RU2064210C1 - Electrochemical device - Google Patents

Electrochemical device Download PDF

Info

Publication number
RU2064210C1
RU2064210C1 RU9393034845A RU93034845A RU2064210C1 RU 2064210 C1 RU2064210 C1 RU 2064210C1 RU 9393034845 A RU9393034845 A RU 9393034845A RU 93034845 A RU93034845 A RU 93034845A RU 2064210 C1 RU2064210 C1 RU 2064210C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
oxide
zirconium dioxide
metal
cobalt oxide
layers
Prior art date
Application number
RU9393034845A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93034845A (en
Inventor
О.С. Владимирова
А.И. Груздев
З.Л. Копосова
Л.А. Люцарева
Л.Н. Маркова
Е.Д. Пивник
Original Assignee
Груздев Александр Иванович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Груздев Александр Иванович filed Critical Груздев Александр Иванович
Priority to RU9393034845A priority Critical patent/RU2064210C1/en
Publication of RU93034845A publication Critical patent/RU93034845A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2064210C1 publication Critical patent/RU2064210C1/en

Links

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

FIELD: high-temperature electrochemical devices such as thermal elements, oxygen pumps, electrolyzers, and gas analyzers of oxygen-containing gases, miscellaneous devices based on stabilized zirconium dioxide. SUBSTANCE: electrochemical device has electrodes, electric connector, and solid electrolyte layer made of mixture of metal oxides including zirconium dioxide, cobalt oxide, and oxide of metal chosen from group including calcium oxide, magnesium oxide, oxides of rare-earth elements and their mixtures. Electrolyte layer composition is as follows, mass percent: zirconium dioxide, 75-97; cobalt oxide, 0.013-1.97; metal oxide, the balance. Other components of structure have in their composition, pass percent: zirconium dioxide, 0.9-45; cobalt oxide, 50.35-98.9; metal oxide, the balance. EFFECT: improved composition.

Description

Изобретение относится к области высокотемпературных электрохимических устройств с твердооксидным электролитом и может быть использовано в производстве топливных элементов, кислородных насосов, электролизеров и газоанализаторов кислородосодержащих газов и других устройств на основе стабилизированного диоксида циркония. The invention relates to the field of high-temperature electrochemical devices with solid oxide electrolyte and can be used in the manufacture of fuel cells, oxygen pumps, electrolyzers and gas analyzers of oxygen-containing gases and other devices based on stabilized zirconia.

Известен твердооксидный топливный элемент трубчатой конструкции, представляющий собой пористую трубу, обеспечивающую подвод окислителя, на которую последовательно нанесены слои катода, электролита, анода, при этом электролит и анод имеют разрыв вдоль образующей, в котором размещены слои, выполняющие роль токопрохода [1] Топливный элемент планарной конструкции [2] выполнен в виде пакета пластин двух видов: пластина, образованная слоями катода, электролита, анода, и пластина, выполняющая роль токопрохода и газоразделительного слоя, и имеющая на поверхности продольные (пазы для подвода и отвода реагентов). Известен монолитный твердооксидный кислородный насос [3] в котором катод, анод и газоразделительные слои выполнены из манганита лантана, а в качестве электролита используется стабилизированный иттрием диоксид циркония. Known solid oxide fuel cell of a tubular design, which is a porous pipe that provides an oxidizer supply, on which the layers of the cathode, electrolyte, anode are applied sequentially, while the electrolyte and anode have a gap along the generatrix, in which the layers that play the role of current passage are placed [1] Fuel cell planar structure [2] is made in the form of a package of plates of two types: a plate formed by layers of a cathode, electrolyte, anode, and a plate that acts as a current passage and a gas separation layer, and having longitudinal on the surface (recesses for supplying and removing reagents). A monolithic solid oxide oxygen pump [3] is known in which the cathode, anode and gas separation layers are made of lanthanum manganite, and zirconia stabilized with yttrium is used as the electrolyte.

Наиболее близким к данному изобретению является высокотемпературный топливный элемент с твердым электролитом и керамическими электродами [4] Элемент содержит пористый катод из электропроводной керамики, пористый анод из той же электропроводной керамики и твердый электролит из оксидной ионопроводящей керамики на основе стабилизированного диоксида гафния или циркония. Closest to this invention is a high temperature solid electrolyte fuel cell and ceramic electrodes [4] The cell contains a porous cathode of electrically conductive ceramics, a porous anode of the same electrically conductive ceramic, and a solid electrolyte of oxide ion-conducting ceramic based on stabilized hafnium or zirconia.

Недостатком известного электрохимического устройства являются его низкие электрические характеристики. A disadvantage of the known electrochemical device is its low electrical characteristics.

Задачей изобретения является создание высокотемпературного электрохимического устройства (ВЭУ), обладающего удовлетворительными электрическими характеристиками в совокупности с повышенным ресурсом работы в условиях многократного термоциклирования. The objective of the invention is the creation of a high-temperature electrochemical device (wind turbine) with satisfactory electrical characteristics in combination with an increased service life in conditions of multiple thermal cycling.

Указанный технический результат достигается тем, что: в электрохимическом устройстве, содержащем электроды, электрический соединитель и слой твердого электролита, выполненные из смеси оксидов металлов, включающих диоксид циркония и оксид металла, выбранного из группы, включающей: оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов, или их смеси, смесь оксидов металлов дополнительно содержит оксид кобальта при следующем соотношении компонентов (мас.)
для электролитных слоев:
диоксид циркония от 75 до 97
оксид кобальта СоО от 0,013 до 1,97,
оксид металла остальное до 100
для остальных элементов конструкции:
диоксид циркония от 0,9 до 45
оксид кобальта СоО от 50,35 до 98,9;
оксид металла остальное до 100
Примеры конкретного выполнения:
Пример 1. Монолитный топливный элемент.
The specified technical result is achieved in that: in an electrochemical device containing electrodes, an electrical connector and a solid electrolyte layer made of a mixture of metal oxides, including zirconium dioxide and a metal oxide selected from the group consisting of: calcium oxide, magnesium oxide, rare earth oxides , or mixtures thereof, the mixture of metal oxides additionally contains cobalt oxide in the following ratio of components (wt.)
for electrolyte layers:
zirconium dioxide from 75 to 97
cobalt oxide CoO from 0.013 to 1.97,
metal oxide the rest is up to 100
for other structural elements:
zirconium dioxide from 0.9 to 45
cobalt oxide CoO from 50.35 to 98.9;
metal oxide the rest is up to 100
Examples of specific performance:
Example 1. Monolithic fuel cell.

Методом соосаждения приготовлены два материала следующих составов М1: ZrO2 97 мас. MgO 2,987, CoO 0,013 мас. и М2: ZrO2 45 мас. MgO 4,65, CoO 50,35 мac. Из полученных порошков приготовлены массы ЭМ1 и ЭМ2, содержащие дополнительно 7% раствор каучука в бензине при весовом соотношении порошок раствор 1 0,8 и отлиты пленки П1 и П2 толщиной 0,3 мм. Из пленки П1, прокатанной до толщины 0,07 мм, вырублены квадратные заготовки твердого электролита (Э). Из пленки П2, прокатанной до толщины 0,15 мм, вырублены квадратные заготовки катодов (К) и анодов (А). Из пленки П2, прокатанной до толщины 0,07 мм, вырублены квадратные заготовки газоразделительных слоев (PC). Между двумя слоями непрокатанной пленки П2 заложена сетка из хлопковых волокон диаметром 0,3 мм и проведена их совместная прокатка до толщины 0,6 мм, после чего вырублены квадратные заготовки коммутационных и газоподводящих слоев (ТП). Заготовки собраны в пакет из трех комплектов, последовательно набранных слоев: PC, ТП, К, Э, А, ТП, РС. Собранный пакет спрессован при давлении 500 кг/см2 и спечен при температуре 1400oС на воздухе в течение 1 часа. С помощью стеклоприпоя проведена герметизация противоположных боковых граней ТП к А и К и установка газовых и таковых коллекторов.Two materials of the following compositions M1 were prepared by coprecipitation: ZrO 2 97 wt. MgO 2.987, CoO 0.013 wt. and M2: ZrO 2 45 wt. MgO 4.65, CoO 50.35 wt. From the obtained powders masses EM1 and EM2 were prepared, containing an additional 7% solution of rubber in gasoline at a weight ratio of powder to solution of 0.8, and films of P1 and P2 were cast 0.3 mm thick. From the film P1, rolled to a thickness of 0.07 mm, square blanks of solid electrolyte (E) were cut. Square blanks of cathodes (K) and anodes (A) were cut from P2 film, rolled to a thickness of 0.15 mm. From the film P2, rolled to a thickness of 0.07 mm, square blanks of gas separation layers (PC) are cut. Between two layers of the non-rolled P2 film a mesh of cotton fibers with a diameter of 0.3 mm was laid and they were jointly rolled to a thickness of 0.6 mm, after which square blanks of switching and gas supply layers (TP) were cut down. The blanks are collected in a package of three sets of sequentially collected layers: PC, TP, K, E, A, TP, PC. The collected package is pressed at a pressure of 500 kg / cm 2 and sintered at a temperature of 1400 o C in air for 1 hour. Using glass solder, the opposite side faces of TP to A and K were sealed and gas and such collectors were installed.

Пример 2. Трубчатый топливный элемент. Example 2. Tubular fuel cell.

Методом соосаждения приготовлены два материала следующих составов М1: ZrO2 75 мас. Y2О3 23,03, СоО 1,97 мас. и М2: ZrO2 0,9 мас. Y2O3 0,2, Coo 98,9 мас. Из полученных порошков приготовлены массы ЭМ1 и ЭМ2, содержащие дополнительно 7% раствор каучука в бензине при весовом соотношении порошок раствор 1 0.8 и отлиты пленки П1 и П2 толщиной 0,3 мм. Из М2 методом экструзии сформирована пористая трубка с толщиной стенки 1 мм. Пленка П1, прокатанная до толщины 0,07 мм, уложена между двумя слоями из пленки П2, прокатанной до толщины 0,2 мм, проведена их совместная прокатка до толщины 0,35 мм. Из созданной многослойной структуры вырублена заготовка, которая нанесена с помощью изостатического прессования при давлении 1000 кг/см2 на внешнюю поверхность трубки с нахлестом краев в 2 мм, и проведена термообработка при температуре 1150oС в течение 1 часа. Плоской шлифовкой в месте нахлеста вскрыта поверхность трубки и в образовавшийся разрыв слоев электролита и внешнего электрода нанесен спой ЭМ2 толщиной 0,5 мм и шириной, равной величине разрыва слоя нижнего электрода. Конструкция спечена при температуре 1450oС на воздухе в течение 1 часа, после чего проведена герметизация стеклоприпоем стыков, между торцами слоя электролита и слоя токопрохода.Two materials of the following compositions M1 were prepared by coprecipitation: ZrO 2 75 wt. Y 2 O 3 23.03; CoO 1.97 wt. and M2: ZrO 2 0.9 wt. Y 2 O 3 0.2, Coo 98.9 wt. From the obtained powders masses EM1 and EM2 were prepared, containing an additional 7% solution of rubber in gasoline at a weight ratio of powder to solution 1 0.8 and films P1 and P2 were cast 0.3 mm thick. A porous tube with a wall thickness of 1 mm was formed from M2 by extrusion. The P1 film, rolled to a thickness of 0.07 mm, is laid between two layers of a P2 film, rolled to a thickness of 0.2 mm, and they are jointly rolled to a thickness of 0.35 mm. A blank was cut from the created multilayer structure, which was deposited by isostatic pressing at a pressure of 1000 kg / cm 2 on the outer surface of the tube with an overlap of edges of 2 mm, and heat treatment was carried out at a temperature of 1150 o C for 1 hour. The surface of the tube was opened by flat grinding in the place of overlapping, and EM2 spoil 0.5 mm thick and a width equal to the gap of the lower electrode layer was deposited in the gap between the electrolyte and the outer electrode layers. The structure was sintered at a temperature of 1450 ° C in air for 1 hour, after which the joints were sealed with glass weld, between the ends of the electrolyte layer and the current passage layer.

Сформированные вышеописанным способом электрохимические устройства обладали хорошими термомеханическими свойствами (без видимых изменений выдерживали 50 термоциклов нагрева-охлаждения от комнатной температуры до 900oС за 2 часа), позволяли получать в кратковременных режимах плотности тока до 2 А/см2. Их повышенные характеристики обусловлены, по-видимому, тем, что все составляющие их слои обладают одним и тем же набором химических элементов. Это способствует образованию между сформированными функциональными слоями переходных слоев с плавным изменением концентрации кобальта при неизменном соотношении концентрации остальных ингредиентов, и как следствие плавное изменение физикомеханических характеристик в многослойной структуре. Очевидно образование таких относительно протяженных переходных слоев между электродами и электролитом и обуславливает полученные высокие электрохимические характеристики таких структур. Плавное изменение концентрации химических элементов в слоях, образующих электрохимическое устройство позволяет прогнозировать более высокую стабильность его характеристик во времени, т.к. основной причиной их ухудшения является взаимная диффузия на границах между разнородными слоями.The electrochemical devices formed by the above-described method had good thermomechanical properties (they could withstand 50 heating-cooling thermal cycles from room temperature to 900 o С for 2 hours without visible changes) and made it possible to obtain current densities of up to 2 A / cm 2 in short-term modes. Their enhanced characteristics are apparently due to the fact that all their constituent layers have the same set of chemical elements. This contributes to the formation between the formed functional layers of transition layers with a smooth change in the concentration of cobalt with a constant ratio of the concentration of the remaining ingredients, and as a result, a smooth change in the physicomechanical characteristics in the multilayer structure. Obviously, the formation of such relatively extended transition layers between the electrodes and the electrolyte determines the obtained high electrochemical characteristics of such structures. A smooth change in the concentration of chemical elements in the layers forming the electrochemical device allows us to predict a higher stability of its characteristics over time, because the main reason for their deterioration is the mutual diffusion at the boundaries between heterogeneous layers.

Источники информации
1. Патент США N 5085742, кл. МКИ H O1 M 6/00, 1992.
Information sources
1. US patent N 5085742, CL. MKI H O1 M 6/00, 1992.

2. Патент ФРГ N 3922673, кл. МКИ Н 01 М 8/12, 1989
3. Патент США N 4877506, кл. МКИ С 25 В 9/00, 1989.
2. The patent of Germany N 3922673, class. MKI N 01 M 8/12, 1989
3. US patent N 4877506, CL. MKI C 25 V 9/00, 1989.

4. Патент США N 4459341, кл. МКИ H O1 M 8/12, 1984. 4. US patent N 4459341, CL. MKI H O1 M 8/12, 1984.

Claims (1)

Электрохимическое устройство, содержащее электроды, электрический соединитель и слой твердого электролита, выполненные из смеси оксидов металлов, включающих диоксид циркония и оксид металла, выбранного из группы, включающей: оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов, или их смеси, отличающееся тем, что смесь оксидов металлов дополнительно содержит оксид кобальта при следующем соотношении компонентов, мас. An electrochemical device containing electrodes, an electrical connector and a solid electrolyte layer made of a mixture of metal oxides, including zirconia and a metal oxide selected from the group consisting of: calcium oxide, magnesium oxide, rare earth oxides, or mixtures thereof, characterized in that the mixture of metal oxides additionally contains cobalt oxide in the following ratio of components, wt. для электролитных слоев:
Диоксид циркония 75 97,
Оксид кобальта СоО 0,013 1,97,
Оксид металла Остальное до 100%
Для остальных элементов конструкции:
Диоксид циркония 0,9 45,
Оксид кобальта СоО 50,35 98,3,
Оксид металла Остальное до 100%
for electrolyte layers:
Zirconium dioxide 75 97,
Cobalt oxide CoO 0.013 1.97,
Metal oxide The rest is up to 100%
For other structural elements:
Zirconium dioxide 0.9 45,
Cobalt oxide CoO 50.35 98.3,
Metal oxide The rest is up to 100%
RU9393034845A 1993-07-02 1993-07-02 Electrochemical device RU2064210C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU9393034845A RU2064210C1 (en) 1993-07-02 1993-07-02 Electrochemical device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU9393034845A RU2064210C1 (en) 1993-07-02 1993-07-02 Electrochemical device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93034845A RU93034845A (en) 1995-12-10
RU2064210C1 true RU2064210C1 (en) 1996-07-20

Family

ID=20144520

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU9393034845A RU2064210C1 (en) 1993-07-02 1993-07-02 Electrochemical device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2064210C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998021769A1 (en) * 1996-11-11 1998-05-22 Gorina, Liliya Fedorovna Method for manufacturing a single unit high temperature fuel cell and its components: a cathode, an electrolyte, an anode, a current conductor, and interface and insulating layers
WO2008133549A1 (en) * 2007-04-27 2008-11-06 Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennost'yu 'natsional'naya Innovatsionnaya Kompaniya 'novye Energeticheskie Proekty' Cathode material for solid oxide fuel cells based on cobalt-containing perovskite-like oxides of transition metals
RU2556888C1 (en) * 2014-06-09 2015-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Electrochemical energy converter
RU2742140C1 (en) * 2020-03-27 2021-02-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Single tubular cell with supporting proton electrolyte for direct conversion of hydrocarbon fuels

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
: Патент США № 5085742, НОЛИ 6/00, 1992. Патент ФРГ № 3922673, H 01 M 8/12, 1989. Патент США № 4877506, С 25 В 9/00, 1989. Патент США № 4459341, НОВИ 8/12, 1984. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998021769A1 (en) * 1996-11-11 1998-05-22 Gorina, Liliya Fedorovna Method for manufacturing a single unit high temperature fuel cell and its components: a cathode, an electrolyte, an anode, a current conductor, and interface and insulating layers
US6875532B2 (en) 1996-11-11 2005-04-05 Liliya Fedorovna Gorina Method for manufacturing a single high-temperature fuel cell and its components
WO2008133549A1 (en) * 2007-04-27 2008-11-06 Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennost'yu 'natsional'naya Innovatsionnaya Kompaniya 'novye Energeticheskie Proekty' Cathode material for solid oxide fuel cells based on cobalt-containing perovskite-like oxides of transition metals
RU2556888C1 (en) * 2014-06-09 2015-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Electrochemical energy converter
RU2742140C1 (en) * 2020-03-27 2021-02-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Single tubular cell with supporting proton electrolyte for direct conversion of hydrocarbon fuels

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4562124A (en) Air electrode material for high temperature electrochemical cells
JP4178610B2 (en) Oxide ion conductors and their applications
US4749632A (en) Sintering aid for lanthanum chromite refractories
US4052532A (en) Electrolyte-electrode assembly for a combustible battery
US6042703A (en) Ion conductor stack with offset seals and biasing electrodes
EP0584551B1 (en) Solid oxide fuel cell and fuel electrode therefor
EP0194380B1 (en) Support tubes for electrochemical cells
CA2342154C (en) Ceramic fuel cell
US6872331B2 (en) Oxide ion conductor, manufacturing method therefor, and fuel cell using the same
JPH07153469A (en) Solid electrolyte fuel cell
EP0983786A2 (en) Separation of oxygen from an oxygen-containing gas
US5672437A (en) Solid electrolyte for a fuel cell
RU2064210C1 (en) Electrochemical device
JP4374631B2 (en) Oxide ion mixed conductor and its application
JP2000108245A (en) Ceramic laminating material
JPH09129252A (en) Highly durable solid electrlyte fuel cell and manufacture thereof
JP2000251533A (en) Oxide-ion mixed conductor and its application
JP3259756B2 (en) Multilayer solid electrolyte for solid fuel cells
JPH1074528A (en) Solid electrolyte fuel cell and its manufacture
JP3342610B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP3160993B2 (en) Solid oxide fuel cell
JPH07161360A (en) Air electrode material for low temperature action type solid fuel cell
JP3336171B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP3446649B2 (en) Method for producing oxide ion conductor
RU2079935C1 (en) Active electrode for high-temperature electrochemical devices with solid electrolyte