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

Исследованы катодные материалы для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) с протонпроводящими электролитами на основе цератов и цирконатов бария. Высокотемпературные протоники представляют значительный фундаментальный интерес благодаря феномену протонной проводимости, которая появляется наряду с кислород-ионной проводимостью 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. Основной проблемой в настоящее время остается выбор эффективных электродов для устройств на основе протонпроводящих электролитов, как ТОТЭ, так и электролизеров, и обратимых ТОТЭ. Цель исследования - разработка электрохимически активных катодов со стабильными во времени поляризационными характеристиками. Проведены фундаментальные исследования индивидуальных свойств ряда катодных материалов, представляющих группы перовскитов, фаз Раддлесдена - Поппера и сведенборгита (кристаллическая структура, термическое расширение, электропроводность, взаимодействие с материалами протонпроводящих электролитов). На основе проведенных исследований осуществлялся отбор материалов для электрохимических исследований в контакте с цератами и церато-цирконатами бария (разработка дизайна электрода с композитным функциональным слоем и различными коллекторами, исследование на симметричных ячейках в атмосферах с различной влажностью). Наиболее активные материалы катодов были испытаны в течение 1500 ч с термоциклированием каждые 500 ч. С учетом долговременных испытаний были выделены составы катодов, проведены их испытания под током (в режиме катодной и анодной поляризации) с добавлением активирующей добавки оксида празеодима и без. Проведены испытания разработанных катодов в режиме ТОТЭ в контакте с цератом и церато-цирконатом бария. На основе результатов исследования выделены факторы, существенно влияющие на активность электродов, в том числе шунтирующий вклад электронной проводимости протонпроводящего электролита, определено влияние концентрации спекающей добавки в электролите на адгезию электрода, влияние влажности на характеристики электродов. На первом этапе проекта проведены исследования ряда катодных материалов и исследованы электрохимические характеристики 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. На третьем этапе исследованы, закончены и обобщены временные испытания катодных материалов в контакте с цератом и церато-цирконатом. Проведены исследования характеристик ряда катодов в атмосферах с влажностью до 10% Н₂О, рассмотрены схемы для учета электронной составляющей в электролите; выполнено испытание выбранных катодов в токовом режиме и режиме ТОТЭ. Проведено тестирование ряда электродов в контакте с цирконато-скандатом кальция CaZr₀,₉₅Sc₀,₀₅O₃₋δ для демонстрации применимости разработок в рамках данного проекта для устройств с другими протонпроводящими электролитами близкого состава и подобными термомеханическими свойствами; выполнено испытание высокоактивного электрода на основе феррита стронция в контакте с церато-цирконатом бария замещенным диспрозием BaCe₀,₅Zr₀,₃Dy₀,₂O₃₋δ. В фундаментальном плане результатом проекта является исследование индивидуальных свойств широкого ряда электродных материалов, изучение взаимосвязи состава и свойств протонпроводящего электролита и свойств электродов в контакте с данным электролитом, влияния влажности на электрохимическое поведение электродов разного состава. На прикладном уровне результатом проекта является разработка стабильных катодов для электрохимических устройств с протонпроводящим электролитом на основе церата и церато-цирконата (ТОТЭ, датчики, электролизеры), которые также применимы в устройствах с другими протонпроводящими электролитами близкого состава и подобными термомеханическими свойствами.