Разработка новых мембранных материалов с протонной проводимостью и высокоэффективных электрокатализаторов для мембранно-электродного блока

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) обладают многими преимуществами относительно традиционных систем преобразования химической энергии в электрическую (высокая эффективность процесса, низкое загрязнение окружающей среды, бесшумность работы, легкость масштабирования устройств от портативных до стационарных). Разработка среднетемпературных ТОТЭ невозможна без создания новых материалов электродов и электролитов, эффективно работающих при пониженных рабочих температурах. Основное направление исследований среднетемпературных ТОТЭ связано с поиском новых электролитных материалов, обладающих высокой ионной проводимостью в интервале 600 - 800°С. В качестве таких ионных проводников широко исследуются системы на основе CeO₂, (La, Sr)GaO₃, Bi₂O₃. Применение в ТОТЭ электролитных мембран с протонной проводимостью позволяет существенно (на 10 - 15%) повысить электрический КПД устройств. Кроме того, энергия активации протонного переноса в несколько раз ниже, чем кислородионного. Поэтому для протонных электролитов возможно достижение более высокой проводимости в среднетемпературном интервале, чем для кислородионных электролитов, что способствует более высокой достижимой мощности. Высокотемпературные протонные электролиты уже более 30 лет являются объектами пристального внимания исследователей из-за их уникальных особенностей, заключающихся в проявлении в сложных оксидах протонного переноса. Ввиду размерных особенностей протона (как заряженной частицы) такие проводники могут обладать более высокой ионной проводимостью по сравнению с кислородионными в диапазоне температур 400 - 750°С, поэтому их применение в электрохимических устройствах, функционирующих в среднетемпературном диапазоне, представляет повышенный интерес.Среди протонпроводящей керамики долгое время интенсивно изучались материалы на основе цератов щелочно-земельных элементов (главным образом, BaCeO₃), поскольку именно для них Iwahara et al. впервые обнаружил высокую протонную проводимость. Последующие исследования показали, что не только уровень протонной проводимости является важным в случае применения таких материалов в электрохимических приложениях. Так, наиболее высокопроводящие системы на основе BaCeO₃ показали неудовлетворительную химическую стабильность в контакте с некоторыми компонентами газовых атмосфер, используемых в электрохимических устройствах, поэтому актуальной является разработка новых протонных электролитов, обладающих комплексом свойств, приемлемых для прикладного применения. Помимо поиска подходящих протонпроводящих электролитных мембран, важным является также разработка совместимых электродных материалов, дешевых и обладающих высокими каталитическими свойствами. Как известно, именно поляризационные сопротивления электродов в среднетемпературном диапазоне вносят наибольший вклад в общее сопротивления ТОТЭ. Планируется получить новые материалы мембран и электрокатализаторов, а также систематические данные об их свойствах, выявить наиболее подходящие материалы для ТОТЭ. Полученные результаты позволят расширить фундаментальные знания в области высокотемпературной электрохимии и создадут научную базу для разработки ТОТЭ на основе протонпроводящих мембран с высокой эффективностью.