Как оптимизировать твердооксидные топливные элементы

Твердооксидные топливные элементы — очень перспективная технология для выработки электроэнергии. Их эффективность определяется удельным сопротивлением, которое складывается из двух частей: омического (ионный транспорт в электролите) и поляризационного (кинетика реакций на электродах). Считалось, что эти компоненты можно оптимизировать независимо друг от друга, работая отдельно над материалами электролита и электрода.
Учёные из Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН (Екатеринбург) и УрФУ поставили довольно простой технически, но изящный эксперимент, который опровергает это удобное допущение: оказалось, что поляризационное сопротивление электрода напрямую зависит от того, с каким электролитом он контактирует.

Исследователи изготовили несколько симметричных ячеек, используя один и тот же электродный материал, но разные электролиты с различной ионной проводимостью, а затем измерили поляризационное сопротивление электрода в одинаковых условиях. Результат однозначный: чем выше была ионная проводимость электролита, тем ниже оказывалось поляризационное сопротивление электрода. То есть свойства границы раздела и, возможно, кинетика электродной реакции зависят не только от самого электрода, но и от того, насколько хорошо электролит проводит ионы.

Авторы проверили это наблюдение на более широком массиве литературных данных по протон-керамическим топливным элементам и электролизёрам. Закономерность подтвердилась: электрод не «независим», его эффективность неразрывно связана с характеристиками прилегающего электролита.

Это открытие имеет фундаментальное и прикладное значение — по сути, это новая парадигма оптимизации: улучшать по отдельности части ячейки, а потом «склеить» их не получится. Кроме того, полученные данные заставляют по-новому взглянуть на природу поляризационного сопротивления. Вероятно, тройная граница (электрод/электролит/газ) функционирует сложнее, чем считалось, и ионная проводимость электролита влияет на распределение потенциала и адсорбционные процессы на электроде.

Работа вышла в International Journal of Hydrogen Energy.

Источник: Пресс –служба УрФУ