слой в сТОТЭ является несущим, поэтому данный материал должен обладать высокой проводимостью и сродством к электродным слоям. Такими характеристиками обладает галлат лантана, допированный магнием и стронцием [3]. Нами было выдвинуто предположение, что близкий ионный состав функциональных слоёв повысит сродство компонентов друг к другу, что повысит эксплуатационные свойства ячеек в целом. Целью данного исследования является определение влияния повышения ионного подобия электролита к электродному материалу на мощностные характеристики сТОТЭ.
Порошковые материалы состава Lao.8Sro.2Gao.8Mgo.2O3-s (LSGM), Lao.8Sro.2Gao.7Feo.iMgo.2O3-s (LSGF0.1M), Lao.8Sro.2Gao.6Feo.2Mgo.2O3-s (LSGF0.2M) и Sr2Fe1.5Mo0.5Oe-« (SFM) были получены твердофазным методом. Прекурсоры отбирали в стехиометрическом соотношении, измельчали в шаровой мельнице и подвергали термообработке. Циклы «измельчение-обжиг» проводили два раза с конечной температурой синтеза 1100 °C и 1000 °C для электродных и электролитных порошков, соответственно. Несущий слой электролита изготавливали в виде таблетки с помощью холодного одноосного прессования с последующим спеканием при 1450 °C и шлифованием до толщины ~550 мкм. Электродные слои формировали толщиной ~30 мкм с помощью трафаретной печати с последующей термической обработкой
1150 °С. Для повышения электрохимической активности электроды были пропитаны насыщенным раствором смеси нитратов церия и никеля.
Полученные электродный порошок и электролитная керамика имеет основную перовскитную фазу. В электролите обнаружено незначительным содержанием <1 мас.% примесной фазы LaSrGaO4 (Рис. 1), что является типичным для данного электролита и наблюдается у большинства исследователей [4].
5
т о л
I-
о
0 т ш
X
и
1 1}
• - 1_аЗгСа04 ■ 1 1_ЭСРе02М
• 1 , „ 1-5СРе01М 1 А ) А х
ш ьэсм 1 л 1 » * _
ЗРМ а . А_ А А ж.
10 20 30 40 50 60 70 80
20, °
Рисунок 1. Дифрактограммы синтезированных образцов.
Наилучшие результаты продемонстрировала топливная ячейка с несущим электролитом LSGFeoлM, максимальная плотность мощности составила 625, 300 и 100 мВт/см2 при рабочей температуре 800, 700 и 600 X, соответственно (Рис. 2), что обусловлено как повышением кислородионной проводимости электролита при введение в него железа [5] так и лучшей термомеханической совместимостью с материалом электрода за счет сближения катионного состава. Дальнейшее введение железа в подрешетку галлия приводит к снижению напряжения разомкнутой цепи из-за появления значительной доли дырочной проводимости. Анализ спектров электрохимического импеданса показал, что в первую очередь мощность ячейки ограничена сопротивлением несущего электролита, а метод распределения времен релаксации показал, что скорость восстановления кислорода на катоде ниже скорости окисления водорода на аноде.
600 800 1000 1200 1400 J, мА-см"2
Рисунок 2. Вольт-амперные и ватт-амперные характеристики сТОТЭ с использованием
электролита LSGFeo.iM.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-00040, https://rscf.ru/project/24-19-00040/
Литература
[1] C. Wang, H. Miao, X. Zhang, J. Huang, J. Yuan. On Fe-based perovskite electrodes for symmetrical reversible solid oxide cells-A review. J. Power Sources. 15 (2024) 234112. https://doi .org/10.1016/j .j powsour.2024.234112
[2] D.A. Osinkin, N.M. Porotnikova. Recent advances in heteroatom substitution Sr2Fe1.5Mo0.5O6-s oxide as a more promising electrode material for symmetrical solid-state electrochemical devices: A review. Electrochem. Mater. Technol. 1 (2022) 20221003. https://doi.org/10.15826/elmattech.2022.1.003
[3] E.V. Gordeev, N.M. Porotnikova. Approaches for the preparation of dense ceramics and sintering aids for Sr/Mg doped lanthanum gallate: focus review. Electrochem. Mater. Technol. 2 (2023) 20232022. https://doi.org/10.15826/elmattech.2023.2.022
[4] M.V. Erpalov, A.P. Tarutin, N.A. Danilov, D.A. Osinkin, D.A. Medvedev. Chemistry and electrochemistry of CeO2-based interlayers: Prolonging the lifetime of solid oxide fuel and electrolysis cells. Russ. Chem. Rev. 92 (2023) RCR5097. https://doi.org/10.59761/RCR5097
[5]. E. Gordeev, S. Belyakov, E. Antonova, D. Osinkin. Highly Conductive Fe-Doped (La,Sr)(Ga,Mg)O3-s Solid-State Membranes for Electrochemical Application. Membranes 13 (2023) 502. https://doi.org/10.3390/membranes13050502
