1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 12, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 12, стр. 843-855

Влияние способа формирования катода на основе Pr2CuO4 на электрохимические характеристики планарного ТОТЭ электролит-несущей конструкции

Ю. О. Добровольский a, Н. В. Лысков b, c, d, Г. Н. Мазо a, *

a Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет
Москва, Россия

b Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН
Черноголовка, Россия

c Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”
Москва, Россия

d Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Москва, Россия

* E-mail: mazo@inorg.chem.msu.ru

Поступила в редакцию 10.04.2023
После доработки 22.05.2023
Принята к публикации 30.05.2023

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.

Ключевые слова: купрат празеодима, катод, композитный электрод, электрохимическая активность, твердооксидный топливный элемент

Список литературы

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.]

  4. 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.

  5. 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.

  6. Jacobson, A.J., Materials for Solid Oxide Fuel Cells, Chem. Mater., 2009, vol. 22, p. 660.

  7. Molenda, J., Świerczek, K., and Zając, W., Functional materials for the IT-SOFC, J. Power Sources, 2007, vol. 173, p. 657.

  8. 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.

  9. 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.

  10. 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.]

  11. 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.

  12. 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.

  13. 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.]

  14. 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.

  15. 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.

  16. 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.

  17. 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.]

  18. 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.

  19. 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.

  20. 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.

  21. 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.

  22. 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.

  23. 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.

  24. Крылов, О.В. Углекислотная конверсия метана в синтез-газ. Росс. хим. журн. 2000. Т. 44. №. 1. С. 19.

  25. 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.

  26. 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.

  27. 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.]

  28. 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.]

  29. 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.

  30. 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.

  31. 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.

  32. 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.

  33. 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.

  34. 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.

  35. 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.]

  36. 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.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал