Ученые улучшили свойства материалов для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов
06.09.2023
Ученые Центра коллективного пользования "Сибирский кольцевой источник фотонов" (ЦКП "СКИФ") вместе с коллегами из ФИЦ "Институт катализа СО РАН" повысили термическую стабильность материалов для катодов, которые могут быть применены в среднетемпературных твердооксидных топливных элементах. Работы выполнены в рамках проекта по модернизации и проведению исследований на уникальной научной установке (УНУ) "Станция EXAFS-спектроскопии", который реализует Институт катализа СО РАН при поддержке государственной программы "Научно-технологическое развитие Российской Федерации".
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) — перспективное направление водородной энергетики. Электроэнергия и тепло в них вырабатываются в ходе взаимодействия водорода с кислородом, и побочным продуктом становится только вода. ТОТЭ используют не только в легковых и грузовых автомобилях, но также рассматривают как источник электрификации и обогрева домов и других помещений. Теоретически КПД для твердооксидного топливного элемента может достигать 80%.
Обычный высокотемпературный ТОТЭ работает при 800–1000°C — это позволяет генерировать больше тепла, а также отказаться от использования в качестве электродов дорогих металлов платиновой группы. Но такие высокие рабочие температуры увеличивают стоимость ячейки и уменьшают ее долговечность, так как материалы быстро изнашиваются. Снижение рабочих температур в топливном элементе — одна из актуальных научных задач. Ученые из ЦКП "СКИФ" и ИК СО РАН взялись за нее и определили подходящее для среднетемпературной (500–700°C) ячейки соединение — никелат празеодима, который относится к слоистым перовскитоподобным материалам.
"Основная проблема при снижении температур в ТОТЭ — замедление реакции восстановления кислорода, которая протекает на катоде — там, куда подается воздух, и из-за этого генерация электроэнергии также снижается. Мы решили использовать для катодов слоистые перовскиты. В них перовскитные слои чередуются со структурой каменной соли. В этой структуре накапливается высокоподвижный кислород, активный уже при температуре 500–700°C", — рассказывает младший научный сотрудник ЦКП "СКИФ", инженер отдела физико-химических методов исследований ИК СО РАН Денис Мищенко.
Никелат празеодима обладает наилучшими свойствами для кислородного транспорта, но есть серьезная проблема — он нестабилен термически в рабочих условиях катода. Частичная замена празеодима на другие редкоземельные элементы — лантан и неодим — повышает термическую стабильность.
"Мы проверяли долгосрочную термическую стабильность — держали наши образцы при высокой температуре на воздухе в течение 90 часов, т.е. в тех же атмосферных условиях, что и в топливном элементе. Замещение лантаном и неодимом значительно повысило стабильность, и это почва для дальнейших исследований — мы планируем не только подобрать оптимальный состав, но и повысить кислородную подвижность", — говорит ученый.
Для определения кристаллической структуры вещества исследователи применяли метод порошковой рентгеновской дифракции на уникальной научной установке (УНУ) "Станция-EXAFS-спектроскопии" с помощью синхротронного излучения. Ее модернизацией занимается Институт катализа СО РАН, и она позволяет планировать и проводить самые современные научные эксперименты. После модернизации она станет единственной подобной установкой в России. Ее перенесут на строящийся в настоящее время новый источник синхротронного излучения ЦКП "СКИФ" сразу после его ввода в эксплуатацию.
По словам Дениса Мищенко, новизна работы заключается в том числе в изучении структуры веществ in situ, в условиях, приближенных к рабочим состояниям катода — это дает возможность ускорить исследование и получить более точные данные о структуре.
"Нам не нужно собирать ячейку — мы можем взять синтезированный порошок, исследовать нашим методом и сделать предварительные выводы об эффективности соединения. И на основе этих данных двигаться дальше", — резюмирует он.
Об исследователе: Денис Мищенко — выпускник кафедры химии твердого тела факультета естественных наук Новосибирского государственного университета. Почти четыре года работает в ИК СО РАН в отделе физико-химических методов исследования и больше года в ЦКП «СКИФ» в отделе синхротронных методов исследования. Занимается рентгеновской порошковой дифракцией с использованием синхротронного излучения. Считает, что твердофазные кислородные проводники — наиболее интересные объекты для изучения. Участвует в проектах по созданию двух экспериментальных станций ЦКП «СКИФ».
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение № 075-15-2022-263). Исследования проводились с использованием оборудования УНУ «Станция EXAFS спектроскопии» в Сибирском центре синхротронного и терагерцевого излучения на базе Института ядерной физики СО РАН.
Источник: ФИЦ "Институт катализа СО РАН"
