Введение ........................................................................................................................ 5
Глава 1. Литературный обзор................................................................................. 14
1.1 Твёрдооксидные топливные элементы ..................................................... 14
1.1.1 Принцип работы .......................................................................................... 14
1.1.2 Классификация ТОТЭ................................................................................. 18
1.1.3 Материалы ТОТЭ ........................................................................................ 22
1.1.4 Виды сопротивлений, возникающих в ТОТЭ .......................................... 32
1.1.5 Трёхфазная граница..................................................................................... 37
1.1.6 Модели реакции окисления топлива ......................................................... 38
1.1.7 Внутренняя конверсия в ТОТЭ.................................................................. 39
1.2 Спектроскопия комбинационного рассеяния света................................. 45
1.2.1 Физический смысл....................................................................................... 45
1.2.2 Преимущества КР-спектроскопии............................................................. 47
1.2.3 Исследование характеристик материалов топливных элементов с
помощью КР-спектроскопии...................................................................................... 49
1.2.4 Исследование процессов деградации ТОТЭ............................................. 55
Глава 2. Экспериментальные методики и образцы ........................................... 59
2.1 Исследовательские методики..................................................................... 59
2.1.1 Метод Лауэ................................................................................................... 59
2.1.2 Сканирующая электронная микроскопия ................................................. 59
2.1.3 Измерение спектров пропускания света ................................................... 60
2.1.4 Комбинированная установка для одновременных спектроскопических,
электрохимических и газовых исследований........................................................... 60
2.1.4.1 Электрохимические исследования ............................................................ 60
2.1.4.2 Высокотемпературная спектроскопия комбинационного рассеяния
света ....................................................................................................................... 63
2.1.4.3 Проточный газовый анализ........................................................................ 64
2.2 Приготовление образцов для исследований............................................. 66
3
2.2.1 Монокристаллические анионные проводники......................................... 66
2.2.2 Измерение спектров пропускания мембран твёрдого электролита ....... 67
2.2.3 Изготовление модельных образцов ТОТЭ для оптических исследований
со специальной геометрией........................................................................................ 72
2.2.3.1 Образцы с поддерживающим электролитом............................................ 73
2.2.3.2 Образцы с поддерживающим анодом ....................................................... 82
2.2.3.3 Образцы для исследования процессов внутренней конверсии .............. 88
Глава 3.In-situ исследования внутреннего интерфейса анод|электролит в
условиях работы ТОТЭ............................................................................................ 95
3.1 Методика получения и обработки высокотемпературных спектров КРС
..................................................................................................................... 95
3.2 Зависимость химического потенциала кислорода от рабочих условий в
аноде топливного элемента с конструкцией поддерживающего электролита ..... 99
3.2.1 Зависимость анодного перенапряжения от состава топливной смеси .. 99
3.2.2 Исследование зависимости анодного перенапряжения от тока методом
КР-спектроскопии ..................................................................................................... 102
3.2.3 Анализ полученных электрохимических данных .................................. 106
3.3 Химический потенциал кислорода в топливном электроде ТОТЭ с
конструкцией поддерживающего анода ................................................................. 117
3.3.1 Зависимость анодного перенапряжения от состава топливной смеси 117
3.3.2 Зависимость анодного перенапряжения от приложенной токовой
нагрузки ..................................................................................................................... 120
3.3.3 Анализ полученных электрохимических данных от образца с анодподдерживающей конструкцией.............................................................................. 123
3.4 Сравнение зависимости химического потенциала кислорода в Ni-GDC
аноде образцов с электролит- и анод-поддерживающей конструкцией ............. 131
3.5 Выводы по главе 3..................................................................................... 137
Глава 4. Исследование процессов внутренней конверсии оксигенатов и
углеводородов в процессе работы ТОТЭ............................................................ 139
4
4.1 Внутренняя паровая конверсия на аноде ТОТЭ электролитподдерживающей конструкции ............................................................................... 142
4.1.1 Результаты анализа состава выходной газовой смеси........................... 143
4.1.2 Результаты электрохимических исследований ...................................... 144
4.1.3 In-situ исследования процесса осаждения углерода на внутренней
границе ТОТЭ............................................................................................................ 145
4.2 Углекислотная конверсия метана в процессе работы ТОТЭ электролити анод-поддерживающей конструкции................................................................... 147
4.2.1 Результаты электрохимических исследований ...................................... 153
4.2.2 Ex-situ исследования поверхности анода ТОТЭ после продолжительной
работы в режиме углекислотной конверсии метана.............................................. 155
4.3 Выводы по главе 4..................................................................................... 165
Заключение............................................................................................................... 167
Список использованных сокращений и обозначений ..................................... 169
Список литературы................................................................................................. 171
