Научные основы разработки активных катодов со стабильными во времени поляризационными характеристиками в контакте с церато-цирконатом бария для среднетемпературных ТОТЭ

Объект исследования - катодные материалы для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) цератов и цирконатов бария. Цель проекта - разработка катодов со стабильными во времени поляризационными характеристиками на основе фундаментальных исследований индивидуальных свойств катодных материалов и их взаимодействия с материалами электролитов. Высокотемпературные протоники представляют значительный фундаментальный интерес благодаря феномену протонной проводимости, которая появляется наряду с кислород-ионной во влажной атмосфере при 550 - 700°C. Практический интерес в использовании таких электролитов в ТОТЭ заключается в возможности получения более высокой производительности из-за высоких значений напряжения незамкнутой цепи по сравнению с электролитами, проводящими только по ионам кислорода. На первом этапе проекта выполнены исследования ряда катодных материалов и электрохимических характеристик электродов на их основе в контакте с протонным проводником на основе церата бария BaCe₀,₈₉Gd₀,₁Cu₀,₀₁O₃. На втором этапе в качестве электролита выбран церато-цирконат бария BaCe₀,₅Zr₀,₃Y₀,₂O₃₋δ, который является более устойчивым в углеродсодержащих атмосферах по сравнению с цератом бария и может применяться в электрохимических устройствах, работающих в среднетемпературном интервале и с применением углеводородного топлива. Несмотря на все преимущества данного электролита, разработка катодов для церато-цирконата осложняется наличием фазового перехода в материале при температуре около 600°С, что нарушает целостность контакта электрод - электролит при термоциклах. Кроме того, данные электролиты проявляют более высокую электронную проводимость на воздухе, обусловленную как свойствами материала как такового, так и добавками переходных металлов, которые повсеместно применяются для формирования газоплотных электролитных мембран из церато-цирконатов ввиду их низкой спекаемости. Второй этап проекта направлен на изучение факторов, влияющих на адгезию катодных материалов к электролитам на основе церато-цирконата и их электрохимическую активность, изучение вклада электронной проводимости с целью определения механизмов и лимитирующих стадий. В прикладном плане результатом второго этапа проекта является разработка стабильных катодов для электрохимических устройств с протонпроводящим электролитом на основе церато-цирконата бария BaCe₀,₅Zr₀,₃Y₀,₂O₃₋δ (ТОТЭ, датчики, электролизеры).