Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій

Синтез складних оксидних та метало-оксидних водень проникних систем для використання в якості компонентів твердооксидних паливних комірок

Схематичне зображення принципу роботи твердооксидної паливної комірки з протонною провідністю

Області застосування

Розроблені керамічні та керметні матеріали з протонною провідністю можуть бути використані для виготовлення електроліту та аноду твердооксидної паливної комірки (ТОПК), потенціометричних сенсорів для визначення парціального тиску водню та водню в розплавлених металах, мембран реакторів для гідрувальних або дегідрувальних процесів, для створення систем очищення водню від інших газів, зокрема, при очищенні та відновленні ізотопів водню водневими насосами термоядерного реактору. Крім того, на відміну від водень-проникних металів, таких як паладій, або мікропористих мембран, перевагою протонпровідної кераміки є її висока термічна та хімічна стійкість, низька вартість.

Короткий опис

Протон-провідна ТОПК являє собою електрохімічний пристрій, який перетворює хімічну енергію реакції водню з киснем безпосередньо у електричну при температурах 400–800°С. ТОПК складається з щільного керамічного електроліту, пористого метало-керамічного аноду та керамічного катоду. В якості електроліту та керамічної складової аноду, зазвичай, використовують матеріали на основі цирконатів (BaZrO₃) або цератів (BaCeO₃) барію, які мають орторомбічну кристалічну структуру типу перовськіту (АВО₃). Оскільки ці сполуки є тугоплавкими, то для покращення їх спікання до них додають 1-5 мол.% оксидів In, Zn, Sn, Bi, Ni або Cu, що дозволяє знизити температуру спікання. Тоді як добавки оксидів Zr, Nb, Ti, Ta, Y забезпечують хімічну стабільність перовськітів на основі BaCeO3 в середовищі СО₂ і Н₂О. Провідність перовськітів BaZrO₃ і BaCeO₃ є не достатньо високою, що вимагає часткового заміщення атомів Zr або Ce іншими елементами, зазвичай рідкоземельними, для збільшення кількості кисневих вакансій. Серед відомих методів синтезу перовськітів найбільшого поширення здобув метод твердофазного синтезу, суть якого полягає у змішуванні вихідних оксидів металів з ВаСО₃ та наступним твердофазним синтезом при 800-1200°С. Основними перевагами даного методу є простота технічного оформлення, низька вартість вихідних речовин та велика продуктивність. Даний метод також зазвичай використовують для синтезу керметів для ТОПК. При цьому металічною фазою кермету є Ni (до 50 об.%), який отримують відновленням NiO у керамічному каркасі перовськіту. Нікель виконує роль електронного провідника та каталізатору при відсутності взаємодії з керамічною складовою аноду ТОПК.

Очікувані властивості

Підвищення ущільнюваності порошків за рахунок оптимізації параметрів їх синтезу та спікання, що дозволить отримати електроліти та аноди з необхідними структурними параметрами при невисоких температурах спікання. Отримані нові матеріали з покращеними властивостями дозволять підвищити ресурс роботи та ККД паливних комірок з протонною провідністю. Розроблені матеріали з підвищеними характеристиками також можуть бути використані в інших застосуваннях, де необхідна проникність протонів водню.

Переваги

Розроблена технологія отримання водень проникних матеріалів забезпечить отримання складних оксидних та метало-оксидних матеріалів, які не поступатимуться своїми властивостями відомим матеріалам.

Конкуренти

Провідними установами в галузі розробки матеріалів для твердооксидних паливних комірок з протонною провідністю є:
National Institute for Materials Science (Японія),
University of Science and Technology of China (КНДР),
University of Science and Technology (Саудівська Аравія),
University of Oslo (Норвегія),
University of Calgary (Канада),
University of Pavia (Італія).

Стан розробки

Проведено літературний пошук, за результатами якого встановлено перспективні оксидні та метало-оксидні водень проникні системи. Розглянуто чинники, які впливають на протонну провідність матеріалів та їх ефективність при використанні в якості елементів ТОПК. Встановлено переваги та недоліки методів їх синтезу. Розглянуто вплив фазоструктурних параметрів матеріалів на роботу ТОПК. Визначені основні перепони на шляху отримання матеріалів з необхідними властивостями та шляхи їх подолання.

Контактна інформація

Виконавець: Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України

Проект №21 «Синтез складних оксидних та метало-оксидних водень проникних систем для використання в якості компонентів твердооксидних паливних комірок»

Контактна особа:

Teл. +38 044 424-01-01

Е-mail: imorozov@i.ua

Бездорожев Олексій Володимирович

відповідальний виконавець

м.н.с.

Teл. +38 044 424-01-01

Е-mail: oleksii.bezdorozhev@gmail.com