Исследование механизмов токогенерирующих электрохимических реакций и переноса заряда в микро и нано структурированных композиционных электродах твердооксидных топливных элементов

Построена модель пористого электрода, и проведено моделирование процессов переноса заряда с учетом реакции смены носителя заряда (на контактах ионный проводник - смешанный проводник). Получены аналитические выражения сопротивления переменному току в зависимости от электронной и ионной проводимостей электродного материала, его каталитической активности, эффективной площади развитой поверхности пор, а также частоты тока. Проведено численное моделирование распределения плотности тока в планарном ТОТЭ с тонкой несущей твердоэлектролитной мембраной с двухслойными пористыми электродами и стальными биполярными пластинами из сплава Crofer 22 APU. Исследованы величины удельной ионной проводимости и микротвердости монокристаллических образцов анионного проводника составов (ZrO₂)₁₋ₓ(Y₂O₃)ₓ и ZrO₂ - 10 мол. %Sc₂O₃ - 1 мол. %Y₂O₃ (10Sc1YSZ). Показано, что монокристаллы состава 10Sc1YSZ обладают максимальными величинами проводимости и микротвердости, являясь при этом оптически изотропными. Изготовлены модельные образцы твердооксидных топливных элементов с катодом кольцевой формы, позволяющим анализировать процессы в композиционном аноде через прозрачную монокристаллическую мембрану анионного проводника 10Sc1YSZ. Разработана новая методика in situ-исследования окислительно-восстановительных процессов, протекающих в электродах ТОТЭ непосредственно в зоне электрохимической реакции вблизи границы Ni-керметный анод - монокристаллическая мембрана анионного проводника, и создана новая экспериментальная установка, объединяющая спектральную установку с высоким спектральным и пространственным разрешением для in situ-исследований комбинационного рассеяния (КР) света в приграничных областях ТОТЭ (Ni-керметный анод - анионный проводник) и автоматизированный испытательный стенд для исследования электрохимических характеристик ТОТЭ в области температур 50 - 850°С, позволяющий изменять состав и скорость потока в анодной камере и проводить in situ-исследования КР света при разных значениях тока нагрузки, текущего через ТОТЭ. С помощью новой комбинированной методики для in situ-анализа особенностей химических превращений на трехфазных границах в Ni-керметных анодах ТОТЭ изучены особенности протекания токогенерирующих электрохимических реакций в композиционных Ni-керметных анодах. Анализ полученных результатов в сочетании с результатами термогравиметрического анализа в рамках модели Аврами - Ерофеева свидетельствует в пользу протекания окислительно-восстановительных реакций на контакте ионный проводник YSZ - электронный проводник (Ni) через образование нанозерен оксида никеля NiO. С помощью новой методики изучены in situ токообразующие реакции, протекающие в композиционных анодах ТОТЭ в зависимости от величины токовой нагрузки на ТОТЭ.