Научно-розыскная работа по твердооксидным топливным элементам

Исследователи из TU Wien изучают новые материалы, которые можно использовать для снижения рабочей температуры твердооксидных топливных элементов. Для этого они применяют инновационный метод.

Твердооксидные топливные элементы состоят из трех важных частей: анода, катода и электролита. В то время как кислород включается в катод, кислород затем транспортируется через электролит к аноду, где кислород вступает в реакцию с водородом с образованием воды. Топливный элемент способен преобразовывать энергию, выделяющуюся в процессе, в электричество. По этой причине топливные элементы все чаще используются в стационарном энергоснабжении и в автомобильной промышленности.

Плазменный шлейф во время измерения PLD на месте. 1 кредит

Чтобы снизить рабочую температуру твердооксидных топливных элементов с нынешних 800 °C до 450 °C и 600 °C, ученые Венского технического университета исследуют альтернативные материалы, которые подходят для использования в качестве катодов при более низких температурах. Маркус Кубичек и его команда недавно опубликовали результаты своего анализа материалов в журнале Journal материалов Химия A.

Пониженная рабочая температура

• Твердооксидные топливные элементы производятся с 1980-х годов. Теперь исследователи пытаются разработать новые топливные элементы, которые обеспечивают высокую долговременную стабильность и дешевле в производстве.
• Для этого необходимо снизить рабочую температуру примерно до 450–600 °C. Для работы твердооксидного топливного элемента при более низких температурах узким местом является, в частности, довольно медленный кислородный обмен на катоде.
• Поэтому исследователи во всем мире ищут способы разработки новых электродных материалов, которые могут достаточно быстро поглощать кислород даже при таких более низких температурах.

Пути обмена кислорода

Ученые научно-исследовательского подразделения «Техническая электрохимия» уже много лет работают над так называемыми материалами со смешанной проводимостью (МИЭП). Оксиды этого класса материалов особенно хорошо подходят для катодов топливных элементов, поскольку они могут проводить как ионы кислорода, так и электроны при более высоких температурах. Это работает в первую очередь за счет дефектов, т.е. минимальных отклонений от идеальной кристаллической решетки, которые намеренно внедряются в материал.

Маттеус Зибенхофер и Кристоф Ридль в лаборатории. 1 кредит

«Наиболее важными дефектами внутри этих материалов являются кислородные вакансии, электроны и дырки. Чтобы иметь возможность целенаправленно оптимизировать эти материалы, большое значение имеет лучшее понимание роли этих дефектов в реакции включения кислорода», — объясняет Маркус Кубичек, руководитель проекта FWF «Изучение оксидных свойств на месте». Тонкие пленки во время роста». Теперь исследователям это удалось.

Уникальная методика измерения во всем мире

Чтобы измерить кинетику реакции включения кислорода, исследователи используют измерения «in situ PLD», которые уникальны во всем мире. Электродные материалы осаждаются в вакуумной камере с помощью лазера и измеряются непосредственно после осаждения с применением импедансной спектроскопии. «Поскольку даже мельчайшие примеси могут оказывать сильное влияние на результаты измерений, нам нужен был метод измерения, который позволял бы исследовать чистые поверхности электродов. Нам удалось сделать это здесь впервые», — объясняет Кристоф Ридл, исследовательская группа твердотельной ионики. «Только благодаря нашему методу, разработанному здесь, мы смогли идеально совместить теоретическое моделирование и реальные результаты измерений», — добавляет он.

Разные материалы, одни и те же кислородные пути

Исследователи использовали свой метод измерения для изучения реакции кислородного обмена на поверхности пяти многообещающих материалов.

«Изюминкой наших измерений является то, что мы впервые смогли наблюдать, что реакция кислородного обмена протекает по одному и тому же механизму на очень разных материалах», — описывает Маттеус Зибенхофер. «Решающим фактором здесь является наличие кислородных вакансий на поверхности».

Юрген Флейг, глава рабочей группы «Ионика твердого тела», заключает: «В этом исследовании мы смогли объединить различные результаты исследований и экспериментальные разработки последних нескольких лет и, таким образом, описать и понять наиболее важные реакции в области Твердооксидные топливные элементы намного лучше».

Источник

Метки: Топливо