Оптимизация структуры и состава композиционного Ni

УДК 536.7
И.С.Бредихин
Институт физики твердого тела РАН
ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СОСТАВА КОМПОЗИЦИОННОГО Ni/YSZ
АНОДА ДЛЯ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
Среди обширного семейства топливных элементов следует выделить
твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), основанные на кислород-проводящих
твердых электролитах, которые имеют высокий к.п.д (до 60%) и могут использовать в
качестве топлива не только чистый водород, но и различные углеводороды.[1,2] В
основе ТОТЭ лежат многослойные электрохимические ячейки, состоящие из активных
электродов, разделенных ионопроводящей мембранной.
Экспериментальные данные показывают, что в качестве анода наиболее
эффективно использовать так называемый «керметный» электрод, представляющий
собой композит на основе Ni (или NiO) и YSZ (оксид циркония, стабилизированный
8÷10мол.% оксида иттрия). Однако имеющиеся в литературе данные о составах
композиционных анодов весьма сильно различаются. Следует отметить, что в
литературе отсутствует исследования позволяющие оптимизировать состав
композиционных электродов и обосновать выбранные составы исходя из физических
принципов.
В рамках данной работы было проведено детальное измерение транспортных
свойств Ni/YSZ керамики и определение оптимального состава для его применения в
качестве анода для ТОТЭ.
Важными характеристиками ТОТЭ является ЭДС разомкнутой цепи и ток
короткого замыкания. В зависимости от составов Ni/YSZ анода вольтамперные
характеристики ТОТЭ имели качественно подобный характер. На рисунках 1,2 в
качестве примера приведены зависимости ВАХ для Ni/YSZ ≈ 45%.
При изменении концентрации кислорода со стороны катода наблюдается
монотонный рост величины критического тока, который достигает стационарных
значений при содержании O2 в газовой смеси более 20% (рис 1). Вольтамперные
характеристики при варьировании состава «топливной» смеси оказались близкими по
своим параметрам для всех концентраций водорода, больших 3%. Различия
вольтамперных характеристик при постоянной «атмосферной» (рис1) газовой смеси и
при постоянной «топливной» (рис2) газовой смеси указывает на существование
различия в протекании реакций на катоде и аноде. На катоде реакция протекает на
трехфазной границе (граница газа, ионного и электронного проводников), а на аноде,
по-видимому, реализуется другой механизм, обусловленный большой диффузионной
длинной (порядка 100нм) кислорода в Ni.
volt-ampere characteristic vs H2 rate
volt-ampere characteristic vs O2 rate
1200
1200
H2/N2=36/54
1100
O2+N2=90ml Fraction of O2
20%
16,7%
13,3%
12,2%
11,1%
10%
6,7%
t=900
900
Voltage (mV)
800
700
600
20%
10%
500
H2+N2=90ml
1000
T=900
900
400
700
600
500
200
6,7%11,1%
16,7%
12,2% 13,3%
40%
33,3%
26,7%
20%
13,3%
6,7%
3%
0%
400
300
300
Fraction of H2
40%
800
Voltage (mV)
1000
O2/N2=18/72
1100
3%
0%
200
100
100
0
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Current (mA)
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
Current (mA)
Рис.1. Изменение «кислородной смеси».
Рис.2. Изменение «топливной смеси».
Анализ полученных зависимостей показал, что снимаемая мощность достигает
своих максимальных значений при концентрации YSZ/NiO ≈ 55% (рис.3). Данная
величина отвечает оптимальному значению транспортных характеристик для данного
типа анода.
70
t800 o18
60
50
W max
40
30
20
10
0
20
30
40
50
60
70
80
%NiO/YSZ
Рис.3. Снимаемые мощности при содержании кислорода 20% и температуре 1050K в
зависимости от состава анода. На вставке типичный вид ТОТЭ.
Литература
1.
O.Yamamoto “Solid oxide fuel cells: fundamental aspects and prospects” Electrochim.
Acta 45 (2000), p. 2423.
2.
André Weber and Ellen Ivers-Tiffée “Materials and concepts for solid oxide fuel cells
(SOFCs) in stationary and mobile applications” Journal of Power Sources (2004)
РЕФЕРАТ
УДК 536.7
И.С.Бредихин Оптимизация структуры и состава композиционного Ni/YSZ анода
для твердооксидных топливных элементов. // Современные проблемы
фундаментальных и прикладных наук – общая и прикладная физика: Сборник трудов
49-й научной конференции МФТИ, Т. II / МФТИ – М.: 2006. – С. 25−26.
Проведены экспериментальные исследования транспортных свойств
композиционно анода Ni – YSZ анода в ячейке ТОТЭ в зависимости от концентрации
Ni. Найдены различия механизмов протекания реакций на катоде и аноде. Показано,
что протекание реакций на аноде не может быть объяснено в рамках модели
протекания окислительно-восстановительной реакции на трехфазной границе. На
основе экспериментальных данных выявлен максимум снимаемой мощности с ТОТЭ
при концентрациях Ni/YSZ ≈ 55%.
Библиография: 2 назв.