Анализ процессов сопряженного переноса ионов и электронов в электродных системах твердооксидных топливных элементов

Объект исследования: пористые электроды и электродные материалы, используемые в твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ). Цель: определение путей повышения эффективности электродов ТОТЭ. На основе распределённых элементов построена теоретическая модель пористого электрода, получены зависимости импеданса пористого электрода от частоты, параметров материала и толщины электрода с учётом тока смещения и ряда предельных случаев без его учёта. Показано наличие оптимальной толщины электрода, качественное изменение формы годографа импеданса электрода при изменении его толщины, приведены рекомендации по аппроксимации экспериментальных данных. Проведены измерения спектров импеданса симметричных ячеек вида анод-электролит-анод четырёхзондовым методом в восстановительной атмосфере. На примере исследования эволюции композитных никельсодержащих анодов показаны возможность анализа экспериментальных спектров импеданса с помощью разработанной модели и хорошее описание данных аппроксимирующим выражением. Установлено, что быстрый рост сопротивления анода при нулевом токе вызван преимущественно сокращением зон контакта никеля с ионным проводником. При помощи метода изотопного обмена с последующим анализом профиля диффузии на масс-спектрометре проведено исследование диффузии и поверхностного обмена кислорода в ряде новых сложных оксидов, сделаны выводы об их перспективности в качестве функциональных материалов ТОТЭ. Обнаружена корреляция высокой подвижности кислорода в слоистых купратах с наличием в их структуре слоёв определённого типа. Установлено противоречие между данными эксперимента и изложенной в литературе гипотезой о том, что характер корреляции между константой поверхностного обмена и коэффициентом диффузии напрямую связан с электронной проводимостью в материале. Результаты используются в ИФТТ РАН при разработке и оптимизации пористых электродов ТОТЭ, составляющих основу батарей мощностью от 500 Вт.