Chemistry and electrochemistry of CeO₂-based interlayers: Prolonging the lifetime of solid oxide fuel and electrolysis cells

Abstract

Исследование и разработка твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и твердооксидных электролизеров (ТОТЭ) в настоящее время имеют первостепенное значение с точки зрения реализации программ водородной энергетики и сокращения углеродной нагрузки, которые взяли на себя многие страны. Несмотря на то, что к настоящему времени получено много выдающихся результатов в области изготовления и электрохимической аттестации ТОТЭ и ТОТЭ на основе перспективных кислородно-ионных и протонпроводящих электролитов, традиционные электролиты из диоксида циркония по-прежнему широко используются не только в лабораторных условиях, но и в виде увеличенных прототипов и стеков, при опытной эксплуатации последних в течение 10 000–100 000 ч. Для обеспечения хорошей стабильности работы и микроструктурной целостности таких многослойных ячеек особое внимание следует уделять химической активности функциональных материалов по отношению к их взаимодействию друг с другом, особенно в долгосрочной перспективе. Анализ литературы показывает, что в ТОТЭ и ТОТЭ на основе классических пар циркониевых электролитов и стронций-содержащих электродов протекают многие нежелательные процессы, в том числе сегрегация и взаимная диффузия элементов, образование низкопроводящих фаз, появление микроскопических дефектов и расслоение. Некоторые из этих процессов можно эффективно подавить, используя так называемые промежуточные слои, изготовленные из материалов на основе допированного диоксида церия. Благодаря своим многочисленным полезным функциям такие промежуточные слои имеют несколько синонимичных названий: блокирующие, барьерные, буферные или защитные слои. В настоящем обзоре представлены последние достижения в области фундаментальных и прикладных исследований цериевых промежуточных слоев, а также их влияния на химию и электрохимию твердооксидных элементов как на основе классических циркониевых электролитов, так и на основе перспективных кислород-ионных и протонпроводящих аналогов.

Segregation and interdiffusion processes in perovskites: a review of recent advances

“…The principle of fuel cells is based on the combination of a gaseous fuel (hydrogen, CO or some hydrocarbons) and an oxidising gas (oxygen from air) through porous electrodes and an ion conducting dense electrolyte. 23–25 The first developments related to SOFC prototypes consider YSZ as a classical electrolyte with acceptable ionic conductivity; such cells show good performance at high temperatures of 800–1000 °C. Lowering the operating temperature of these materials leads to a deterioration in energy performance.…”