Влияние способа формирования катода на основе Pr2CuO4 на электрохимические характеристики планарного ТОТЭ электролит-несущей конструкции
- Авторы: Добровольский Ю.О.1, Лысков Н.В.2,3,4, Мазо Г.Н.1
-
Учреждения:
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет
- Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН
- Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
- Выпуск: Том 59, № 12 (2023)
- Страницы: 843-855
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0424-8570/article/view/232696
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0424857023120046
- EDN: https://elibrary.ru/VDZETU
- ID: 232696
Цитировать
Аннотация
Изучено влияние способа организации микроструктуры катода на основе Pr2CuO4 (РСО) на электрохимические характеристики модельного электролит-несущего твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Показано, что увеличение толщины катодного слоя PCO и введение порообразователя способствуют повышению удельной мощности тестовой ячейки ТОТЭ по сравнению с образцом с исходной немодифицированной структурой катода, удельная мощность которого составляла 34 мВт/см2 при 850°С. Установлено, что оптимальной толщиной катодного слоя, позволяющей достичь максимум электрохимической производительности, является диапазон 40–50 мкм, достигнутая при этом удельная мощность составила 116 мВт/см2 при 850°С. Вместе с тем переход от однофазного катода PCO к композитному составу PCO–Ce0.9Gd0.1O1.95 (60/40 мас. %) обеспечивает увеличение удельной мощности до 130 мВт/см2 при 850°С, при этом динамика ее снижения с уменьшением температуры замедляется по сравнению с однофазным катодом. Анализ изменения величин общего электродного поляризационного сопротивления модельного ТОТЭ, определенных методом импедансной спектроскопии, в зависимости от способа формирования катода показал, что при переходе от исходного образца к образцам с увеличенной толщиной катодного слоя и композитному составу катода наблюдается двукратное (в первом случае) и трехкратное (во втором случае) снижение уровня поляризационных потерь, коррелирующее с повышением удельной мощности. Предложенные методы модификации исходной микроструктуры катода на основе РСО демонстрируют положительную динамику повышения электрохимической активности границы катод/электролит и удельных мощностных характеристик топливного элемента в целом.
Об авторах
Ю. О. Добровольский
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет
Email: mazo@inorg.chem.msu.ru
Россия, Москва
Н. В. Лысков
Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Email: mazo@inorg.chem.msu.ru
Россия, Черноголовка; Россия, Москва; Россия, Москва
Г. Н. Мазо
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет
Автор, ответственный за переписку.
Email: mazo@inorg.chem.msu.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Silva, F.S. and Souza, T.M., Novel materials for solid oxide fuel cell technologies: A literature review, Int. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 42, p. 26020.
- Vostakola, M.F. and Horri, B.A., Progress in material development for low-temperature solid oxide fuel cells: a review, Energies, 2021, vol. 14, no. 5, p. 1280.
- Истомин, С.Я., Лысков, Н.В., Мазо, Г.Н., Антипов, Е.В. Электродные материалы на основе сложных оксидов d-металлов для симметричных твердооксидных топливных элементов. Успехи химии. 2021. Т. 90. № 6. С. 644. [Istomin, S.Ya., Lyskov, N.V., Mazo, G.N., and Antipov, E.V., Electrode materials based on complex d-metal oxides for symmetrical solid oxide fuel cells, Russ. Chem. Rev., 2021, vol. 90, no. 6, p. 644.]
- Gao, Z., Mogni, L.V., Miller, E.C., Railsback, J.G., and Barnett, S.A., A perspective on low-temperature solid oxide fuel cells, Energy Environ. Sci., 2016, vol. 9, p. 1602.
- Jiang, S.P., Development of lanthanum strontium manganite perovskite cathode materials of solid oxide fuel cells: a review, J. Mater. Sci., 2008, vol. 43, p. 6799.
- Jacobson, A.J., Materials for Solid Oxide Fuel Cells, Chem. Mater., 2009, vol. 22, p. 660.
- Molenda, J., Świerczek, K., and Zając, W., Functional materials for the IT-SOFC, J. Power Sources, 2007, vol. 173, p. 657.
- Brett, D.J.L., Atkinson, A., Brandon, N.P., and Skinner, S.J., Intermediate temperature solid oxide fuel cells, Chem. Soc. Rev., 2008, vol. 37, p. 1568.
- Ullmann, H., Trofimenko, N., Tietz, F., Stöver, D., and Ahmad-Khanlou, A., Correlation between thermal expansion and oxide ion transport in mixed conducting perovskite-type oxides for SOFC cathodes, Solid State Ionics, 2000, vol. 138, p. 79.
- Садыков, В.А., Садовская, Е.М., Еремеев, Н.Ф., Скрябин, П.И., Краснов, А.В., Беспалко, Ю.Н., Павлова, С.Н., Федорова, Ю.Е., Пикалова, Е.Ю., Шляхтина, А.В. Подвижность кислорода материалов твердооксидных топливных элементов и каталитических мембран (обзор). Электрохимия. 2019. Т. 55. С. 899. [Sadykov, V.A., Sadovskaya, E.M., Eremeev, N.F., Skriabin, P.I., Krasnov, A.V., Bespalko, Y.N., Pavlova, S.N., Fedorova, Yu.E., Pikalova, E.Yu., and Shlyakhtina, A.V., Oxygen mobility in the materials for solid oxide fuel cells and catalytic membranes (review), Russ. J. Electrochem., 2019, vol. 55, p. 701.]
- Tsvinkinberg, V.A., Tolkacheva, A.S., Filonova, E.A., Gyrdasova, O.I., Pikalov, S.M., Vorotnikov, V.A., Vylkov, A.I., Moskalenko, N.I., and Pikalova, E.Yu., Structure, thermal expansion and electrical conductivity of La2 – xGdxNiO4 + δ (0.0≤ x ≤ 0.6) cathode materials for SOFC applications, J. Alloys Compd., 2021, vol. 853, p. 156728.
- Pikalova, E.Yu., Kolchugin, A.A., Sadykov, V.A., Sadovskaya, E.M., Filonova, E.A., Eremeev, N.F., and Bogdanovich, N.M., Structure, transport properties and electrochemical behavior of the layered lanthanide nickelates doped with calcium, Int. J. Hydrogen Energy, 2018, vol. 43, iss. 36, p. 17373.
- Ковальчук, А.Н., Кузьмин, А.В., Осинкин, Д.А., Фарленков, А.С., Соловьев, А.А., Шипилова, А.В., Ионов, И.В., Богданович, Н.М., Береснев, С.М. Единичный ТОТЭ с несущим Ni-YSZ-анодом, двухслойным пленочным YSZ/GDC-электролитом и La2NiO4 + δ-катодом. Электрохимия. 2018. Т. 54. С. 623. [Koval’chuk, A.N., Kuz’min, A.V., Osinkin, D.A., Farlenkov, A.S., Solov’ev, A.A., Shipilova, A.V., Ionov, I.V., Bogdanovich, N.M., and Beresnev, S.M., Single SOFC with supporting Ni-YSZ anode, bilayer YSZ/GDC film electrolyte, and La2NiO4 + δ cathode, Russ. J. Electrochem., 2018, vol. 54, p. 541.]
- Philippeau, B., Mauvy, F., Mazataud, C., Fourcade, S., and Grenier, J.C., Comparative study of electrochemical properties of mixed conducting Ln2NiO4 + δ (Ln = = La, Pr and Nd) and La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 − δ as SOFC cathodes associated to Ce0.9Gd0.1O2 − δ, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3 − δ and La9Sr1Si6O26.5 electrolytes, Solid State Ionics, 2013, vol. 249, p. 17.
- Kaluzhskikh, M.S., Kazakov, S.M., Mazo, G.N., Istomin, S.Ya., Antipov, E.V., Gippius, A.A., Fedotov, Yu., Bredikhin, S.I., Liu, Y., Svensson, G., and Shen, Z., High-temperature crystal structure and transport properties of the layered cuprates Ln2CuO4, Ln = Pr, Nd and Sm, J. Solid State Chem., 2011, vol. 184, p. 698.
- Lyskov, N.V., Kaluzhskikh, M.S., Leonova, L.S., Mazo, G.N., Istomin, S.Ya., and Antipov, E.V., Electrochemical characterization of Pr2CuO4 cathode for IT-SOFC, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, no. 29, p. 18357.
- Лысков, Н.В., Мазо, Г.Н., Леонова, Л.С., Колчина, Л.М., Истомин, С.Я., Антипов, Е.В. Влияние температуры и парциального давления кислорода на механизм его восстановления в системе Pr2CuO4/Ce0.9Gd0.1O1.95. Электрохимия. 2013. Т. 49. С. 834. [Lyskov, N.V., Mazo, G.N., Leonova, L.S., Kolchina, L.M., Istomin, S.Ya., and Antipov, E.V., The effect of temperature and oxygen partial pressure on the reduction mechanism in the Pr2CuO4/Ce0.9Gd0.1O1.95 system, Russ. J. Electrochem., 2013, vol. 49, p. 747.]
- Zheng, K., Gorzkowska-Sobaś, A., and Świerczek, K., Evaluation of Ln2CuO4 (Ln: La, Pr, Nd) oxides as cathode materials for IT-SOFC, Mater. Res. Bull., 2012, vol. 47, p. 4089.
- Kolchina, L.M., Lyskov, N.V., Kuznetsov, A.N., Kazakov, S.M., Galin, M.Z., Meledin, A., Abakumov, A.M., Bredikhin, S.I., Mazo, G.N., and Antipov, E.V., Evaluation of Ce-doped Pr2CuO4 for potential application as a cathode material for solid oxide fuel cells, RSC Adv., 2016, vol. 6, p. 101029.
- Zhao, T., Sun, L.-P., Li, Q., Huo, L.-H., Zhao, H., Bassat, J.-M., Rougier, A., Fourcade, S., and Grenier, J.-C., Electrochemical property assessment of Pr2CuO4 submicrofiber cathode for intermediate-temperature solid oxide fuel cells, J. Electrochem. Energy Convers. Storage, 2016, vol. 13, p. 01106-1.
- Khandale, A.P., Pahune, B.S., Bhoga, S.S., Kumar, R.V., and Tomov, R., Development of Pr2 – xSrxCuO4±δ mixed ion-electron conducting system as cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cell, Int. J. Hydrogen Energy, 2019, vol. 44, № 29, p. 15417.
- Bredikhin, S.I., Agarkov, D.A., Aronin, A.S., Burmistrov, I.N., Matveev, D.V., and Kharton, V.V., Ion transfer in Ni-containing composite anodes of solid oxide fuel cells: A microstructural study, Mater. Lett., 2018, vol. 216, p. 193.
- Kolchina, L.M., Lyskov, N.V., Petukhov, D.I., and Mazo, G.N., Electrochemical characterization of Pr2CuO4–Ce0.9Gd0.1O1.95 composite cathodes for solid oxide fuel cells, J. Alloys Compd., 2014, vol. 605, p. 89.
- Крылов, О.В. Углекислотная конверсия метана в синтез-газ. Росс. хим. журн. 2000. Т. 44. №. 1. С. 19.
- Kharton, V.V., Viskup, A.P., Kovalevsky, A.V., Naumovich, E.N., and Marques, F.M.B., Ionic transport in oxygen-hyperstoichiometric phases with K2NiF4-type structure, Solid State Ionics, 2001, vol. 143, p. 337.
- Niea, L., Liua, J., Zhang, Y., and Liu, M., Effects of pore formers on microstructure and performance of cathode membranes for solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 2011, vol. 196, p. 9975.
- Бурмистров, И.Н., Агарков, Д.А., Цыбров, Ф.М., Бредихин, С.И. Изготовление мембранно-электродных блоков твердооксидных топливных элементов методом совместного спекания электродов. Электрохимия. 2016. Т. 52. С. 749. [Burmistrov, I.N., Agarkov, D.A., Tsybrov, F.M., and Bredikhin, S.I., Preparation of membrane-electrode assemblies of solid oxide fuel cells by co-sintering of electrodes, Russ. J. Electrochem., 2016, vol. 52, p. 669.]
- Шипилова, А.В., Соловьевa, А.А., Смолянский, Е.А., Работкинa, С.В., Ионов И.В. Влияние тонких функциональных слоев электродов на характеристики среднетемпературного твердооксидного топливного элемента. Электрохимия. 2021. Т. 57. С. 67. [Shipilova, A.V., Solov’ev, A.A., Smolyanskii, E.A., Rabotkin, S.V., and Ionov, I.V., The effect of thin functional electrode layers on characteristics of intermediate temperature solid oxide fuel cell, Russ. J. Electrochem., 2021, vol. 57, p. 97.]
- Chen, X.J., Chan, S.H., and Khor, K.A., Simulation of a composite cathode in solid oxide fuel cells, Electrochim. Acta, 2004, vol. 49, p. 1851.
- Tanner, C.W., Fung, K.-Z., and Virkar, A.V., The effect of porous composite electrode structure on solid oxide fuel cell performance, J. Electrochem. Soc., 1997, vol. 144, no. 1, p. 21.
- Kenjo, T., Osawa, S., and Fujikawa, K., High temperature air cathodes containing ion conductive oxides, J. Electrochem. Soc., 1991, vol. 138, no. 2, p. 349.
- Sasaki, K., Wurth, J.P., Gschwend, R., Gödickemeier, M., and Gauckler, L.J., Microstructure-property relations of solid oxide fuel cell cathodes and current collectors, J. Electrochem. Soc., 1996, vol. 143, no. 2, p. 530.
- Murray, E.P., Tsai, T., and Barnett, S.A., Oxygen transfer processes in (La,Sr)MnO3/Y2O3-stabilized ZrO2 cathodes: an impedance spectroscopy study, Solid State Ionics, 1998, vol. 110, p. 235.
- Li, H., Cai, Z., Li, Q., Sun, C., and Zhao, H., Electrochemical investigation of Pr2CuO4-based composite cathode for intermediate-temperature solid oxide fuel cells, J. Alloys Compd., 2016, vol. 688, p. 972.
- Лысков, Н.В., Колчина, Л.М., Галин, М.З., Мазо, Г.Н. Оптимизация состава композитных катодных материалов на основе купрата празеодима для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов. Электрохимия. 2015. Т. 51. С. 520. [Lyskov, N.V., Kolchina, L.M., Galin, M.Z., and Mazo, G.N., Optimization of composite cathode based on praseodymium cuprate for intermediate-temperature solid oxide fuel cells, Russ. J. Electrochem., 2015, vol. 51, p. 450.]
- Murray, E.P. and Barnett, S.A., (La,Sr)MnO3–(Ce,Gd)O2 – x composite cathodes for solid oxide fuel cells, Solid State Ionics, 2001, vol. 143, p. 265.