PL238086B1 - Sposób wytwarzania materiału elektrolitowego do ogniw paliwowych typu IT-SOFC - Google Patents
Sposób wytwarzania materiału elektrolitowego do ogniw paliwowych typu IT-SOFC Download PDFInfo
- Publication number
- PL238086B1 PL238086B1 PL412130(22)20150427A PL41213015A PL238086B1 PL 238086 B1 PL238086 B1 PL 238086B1 PL 41213015 A PL41213015 A PL 41213015A PL 238086 B1 PL238086 B1 PL 238086B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- electrolyte material
- fuel cells
- electrolyte
- type fuel
- soft type
- Prior art date
Links
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 title claims description 9
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 10
- 238000000975 co-precipitation Methods 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 6
- 238000010335 hydrothermal treatment Methods 0.000 claims description 5
- BNGXYYYYKUGPPF-UHFFFAOYSA-M (3-methylphenyl)methyl-triphenylphosphanium;chloride Chemical compound [Cl-].CC1=CC=CC(C[P+](C=2C=CC=CC=2)(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC=CC=2)=C1 BNGXYYYYKUGPPF-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 claims description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical group [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- OBOSXEWFRARQPU-UHFFFAOYSA-N 2-n,2-n-dimethylpyridine-2,5-diamine Chemical compound CN(C)C1=CC=C(N)C=N1 OBOSXEWFRARQPU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018057 ScCl3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N ammonia nh3 Chemical compound N.N XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- NZSLBYVEIXCMBT-UHFFFAOYSA-N chloro hypochlorite;zirconium Chemical compound [Zr].ClOCl NZSLBYVEIXCMBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009694 cold isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 1
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- PCMOZDDGXKIOLL-UHFFFAOYSA-K yttrium chloride Chemical class [Cl-].[Cl-].[Cl-].[Y+3] PCMOZDDGXKIOLL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania materiału elektrolitowego, znajdującego zastosowanie w konstrukcji średniotemperaturowych ogniw paliwowych typu IT-SOFC (Intermediate Temperaturę Solid Oxide Fuel Cell) na suporcie anodowym.
Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, które bezpośrednio przekształca energię chemiczną, uwolnioną w wyniku utleniania paliwa gazowego, w energię elektryczną oraz ciepło, a jego sprawność energetyczna sięga 70%. Pojedyncza cela ogniwa zbudowana jest z anody oraz katody, które rozdzielone są materiałem przewodzącym jony zwanym elektrolitem. Elektrolit jest tak istotnym elementem, że zazwyczaj względem niego dobierane są materiały na pozostałe komponenty ogniwa. W ogniwie typu SOFC materiałem najczęściej stosowanym na anody jest porowaty cermet typu Ni/YSZ, gdzie YSZ - oznacza tlenek ZrO2 stabilizowany Y2O3 , katodę stanowi perowskit LaSrMnOs, a elektrolitem jest zestalony, nieporowaty YSZ.
Zadaniem elektrolitu jest transportowanie jonów tlenowych od katody do anody, natomiast elektrony, biorące udział w reakcjach elektrochemicznych zachodzących na katodzie i anodzie, przepływają przez zewnętrzny obwód elektryczny. Elektrolit musi być gazoszczelny, gdyż oddziela paliwo od utleniacza. Z tego też względu materiał elektrolitowy musi być chemicznie stabilny, zarówno w atmosferze utleniającej, jak i redukcyjnej. Powinien on także posiadać, w szerokim zakresie ciśnień parcjalnych tlenu, możliwie jak najwyższe przewodnictwo jonowe, przy jak najniższym przewodnictwie elektronowym.
W ogniwie typu SOFC powszechnie stosowanym materiałem elektrolitowym jest całkowicie stabilizowany ditlenek cyrkonu o strukturze regularnej C-YSZ (Cubic Yttrium Stabilized Zirconia), zawierający 8% molowych Y2O3. Materiał ten charakteryzuje się wysokim przewodnictwem jonowym oraz wysoką stabilnością chemiczną w kontakcie z materiałami elektrodowymi. Jednak rozpowszechnienie na szeroką skalę ogniw z tego typu elektrolitem nie nastąpiło, gdyż barierą okazały się: stosunkowo niska wytrzymałość mechaniczna i słaba odporność na szoki termiczne materiału elektrolitowego oraz konieczność pracy w zbyt wysokim zakresie temperatury od 900 do 1200°C.
W ogniwie typu IT-SOFC, pracującym w zakresie temperatur 600-800°C, dotychczasowy elektrolit C-YSZ zastąpiono elektrolitem wykonanym z częściowo stabilizowanego ditlenku cyrkonu o strukturze tetragonalnej 3Y-TZP (Tetragonal Zirconia Polycrystals), zawierającego 3% molowe Y2O3.
W publikacji Bućko M., Zych Ł., Haberko K. „Hydrotermalna preparatyka proszków ZrO2 - przykłady wykorzystania w technologii ceramiki”, Materiały Ceramiczne, nr 2/2002, str. 46-52, opisano hydrotermalną metodę otrzymywania proszków manometrycznych, w którym żel, uzyskany przez współstrącanie amoniakiem soli ZrOCL i YCI3, umieszczono w autoklawie w zawiesinie wody destylowanej i przetrzymywano w temperaturze 240°C przez 4 godziny.
Natomiast w publikacji Kluczowski R. i Śliwa R. „Technologia wytwarzania materiałów przeznaczonych na elektrolity jonowe stałotlenkowych ogniw paliwowych”, Inżynieria Materiałowa, nr 6/2007, str. 925-929 przedstawiono sposób wytwarzania nanoproszku 6Sc-3-YSZ metodą współstrącenia i obróbki hydrotermalnej oraz wytworzenie cienkiej warstwy elektrolitu metodą sitodruku na anodowym podłożu z tlenku niklu. Współstrącanie dokonywano poprzez wkroplenie roztworu ZrOCl2, YCI3 i ScCl3 o stężeniu 2,1 mol/dcm3 do roztworu amoniaku, a po wymieszaniu otrzymaną zawiesinę żelu odfiltrowano i przemywano do zaniku jonów Cl-. Odfiltrowany żel poddano obróbce hydrotermalnej w autoklawie przez okres 4 godzin w temperaturze 200°C, a następnie zawiesinę podsuszono i dodano bezwodnego alkoholu etylowego, próbkę dokładnie wymieszano, a następnie podsuszono do zawartości wilgoci 50%, przy czym zabieg ten powtarzano 4-krotnie. W ostatnim etapie proszek wysuszono i zabezpieczono przed wilgocią.
Celem wynalazku jest otrzymanie materiału elektrolitowego, zapewniającego wyższe przewodnictwo elektryczne.
Sposób wytwarzania materiału elektrolitowego do ogniw paliwowych typu IT-SOFC, według wynalazku, polegający na przygotowaniu proszku tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru 3-YSZ na drodze współstrącenia i obróbki hydrotermalnej, charakteryzuje się tym, że proszek ten wprowadza się do roztworu azotanu (V) glinu, a uzyskaną zawiesinę wygrzewa się w temperaturze 500-700°C. Następnie poddaje się ją prasowaniu izostatycznemu pod ciśnieniem 200-300 MPa uzyskując wypraskę, którą z kolei poddaje się spiekaniu w powietrzu w temperaturze 1450-1550°C przez okres 1-3 godzin.
PL 238 086 Β1
Sposób według wynalazku pozwala na otrzymanie gęstego materiału elektrolitowego do ogniw IT-SOFC w układzie 3Y-TZP/AI203, który wykazuje zdecydowanie wyższe przewodnictwo elektryczne w porównaniu do niemodyfikowanego elektrolitu 3Y-TZP.
Wynalazek został bliżej wyjaśniony w przykładzie wykonania. Pomiary przewodnictwa elektrycznego wykonano metodą spektroskopii impedancyjnej, a wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli.
Proszek ditlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru w ilości 3% molowych (3-YSZ) otrzymano metodą współstrącenia i obróbki hydrotermalnej. Żel, otrzymany przez współstrącenie 25% wodnym roztworem amoniaku NH3 soli tlenochlorku cyrkonu ZrOCb o stężeniu 1,53 mol/dm3 oraz chlorku itru YCh o stężeniu 0,684 mol/dcm3, umieszczono w autoklawie i przetrzymywano w temperaturze 240°C przez okres 2 godzin. W autoklawie żel był w zawiesinie wody destylowanej i w tych warunkach krystalizował. Mieszaninę tlenku cyrkonu i tlenku itru w postaci uwodnionych związków przemyto wodą destylowaną i roztworem alkoholu izopropylenowego na lejku Buchnera. Otrzymany osad wysuszono i zmielono w młynie mieszadłowym, a następnie poddano impregnacji. W tym celu proszek umieszczono w naczyniu, do którego wprowadzono roztwór alkoholowy azotanu (V) glinu AI(NO)3 o stężeniu 0,0816 mol/dcm3 w przeliczeniu na 20 g proszku 3-YSZ. Zawiesinę wygrzewano w powietrzu w temperaturze 500°C przez godzinę, a następnie poddano ją prasowaniu izostatycznemu na zimno pod ciśnieniem 250 MPa uzyskując wypraskę, którą z kolei poddano spiekaniu w atmosferze powietrza w temperaturze 1500°C przez okres 2 godzin. Powyższym sposobem otrzymano materiał elektrolitowy, który stanowi częściowo stabilizowany ditlenek cyrkonu o strukturze tetragonalnej 3Y-TZP (Tetragonal Zirconia Polycrystals), zawierający 3% molowe Y2O3 oraz dodatek 0,5% molowych AI2O3 (3Y-TZP/0,5% mol. AI2O3) przeznaczony dla ogniwa pracującego w temperaturze 600°C.
Tabela
| Rodzaj badanego materiału | Przewodnictwo elektryczne [S/cm] | |
| wnętrza ziaren | granic międzyziarnowych | |
| 3Y-TZP | 7,3510'5 | 3,31 10’5 |
| 3Y-TZP/0,5%mol.AI203 | 0,010 | 0,0017 |
Zastrzeżenie patentowe
Claims (1)
1. Sposób wytwarzania materiału elektrolitowego do ogniw paliwowych typu IT-SOFC polegający na przygotowaniu proszku tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru 3-YSZ na drodze współstrącenia i obróbki hydrotermalnej, znamienny tym, że proszek ten wprowadza się do roztworu azotanu (V) glinu, a uzyskaną zawiesinę wygrzewa się w temperaturze 500-700°C, a następnie poddaje się ją prasowaniu izostatycznemu pod ciśnieniem 200-300 MPa uzyskując wypraskę, którą z kolei poddaje się spiekaniu w powietrzu w temperaturze 1450-1550°C przez okres 1-3 godzin.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL412130(22)20150427A PL238086B1 (pl) | 2015-04-27 | 2015-04-27 | Sposób wytwarzania materiału elektrolitowego do ogniw paliwowych typu IT-SOFC |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL412130(22)20150427A PL238086B1 (pl) | 2015-04-27 | 2015-04-27 | Sposób wytwarzania materiału elektrolitowego do ogniw paliwowych typu IT-SOFC |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL412130A1 PL412130A1 (pl) | 2016-11-07 |
| PL238086B1 true PL238086B1 (pl) | 2021-07-05 |
Family
ID=57210593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL412130(22)20150427A PL238086B1 (pl) | 2015-04-27 | 2015-04-27 | Sposób wytwarzania materiału elektrolitowego do ogniw paliwowych typu IT-SOFC |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL238086B1 (pl) |
-
2015
- 2015-04-27 PL PL412130(22)20150427A patent/PL238086B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL412130A1 (pl) | 2016-11-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fabbri et al. | High-performance composite cathodes with tailored mixed conductivity for intermediate temperature solid oxide fuel cells using proton conducting electrolytes | |
| Hu et al. | High-performance protonic ceramic fuel cell cathode using protophilic mixed ion and electron conducting material | |
| Li et al. | Stable and easily sintered BaCe0. 5Zr0. 3Y0. 2O3− δ electrolytes using ZnO and Na2CO3 additives for protonic oxide fuel cells | |
| US7833469B2 (en) | Preparation of yttria-stabilized zirconia reaction sintered products | |
| Dai et al. | Optimization of sintering temperature for SOFCs by a co-firing method | |
| Narendar et al. | The importance of phase purity in Ni–BaZr 0.85 Y 0.15 O 3− δ cermet anodes–novel nitrate-free combustion route and electrochemical study | |
| Ling et al. | Bismuth and indium co-doping strategy for developing stable and efficient barium zirconate-based proton conductors for high-performance H-SOFCs | |
| US11545690B2 (en) | Proton conductor, proton-conducting cell structure, water vapor electrolysis cell, and method for producing hydrogen electrode-solid electrolyte layer complex | |
| US10033059B2 (en) | Fuel cell | |
| Choi et al. | High-performance ceramic composite electrodes for electrochemical hydrogen pump using protonic ceramics | |
| Osinkin et al. | Symmetrical solid oxide fuel cell with strontium ferrite-molybdenum electrodes | |
| Vdovin et al. | Manipulating the grain boundary properties of BaCeO3‑based ceramic materials through sintering additives introduction | |
| Gondolini et al. | Alternative production route for supporting La0. 8Sr0. 2MnO3− δ-Ce0. 8Gd0. 2O2− δ (LSM-GDC) | |
| Lianghao et al. | Layered perovskite oxide Y0. 8Ca0. 2BaCoFeO5+ δ as a novel cathode material for intermediate-temperature solid oxide fuel cells | |
| JP5219370B2 (ja) | イオン伝導体 | |
| KR20130085798A (ko) | 세리아계 조성물, 세리아계 복합 전해질 분말 및 이를 이용한 소결 방법 및 소결체 | |
| PL238086B1 (pl) | Sposób wytwarzania materiału elektrolitowego do ogniw paliwowych typu IT-SOFC | |
| Castellani et al. | Synthesis of yttrium doped barium zirconate/cerate electrolyte materials and densification using conventional and cold-sintering processes | |
| JP2012119327A (ja) | 高イオン導電性固体電解質材料及び焼結体、並びに、固体電解質型燃料電池 | |
| Ahmed et al. | A Study on Sintering Inhibition of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3-∂ Cathode Material for Cathode-Supported Fuel Cells | |
| JP4184039B2 (ja) | 酸素イオン伝導性固体電解質並びにこれを用いた電気化学デバイス及び固体電解質型燃料電池 | |
| KR102888700B1 (ko) | 저온 소결용 프로톤 전도성 전해질 및 이의 제조방법 | |
| KR101579874B1 (ko) | 고체 산화물 연료 전지용 전해질 조성물 및 고체 산화물 연료 전지 | |
| US20150255819A1 (en) | Electrolyte composition for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell | |
| JP2003068324A (ja) | 酸素イオン伝導性固体電解質並びにこれを用いた電気化学デバイス及び固体電解質型燃料電池 |