Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) – это электрохимические устройства, осуществляющие прямое преобразование химической энергии газообразного топлива в электрическую и обладающие существенными преимуществами перед традиционными источниками электроэнергии: высокий к.п.д., пониженные, по сравнению с другими типами ТЭ, требования к составу топлива, экологичность, автономность и др. При всем многообразии конструкций существует два основных подхода к организации топливных ячеек: планарный и трубчатый. В первом случае ячейки ТОТЭ представляют собой припеченные или прижатые друг к другу плоскопараллельные пластины электродов и электролита, во втором – трубки, разделяющие газовое пространство на внутреннее и внешнее. Конструкция трубчатого ТОТЭ является более сложной для изготовления, но обладает большей механической прочностью, устойчивостью к термоциклированию и простой схемой подачи газов [1,2]. Основным недостатком ТОТЭ являются высокие рабочие температуры. Одним из путей их снижения является использование несущего электрода в качестве подложки для тонкой пленки электролита, что приводит к существенному уменьшению сопротивления и, как следствие, возможности снижения рабочих температур [3]. В рамках данной работы решалась проблема формирования трубчатого ТОТЭ на несущем композитном аноде Ni-YSZ c тонкопленочным электролитом. В качестве материала электролита был выбран твердый раствор состава ZrO2 + 10 мол.% Sc2O3 + 1 мол.% Y2O3 (далее SSZ), который обладает высокой электропроводностью и стабильностью свойств при долговременной эксплуатации [4]. Порошки твердого электролита соответствующего состава, синтезированные методом соосаждения гидроксидов, изготовлены ЗАО «НеоХим» (г. Москва) Несущие анодные трубки изготавливали методом горячего шликерного литья под давлением (ГШЛ) на установке производства ЗАО «Экон» (г. Обнинск, Россия). На качество получаемых композитных функциональных материалов оказывает влияние реологические свойства шликерной массы: вязкость, текучесть, седиментационная устойчивость и гранулометрический состав [5]. Для получения шликера исходные порошки различного гранулометрического состава смешивали с термопластичной связкой, варьируя их соотношения. Оптимальное количество связки, фракционный состав порошков и температуру спекания подбирали, ориентируясь по прочности отливок при литье, а также по усадке и пористости получаемых после спекания несущих анодных основ (Рис. 1). Рис. 1. Микроструктура окисленного пористого композитного анода, спеченного при различных температурах Для улучшения электрохимических характеристик ТОТЭ на пористый несущий анод наносят более плотный функциональный слой, на который впоследствии наносится пленка электролита [6]. Одним из наиболее перспективных способов формирования тонких функциональных слоев является метод окунания (dip-coating). Преимуществами данного метода является простота и возможность получения многослойной конструкции ТОТЭ за один цикл. На характеристики топливного элемента оказывает влияние не только реологические свойства суспензий, но и процесс совместного спекания функциональных слоев ячейки. Для получения суспензий исходные порошки смешивали с различными полимерами, диспергентами и растворителями. Оптимальный химический и гранулометрический состав порошков, соотношение органических компонентов подбирали, ориентируясь на толщину и микроструктуру получаемых функциональных слоев, их электрохимические характеристики. Рис. 2. Поверхность пленочного электролита (А-С) и поперечный шлиф ячейки с функциональным слоем NiO-SDC (D) и NiO-SSZ (E) Отработана методика нанесения функциональных слоев анода различного состава и пленочного электролита SSZ, определены оптимальные режимы и параметры совместного спекания функциональных слоев единичного ТОТЭ (Рис. 2). Электропроводность пленочного электролита и электрохимические характеристики ячеек изучали на полуэлементах с платиновым противоэлектродом при помощи метода электрохимического импеданса. Величина удельной электропроводности пленочного электролита хорошо коррелирует с данными, полученными на керамических образцах. Рис. 3. Внешний вид и поперечное сечение единичных ТОТЭ с несущим анодом и пленочным SSZ электролитом Исследования выполнены в рамках работ по проекту «Комплексная платформа энергоснабжения «Топаз». Компактный электрохимический генератор на органическом топливе с высокой удельной энергоемкостью», а также при частичной поддержке РФФИ (проект 17-08-01227). При проведении исследований использовалось оборудование Центра коллективного пользования «Состав вещества» ИВТЭ УрО РАН. Литература [1] Cheng-Xin Li, Liang-Liang Yun, Yang Zhang, Chang-Jiu Li, Lie-Jin Guo «Performance of a Ni/Al2O3 cermet-supported tubular solid oxide fuel cell operating with biomass-based syngas through supercritical water» // Int. J. Hydrogen Energy, 37 (17), pp. 13001-13006 (2012). [2] Y.M. Barzi, M. Ghassemi, M.H. Hamedi. Numerical analysis of start-up operation of a tubular solid oxide fuel cell // Int. J. Hydrogen Energy, 34 (4), pp. 2015-2025 (2009). [3] Sungmee Cho, YoungNam Kim, Jung-Hyun Kim, Arumugam, Manthiram, Haiyan Wang «High power density thin film SOFCs with YSZ/GDC bilayer electrolyte» // Electrochimica Acta, 56 (16), pp. 5472-5477 (2011). [4] Nguyen Minh, Junichiro Mizusaki and Subhash C. Singhal «Advances in solid oxide fuel cells: review of progress through three decades of the international symposia on solid oxide fuel cells» // ECS Transactions, 78 (1), pp. 63-73 (2017). [5] Б.Л. Красный, В.А. Черников. «Исследование технологии горячего литья для формирования высокопористой проницаемой тонкостенной керамики» // Новые огнеупоры, № 10, с. 36-38 (2015). [6] Toshiaki Yamaguchi, Hirofumi Sumi, Koichi Hamamoto et al. «Effect of nanostructured anode functional layer thickness on the solid-oxide fuel cell performance in the intermediate temperature» // Int. J. Hydrogen Energy, 39 (34), pp. 19731-19736 (2014).