Лаборатория твердооксидных топливных элементов

В лаборатории работает 30 сотрудников, в том числе 3 доктора химических наук, 9 кандидатов химических наук и 4 кандидата физико-математических наук.

Научные направления:

1. Ионные и смешанные твердые оксидные проводники.
2. Транспортные свойства твердооксидных проводников.
3. Активные электроды для топливных элементов, работающих при умеренно высоких температурах.
4. Кинетика электродных реакций в электрохимических системах с кислород- и протон-проводящими твердыми электролитами.
5. Природа деградационных процессов в топливных элементах.
6. Моделирование макрокинетических процессов в ячейках и устройствах на твердых оксидных проводниках.
7. Твердооксидные электрохимические устройства: топливные элементы, электролизеры, конвертеры газов, электрохимические насосы и датчики.
8. Изучается кинетика взаимодействия перспективных для электрохимических приложений оксидных материалов с газовой фазой. Разрабатываются и совершенствуются методы исследования кинетики обмена и диффузии легких атомов с использованием стабильных изотопов на границе газовая фаза — оксид для соединений с кислородной, протонной или смешанной проводимостью, а также на трехфазной границе — газовая фаза—электрод—электролит.
9. Выполняются теоретические исследования твердых электролитов и электронно-ионных проводников. Проводятся разработки в области микроскопической и феноменологической теории процессов переноса и релаксации, термодинамических свойств, дефектообразования и обусловленных дефектами свойств перспективных материалов с высокой ионной проводимостью. Работы последних лет связаны в основном с исследованиями протонпроводящих оксидов.

Методы исследований:

1. Метод изотопного обмена с анализом газовой фазы для исследования кинетики взаимодействия кислорода газовой фазы с электрохимическими материалами.
2. Метод релаксации давления кислорода для исследования химического обмена и диффузии кислорода, для измерения кислородной нестехиометрии.
3. Метод релаксации давления водорода для исследования растворимости водорода в протонпроводящих оксидах.
4. Методы цифровой обработки изображений РЭМ для анализа микроструктуры электрохимических материалов.
5. Используются современные аналитические методы теории конденсированных сред, а также методы компьютерного моделирования (молекулярной статики, Монте-Карло и др.).

Аналитическое сопровождение НИР лаборатории осуществляется в ЦКП «Состав вещества».

Основные достижения:

1. Разработаны методики, необходимые для структурного, элементного анализа и микроанализа веществ и материалов, применяемых в исследовательской практике ИВТЭ. Основные методики выполнения измерений аттестованы в соответствии с ГОСТ Р8.563-96 и внесены в Федеральный реестр и реестр УрО РАН.
2. Установлены закономерности поведения двойного электрического слоя на границе раздела жидкий металл-твердый оксидный электролит и определены потенциалы нулевого заряда широкого ряда металлов.
3. Созданы научные основы высокотемпературного электролиза газов.
4. Определены закономерности кинетики взаимодействия кислорода газовой фазы (О₂, CO+CO₂) c кислородом электролитов на основе ZrO₂, CeO₂, Bi₂O₃, Ba(Sr)CeO₃, LaGaO₃, рядом металлических и оксидных электродных материалов.
5. Предложены механизмы токообразования и лимитирующие стадии электродных реакций в твердых оксидных электролитах.
6. Определены природа импеданса с постоянным фазовым углом высокочастотного процесса на кислородных электродах в контакте с твердым оксидным электролитом и закономерности поведения емкости двойного электрического слоя.
7. Установлены закономерности электрохимического поведения систем с твердым протонпроводящим электролитом на основе BaCeO₃ в восстановительных газовых средах.
8. Установлены закономерности электрохимического поведения систем с твердым электролитом на основе LaGaO_3.
9. Изучено влияние допирования акцепторными, донорными и изовалентными элементами на физико-химические и транспортные свойства различных твердооксидных систем.
10. Разработаны, изготовлены и испытаны макеты электрохимических генераторов на твердооксидных топливных элементах мощностью 100, 200, 300 и 1500 Вт. Разработаны теоретические основы электрохимической конверсии как способа получения чистого водорода. Разработаны и исследованы материалы со смешанной проводимостью как основы электрохимических конвертеров.