Микроструктура и электрохимические свойства тонкопленочных твердооксидных топливных элементов, формируемых методом магнетронного распыления

Методом магнетронного распыления на несущем NiO/ZrO₂:Y₂O₃ аноде сформирована тонкопленочная многослойная структура мембранно-электродного блока твердооксидного топливного элемента, включающая в себя NiO/ZrO₂:Y₂O₃ анодный и La_0.6Sr_0.4CoO₃ катодный функциональные слои, а также двухслойный ZrO₂:Y₂O₃|Ce_0.9Gd_0.1O_1.95 электролит. Вольтамперные характеристики многослойных топливных элементов были исследованы в диапазоне температур 800–600°C. Максимальная плотность мощности тонкопленочного топливного элемента составила 1990 и 430 мВт/см² при температуре 800 и 600°С, соответственно.

Увеличение мощности твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) может быть достигнуто за счет снижения толщины электролита (снижения омических потерь) и наноструктурирования электродов (снижения активационных потерь). Поэтому в данной работе слои NiO/ZrO₂:Y₂O₃ (NiO/YSZ) анода толщиной от 0,5 до 4 мкм, YSZ электролита (4 мкм), Ce_0.9Gd_0.1O_1.95 (GDC) барьерного слоя (2 мкм) и La_0.6Sr_0.4CoO₃ (LSC) катода (0,6 мкм) были сформированы на несущем NiO/YSZ аноде (SOFCMAN, Китай) методом магнетронного распыления. Диаметр единичных топливных ячеек составлял 20 мм. Для улучшения токосъема с катода использовалась LSC паста (CERA-FC Co, Корея). Были измерены вольтамперные характеристики ТОТЭ с разной толщиной анодного функционального слоя (0.5, 2 и 4 мкм) в диапазоне температур 800–600°C. Наибольшую плотность мощности показали ТОТЭ с анодным функциональным слоем толщиной 0,5 мкм. При температуре 800, 700 и 600°С максимальная плотность мощности тонкопленочного топливного элемента составила 1990, 1215 и 430 мВт/см², соответственно. Для сравнения, топливный элемент без анодного и катодного функциональных слоев имел плотность мощности 1620, 970 и 300 мВт/см² при температуре 800, 700 и 600°С.

Рис. 1. Микроструктура поперечно излома тонкопленочного топливного элемента с несущим NiO/YSZ анодом, YSZ|GDC электролитом и LSC катодом (а) и его вольтамперная характеристика при температуре 800°C

Публикации

1. А.В. Шипилова, А.А. Соловьев, Е.А. Смолянский, С.В. Работкин, И.В. Ионов. Влияние тонких функциональных слоев электродов на характеристики среднетемпературного твердооксидного топливного элемента // Электрохимия. 2021. T. 57. № 2. C. 67-74.
   (A.V. Shipilova, A.A. Solov’ev, E.A. Smolyanskii, S.V. Rabotkin, I.V. Ionov, The Effect of Thin Functional Electrode Layers on Characteristics of Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell, Russian Journal of Electrochemistry, 2021, Vol. 57, No. 2, pp. 97–103. DOI: 10.1134/S1023193521020038)

Результат вошел в доклад Правительству Российской Федерации о ходе реализации программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы в 2020 году в числе важнейших результатов по направлению ФНИ «9. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы».

Результат получен сотрудниками ЛПЭ