nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2025-1-148-154nuc-794Research ArticleСтатьиРАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЯЧЕЕК ДЛЯ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВDEVELOPMENT AND CREATION OF RESEARCH CELLS FOR SOLID OXIDE FUEL CELLSОпахайС.OpakhaiS.

Астана

Astana

serikzhan.opakhai07@gmail.comКутербековК. А.KuterbekovK. A.

Астана

Astana

kkuterbekov@gmail.comБекмырзаК. Ж.BekmyrzaK. Zh.

Астана

Astana

kbekmyrza@yandex.kzКабышевА. М.KabyshevA. M.

Астана

Astana

assetenu@gmail.comКубеноваМ. М.KubenovaM. M.

Астана

Astana

kubenova.m@yandex.kzАйдарбековН. К.AidarbekovN. K.

Астана

Astana

nursultan02_22.10.92@mail.ruЖумадиловаЖ.ZhumadilovaZh.

Астана

Astana

zhumadilovaz@gmail.comЕвразийский национальный университет им. Л.Н ГумилеваКазахстанL.N. Gumilyov Eurasian National UniversityKazakhstan20250104202501148154Copyright © Опахай С., Кутербеков К.А., Бекмырза К.Ж., Кабышев А.М., Кубенова М.М., Айдарбеков Н.К., Жумадилова Ж., 20252025Опахай С., Кутербеков К.А., Бекмырза К.Ж., Кабышев А.М., Кубенова М.М., Айдарбеков Н.К., Жумадилова Ж.Opakhai S., Kuterbekov K.A., Bekmyrza K.Z., Kabyshev A.M., Kubenova M.M., Aidarbekov N.K., Zhumadilova Z.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/794

Статья посвящена разработке и созданию исследовательских ячеек для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), предназначенных для изучения их характеристик при различных температурах. Основное внимание уделено использованию высокотемпературных стеклянных герметиков, обеспечивающих герметичность конструкции. В статье описаны материалы и методы изготовления модельных топливных ячеек, включая различные комбинации электролитов (YSZ, ScSZ, GDC) и электродов (NiO, LSM). Конструкция исследовательских ячеек включает электрохимические сенсоры, обеспечивающие точный контроль состава газовой смеси, поступающей в активную зону, с отклонениями, не превышающими 0,5%. Результаты исследований вольт-амперных характеристик модельных ТОТЭ в температурном диапазоне 700–950 ℃ показали, что повышение температуры приводит к снижению омических потерь и улучшению кинетики электрохимических реакций. Максимальная плотность мощности достигается при более высоких плотностях тока с увеличением температуры, что объясняется повышенной проводимостью материалов и улучшенной активностью электродов. При более низких температурах наблюдается ограниченная эффективность ячеек из-за увеличенного сопротивления электролита и сниженной активности электродов. Разработанные исследовательские ячейки продемонстрировали высокую надежность и воспроизводимость данных, что позволяет использовать их для оптимизации состава материалов и структуры ТОТЭ. Полученные результаты подтверждают потенциал предложенной методологии для разработки высокоэффективных топливных элементов.

The article is devoted to the development and creation of research cells for solid oxide fuel cells (SOFCs) designed to study their characteristics at various temperatures. The primary focus is on the use of high-temperature glass sealants that ensure the hermeticity of the structure. The paper describes the materials and methods for fabricating model fuel cells, including various combinations of electrolytes (YSZ, ScSZ, GDC) and electrodes (NiO, LSM). The design of the research cells incorporates electrochemical sensors, providing precise control over the composition of the gas mixture entering the active zone, with deviations not exceeding 0.5%. The results of current-voltage characteristics of the model SOFCs in the temperature range of 700–950 ℃ showed that an increase in temperature leads to a reduction in ohmic losses and improved kinetics of electrochemical reactions. The maximum power density is achieved at higher current densities with increasing temperature, which is attributed to enhanced material conductivity and improved electrode activity. At lower temperatures, limited cell efficiency is observed due to increased electrolyte resistance and reduced electrode activity. The developed research cells demonstrated high reliability and reproducibility of data, enabling their use in optimizing the material composition and structure of SOFCs. The obtained results confirm the potential of the proposed methodology for the development of highly efficient fuel cells.

твердооксидные топливные элементымодельные топливные ячейкиисследовательские ячейкивысокотемпературные стеклянные герметикиэлектрохимические сенсорывольт-амперные характеристикиплотность мощностиомические потерикинетика электрохимических реакцийsolid oxide fuel cellsmodel fuel cellsresearch cellshigh-temperature glass sealantselectrochemical sensorscurrent-voltage characteristicspower densityohmic losseskinetics of electrochemical reactionsThe work was fulfilled in the framework of targeted financing program No. BR21882359, supported by the Ministry of Science and Higher Education of Kazakhstan.ReferencesLe T.T., Sharma P., Bora B.J., Tran V.D., Truong T.H., Le H.C., Nguyen P.Q.P. Fueling the future: A comprehensive review of hydrogen energy systems and their challenges // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 54. – Р. 791–816. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.01.012Le T.T., Sharma P., Bora B.J., Tran V.D., Truong T.H., Le H.C., Nguyen P.Q.P. Fueling the future: A comprehensive review of hydrogen energy systems and their challenges // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 54. – Р. 791–816. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.01.012Evro S., Oni B.A., Tomomewo O.S. Carbon neutrality and hydrogen energy systems // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 78. – Р. 1449–1467. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.045Evro S., Oni B.A., Tomomewo O.S. Carbon neutrality and hydrogen energy systems // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 78. – Р. 1449–1467. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.045Fan L., Tu Z., Chan S.H. Recent development of hydrogen and fuel cell technologies: A review // Energy Reports. – 2021. – Vol. 7. – Р. 8421–8446. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.08.033Fan L., Tu Z., Chan S.H. Recent development of hydrogen and fuel cell technologies: A review // Energy Reports. – 2021. – Vol. 7. – Р. 8421–8446. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.08.033Aminudin M.A., Kamarudin S.K., Lim B.H., Majilan E.H., Masdar M.S., Shaari N. An overview: Current progress on hydrogen fuel cell vehicles // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48(11). – Р. 4371–4388. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.02.056Aminudin M.A., Kamarudin S.K., Lim B.H., Majilan E.H., Masdar M.S., Shaari N. An overview: Current progress on hydrogen fuel cell vehicles // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48(11). – Р. 4371–4388. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.02.056Singla M.K., Nijhawan P., Oberoi A.S. Hydrogen fuel and fuel cell technology for cleaner future: a review // Environmental Science and Pollution Research. – 2021. – Vol. 28(13). – Р. 15607–15626. https://doi.org/10.1007/s11356-021-13278-7Singla M.K., Nijhawan P., Oberoi A.S. Hydrogen fuel and fuel cell technology for cleaner future: a review // Environmental Science and Pollution Research. – 2021. – Vol. 28(13). – Р. 15607–15626. https://doi.org/10.1007/s11356-021-13278-7Pramuanjaroenkij A., Kakaç S. The fuel cell electric vehicles: The highlight review // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48(25). – Р. 9401–9425. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.04.005Pramuanjaroenkij A., Kakaç S. The fuel cell electric vehicles: The highlight review // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48(25). – Р. 9401–9425. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.04.005Luo Y., Wu Y., Li B., Mo T., Li Y., Feng S.P., Chu P.K. Development and application of fuel cells in the automobile industry // Journal of Energy Storage. – 2021. – Vol. 42. – Р. 103124. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103124Luo Y., Wu Y., Li B., Mo T., Li Y., Feng S.P., Chu P.K. Development and application of fuel cells in the automobile industry // Journal of Energy Storage. – 2021. – Vol. 42. – Р. 103124. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103124Singh M., Zappa D., Comini E. Solid oxide fuel cell: Decade of progress, future perspectives and challenges // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46(54). – Р. 27643–27674. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.06.176Singh M., Zappa D., Comini E. Solid oxide fuel cell: Decade of progress, future perspectives and challenges // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46(54). – Р. 27643–27674. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.06.176Golkhatmi S.Z., Asghar M.I., Lund P.D. A review on solid oxide fuel cell durability: Latest progress, mechanisms, and study tools // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2022. – Vol. 161. – Р. 112339. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112339Golkhatmi S.Z., Asghar M.I., Lund P.D. A review on solid oxide fuel cell durability: Latest progress, mechanisms, and study tools // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2022. – Vol. 161. – Р. 112339. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112339Xu Q., Guo Z., Xia L., He Q., Li Z., Bello I.T., Ni M. A comprehensive review of solid oxide fuel cells operating on various promising alternative fuels // Energy Conversion and Management. – 2022. – Vol. 253. – Р. 115175. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115175Xu Q., Guo Z., Xia L., He Q., Li Z., Bello I.T., Ni M. A comprehensive review of solid oxide fuel cells operating on various promising alternative fuels // Energy Conversion and Management. – 2022. – Vol. 253. – Р. 115175. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115175Peng J., Huang J., Wu X.L., Xu Y.W., Chen H., Li X. Solid oxide fuel cell (SOFC) performance evaluation, fault diagnosis and health control: A review // Journal of Power Sources. – 2021. – Vol. 505. – Р. 230058. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230058Peng J., Huang J., Wu X.L., Xu Y.W., Chen H., Li X. Solid oxide fuel cell (SOFC) performance evaluation, fault diagnosis and health control: A review // Journal of Power Sources. – 2021. – Vol. 505. – Р. 230058. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230058Corigliano O., Pagnotta L., Fragiacomo P. On the technology of solid oxide fuel cell (SOFC) energy systems for stationary power generation: A review // Sustainability. – 2022. – Vol. 14(22). – Р. 15276. https://doi.org/10.3390/su142215276Corigliano O., Pagnotta L., Fragiacomo P. On the technology of solid oxide fuel cell (SOFC) energy systems for stationary power generation: A review // Sustainability. – 2022. – Vol. 14(22). – Р. 15276. https://doi.org/10.3390/su142215276Tang M., Niu Y., Muhammad W., Muhammad S., Zhong Z., Muhammad S., Lv W. Advances in solid oxide fuel cell electrolyte fabrication by pulsed laser deposition // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 50. – Р. 618–632. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.002Tang M., Niu Y., Muhammad W., Muhammad S., Zhong Z., Muhammad S., Lv W. Advances in solid oxide fuel cell electrolyte fabrication by pulsed laser deposition // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 50. – Р. 618–632. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.002Ahamad N., Banerjee S., Wei C.C., Lu K.C., Khedulkar A.P., Jian W.B., Lin H.C. Flexible Non-Enzymatic Glucose Sensors: One-Step Green Synthesis of NiO Nanoporous Films via an Electro-Exploding Wire Technique // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2024. – Vol. 16(47). – Р. 64494–64504. https://doi.org/10.1021/acsami.3c13524Ahamad N., Banerjee S., Wei C.C., Lu K.C., Khedulkar A.P., Jian W.B., Lin H.C. Flexible Non-Enzymatic Glucose Sensors: One-Step Green Synthesis of NiO Nanoporous Films via an Electro-Exploding Wire Technique // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2024. – Vol. 16(47). – Р. 64494–64504. https://doi.org/10.1021/acsami.3c13524

The authors declare that there are no conflicts of interest present.