Процессы электро- и массопереноса в твердооксидных электролизерах на основе протонпроводящих электролитов и стратегии повышения их производительности и эффективности

Исследованы сложные оксиды состава Pr₂₋ₓBaₓNi₁₋yCuyO₄₊δ в качестве перспективных воздушных электродов для ТОЭ на основе протонпроводящих электролитов. Цель работы - выявление взаимосвязей между природой допантов, физико-химическими свойствами и поляризационными характеристиками воздушных электродов состава Pr₂₋ₓBaₓNi₁₋yCuyO₄₊δ (х = 0 - 0,3, у = 0 - 0,3). В рамках выполнения проекта получены однофазные образцы воздушных электродов Pr₂₋ₓBaₓNi₁₋yCuyO₄₊δ (х=0 - 0,3, у=0 - 0,3) и электролиты состава BaCe₀,₅Zr₀,₃M₀,₂O₃₋δ (M=Y, Yb, Dy) с применением цитрат-нитратной технологии. Первый этап выполнения проекта был посвящен: 1) детальному исследованию влияния бария и меди на кристаллическую структуру, дефектную структуру, термомеханические и транспортные свойства никелатов празеодима; 2) изучению химической совместимости материалов воздушных электродов с перспективным протонным электролитом на основе церато-цирконата бария; 3) разработке и аттестации симметричных электрохимических ячеек на основе несущего протонного электролита BCZY. По результатам выполнения первого этапа были определены оптимальные составы электродов Pr₁,₉Ba₀,₁NiO₄₊δ и Pr₂Ni₀,₈Сu₀,₂O₄₊δ для твердооксидных электрохимических устройств. На втором этапе выполнения проекта впервые разработаны с применением метода совместной прокатки пленок три электрохимические ячейки с уникальным дизайном: 1) трубчатая твердооксидная ячейка электролизера с тонкопленочным протонпроводящим электролитом и общей рабочей поверхностью 4,6 см²; 2) трехслойная ячейка ТОТЭ, полученная путем одностадийного спекания; 3) обратимая твердооксидная ячейка с симметричными электродами. Затем была проведена их электрохимическая аттестация с помощью вольтаперометрии и импедансной спектроскопии. Показано, что выходные показатели этих ячеек находятся в соответствии с мировыми результатами. Установлено, что исследуемые электроды на основе никелита празеодима являются перспективными для применения в качестве катодов топливных элементов и анодов электролизеров. Основные результаты исследования опубликованы в виде 9 статей в высокорейтинговых журналах, со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации проекта РФФИ № 18-38-20063 мол_а_вед, а также в материалах научных мероприятий.