RU2280297C2 - Using sulfur-containing fuels for directly oxidizing fuel cells - Google Patents
Using sulfur-containing fuels for directly oxidizing fuel cells Download PDFInfo
- Publication number
- RU2280297C2 RU2280297C2 RU2003117024/09A RU2003117024A RU2280297C2 RU 2280297 C2 RU2280297 C2 RU 2280297C2 RU 2003117024/09 A RU2003117024/09 A RU 2003117024/09A RU 2003117024 A RU2003117024 A RU 2003117024A RU 2280297 C2 RU2280297 C2 RU 2280297C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- anode
- tape
- fuel cell
- copper
- Prior art date
Links
Images
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
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Данное изобретение относится к технологии топливных элементов и, более конкретно, к твердооксидному топливному элементу, способному работать с серосодержащим углеводородным топливом, а также к способам получения таких топливных элементов и их применения для производства электрической энергии.This invention relates to fuel cell technology and, more specifically, to a solid oxide fuel cell capable of operating with sulfur-containing hydrocarbon fuel, as well as to methods for producing such fuel cells and their use for generating electrical energy.
Описание прототипа.Description of the prototype.
Твердооксидные топливные элементы ((SOFCs)(ТОТЭ)) признаны в качестве жизнеспособного высокотемпературного источника электрической энергии. Так как рабочие температуры указанных топливных элементов обычно превышают 600оС и могут быть такими высокими, как 1000оС, материалы, используемые для составных частей топливного элемента, ограничены тем, что они должны быть стойкими при таких температурах. Электролит топливных элементов выполнен, главным образом, из плотных керамических материалов. Электролит проводит кислородные анионы (О2-), но является электронным непроводником.Solid Oxide Fuel Cells ((SOFCs) (SOFCs)) are recognized as a viable high-temperature source of electrical energy. Since the operating temperature of said fuel cells is typically greater than about 600 C and may be as high as 1000 ° C, materials used for components of the fuel cell, are limited in that they must be resistant at such temperatures. The electrolyte of fuel cells is made mainly of dense ceramic materials. The electrolyte conducts oxygen anions (O 2- ), but is an electronic non-conductor.
Известно получение анодных материалов для твердооксидных топливных элементов с использование никелевых (Ni) металлокерамик, полученных из порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ). Работа N.Q.Minch, Journal of the American Ceramic Socieety, 76, 563 (1993), полное описание которой приводится здесь в качестве ссылки. Высокотемпературное прокаливание при более 1200оС является необходимым для того, чтобы получить требуемую ионную проводимость в YSZ-части анода.It is known to obtain anode materials for solid oxide fuel cells using nickel (Ni) cermets obtained from yttrium oxide stabilized zirconia powders (YSZ). NQMinch, Journal of the American Ceramic Socieety, 76 , 563 (1993), the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. The high temperature calcination at 1200 ° C is necessary to obtain the required ionic conductivity in the YSZ-anode portion.
В наиболее традиционных топливных элементах водородный газ либо подают непосредственно к аноду, либо получают конверсией с водяным паром углеводородов, таких как метан. Конверсия с водяным паром является дорогостоящей и способствует значительному усложнению системы. Было предложено использовать сухой метан, однако Ni катализирует образование углеродных волокон в сухом метане, приводя к образованию углерода на аноде. Ni-содержащие аноды могут быть использованы, если только топливные элементы, вводящие их, работают при соотношениях пар/метан более 1,7. Однако имеются значительные преимущества достижения работы в сухих условиях. Они включают легкое регулирование тепла, отсутствие требования дополнительного пара и возможность более низких рабочих температур благодаря тому, что равновесие для прямого окисления является всегда благоприятным.In most conventional fuel cells, hydrogen gas is either supplied directly to the anode or obtained by steam conversion of hydrocarbons such as methane. Steam conversion is expensive and significantly complicates the system. Dry methane has been proposed, but Ni catalyzes the formation of carbon fibers in dry methane, leading to the formation of carbon on the anode. Ni-containing anodes can be used if only the fuel cells introducing them operate at steam / methane ratios greater than 1.7. However, there are significant benefits to working in dry conditions. These include easy heat control, the absence of the need for additional steam and the possibility of lower operating temperatures due to the fact that the equilibrium for direct oxidation is always favorable.
Некоторые недостатки никельсодержащих анодных материалов в ТОТЭ"ах устраняются использованием медьсодержащих анодов. Смотри, например, работу R.Gorte et al., Advanced Materials, 12, 1465-69 (2000), полное описание которой приводится здесь в качестве ссылки. Указано, что замена никеля медью в анодном материале дает возможность избежать образования углерода при использовании сухих углеводородных топлив. Смотри работу S.Park et al., Nature, 404, 265-57 (2000), полное описание которой приводится здесь в качестве ссылки.Some of the drawbacks of nickel-containing anode materials in SOFCs are eliminated by using copper-containing anodes. See, for example, R. Gorte et al., Advanced Materials , 12 , 1465-69 (2000), the full description of which is incorporated herein by reference. It is indicated that replacing nickel with copper in the anode material makes it possible to avoid carbon formation when using dry hydrocarbon fuels See S. Park et al., Nature, 404 , 265-57 (2000), the full description of which is incorporated herein by reference.
Топливные элементы обычно работают с водородом в качестве топлива. Было предложено заменить водород коммерчески доступными и более экономичными углеводородными топливами, такими как природный газ, бензин, дизельное топливо, нефть, мазут и т.п. Такие неочищенные топлива в настоящее время не используются в качестве источника топлива, подходящего для топливного элемента, потому что указанные топлива содержат относительно высокие уровни серы часто в виде природных комплексных органических соединений серы. Например, бензин, продаваемый в Соединенных Штатах, имеет средний уровень серы 300 ч./млн. Кроме того, соединения серы, такие как меркаптаны и тиолы, вводят в качестве одорантов в природный газ на уровне между 10 и 20 ч./млн, так что утечки могут быть определены.Fuel cells typically work with hydrogen as fuel. It has been proposed to replace hydrogen with commercially available and more economical hydrocarbon fuels such as natural gas, gasoline, diesel, oil, fuel oil, etc. Such crude fuels are not currently used as a fuel source suitable for a fuel cell because these fuels contain relatively high levels of sulfur, often in the form of natural complex organic sulfur compounds. For example, gasoline sold in the United States has an average sulfur level of 300 ppm. In addition, sulfur compounds such as mercaptans and thiols are introduced as odorants into natural gas at a level between 10 and 20 ppm, so that leaks can be detected.
Наиболее традиционные топливные элементы работают на водородном газе. Окисление в присутствии серы приводит к отравляющему воздействию на катализатор, используемый в системе генерирования водорода, часто включая анодный катализатор топливного элемента. Соответственно, углеводородные топлива, используемые в настоящее время в топливных элементах, обычно десульфуризируют и затем подвергают реформингу до водородного газа.Most conventional fuel cells run on hydrogen gas. Oxidation in the presence of sulfur leads to toxic effects on the catalyst used in the hydrogen generation system, often including the anode catalyst of the fuel cell. Accordingly, the hydrocarbon fuels currently used in fuel cells are typically desulfurized and then reformed to hydrogen gas.
В одной такой операции традиционные топливоперерабатывающие системы, используемые со стационарными электростанциями топливных элементов, включают термическую паровую реформинг-установку, такую, как описанная в патенте США № 5516344. В такой топливоперерабатывающей системе серу удаляют традиционной технологией гидродесульфуризации, которая обычно основана на некотором уровне рецикла как источника водорода для процесса. Рециклируемый водород соединяется с органическими соединениями серы с образованием сульфида водорода в каталитическом слое. Сульфид водорода затем удаляют, используя слой оксида цинка с образованием сульфида цинка. Обычный способ гидродесульфуризации рассмотрен подробно в патенте США № 5292428. Когда такая система может быть использована в крупных стационарных применениях, она придает системам значительную усложненность.In one such operation, conventional fuel processing systems used with stationary fuel cell power plants include a thermal steam reformer, such as described in US Pat. No. 5,516,344. In such a fuel processing system, sulfur is removed by conventional hydrodesulfurization technology, which is usually based on some kind of recycling process such as hydrogen source for the process. Recycled hydrogen combines with organic sulfur compounds to form hydrogen sulfide in the catalytic bed. Hydrogen sulfide is then removed using a layer of zinc oxide to form zinc sulfide. The conventional hydrodesulfurization process is described in detail in US Pat. No. 5,292,428. When such a system can be used in large stationary applications, it gives the systems significant complexity.
Другие топливоперерабатывающие системы, такие как традиционные автотермические реформинг-установки, которые имеют более высокую рабочую температуру, чем традиционные термические паровые реформинг-установки, могут давать газ, обогащенный водородом, в присутствии вышеуказанных комплексных органических соединений серы без предварительной десульфуризации. Согласно патенту США № 6159256 при использовании автотермической реформинг-установки для переработки неочищенных топлив, содержащих комплексные органические соединения серы, результатом является потеря эффективности катализатора автотермической реформинг-установки и срока службы используемого катализатора остальной части топливоперерабатывающей системы. Указано, что перед подачей продукта реформинга к топливному элементу концентрация H2S должна быть снижена до 0,05 ч./млн. Работа Y.Matsuzaki and I.Yasuda, SOFC VII, Proceeding of the 7th Intern.Symp., Electrochemical Society, Pennington, NJ, 2001:16 (2001), р. 769.Other fuel processing systems, such as traditional autothermal reformers, which have a higher operating temperature than traditional thermal steam reformers, can produce hydrogen enriched gas in the presence of the above complex organic sulfur compounds without prior desulfurization. According to US Pat. No. 6,159,256, when using an autothermal reforming unit for processing crude fuels containing complex organic sulfur compounds, the result is a loss of catalyst efficiency of the autothermal reforming unit and the lifetime of the used catalyst of the rest of the fuel processing system. It is indicated that before the reforming product is fed to the fuel cell, the H 2 S concentration should be reduced to 0.05 ppm. Work Y.Matsuzaki and I.Yasuda, SOFC VII, Proceeding of the 7 th Intern.Symp, Electrochemical Society, Pennington, NJ, 2001: A. 16 (2001), p. 769.
Альтернативно, сера в виде сульфида водорода может быть удалена из газового потока пропусканием газового потока через жидкий газоочиститель, такой как гидроксид натрия, гидроксид калия или амины. Жидкие газоочистители являются крупными и тяжелыми и поэтому используются, главным образом, только в стационарных электростанциях топливных элементов.Alternatively, sulfur in the form of hydrogen sulfide can be removed from the gas stream by passing the gas stream through a liquid scrubber such as sodium hydroxide, potassium hydroxide or amines. Liquid scrubbers are large and heavy and therefore are used mainly only in stationary fuel cell power plants.
Краткое описание изобретения.A brief description of the invention.
Задачей данного изобретения является преодоление проблем, связанных с присутствием комплексных органических соединений серы в потоке углеводородного топлива для использования в топливном элементе без увеличения сложности переработки топлива.The objective of the invention is to overcome the problems associated with the presence of complex organic sulfur compounds in a hydrocarbon fuel stream for use in a fuel cell without increasing the complexity of fuel processing.
Другой задачей данного изобретения является создание топливного элемента, который может работать с серосодержащим углеводородным топливом.Another objective of this invention is to provide a fuel cell that can work with sulfur-containing hydrocarbon fuels.
Еще одной задачей данного изобретения является создание топливного элемента, который может работать с топливом, которое не должно подвергаться предварительной обработке для удаления комплексных органических соединений серы.Another objective of this invention is the creation of a fuel cell that can work with fuel, which should not be subjected to pre-treatment to remove complex organic sulfur compounds.
Еще одной задачей данного изобретения является создание способа, по которому топливный элемент, который загрязнен серой, может восстанавливать полные характеристики после дезактивации серным отравлением.Another objective of the present invention is to provide a method in which a fuel cell that is contaminated with sulfur can restore full characteristics after decontamination by sulfur poisoning.
Еще одной задачей данного изобретения является создание способа получения пористого прямоокислительного анода для твердооксидного топливного элемента с использованием в качестве исходного материала никелевой металлокерамики.Another objective of the present invention is to provide a method for producing a porous direct oxidizing anode for a solid oxide fuel cell using nickel sintered metal as a starting material.
Еще одной задачей данного изобретения является создание способа получения слоистой керамической структуры, содержащей прямоокислительный анод с нанесенным на него как на подложку электролитом, который может вводить дополнительный слой для придания большей прочности структуре.Another objective of this invention is to provide a method for producing a layered ceramic structure containing an oxidizing anode with an electrolyte deposited on it as a substrate, which can introduce an additional layer to give the structure a higher strength.
Другой задачей данного изобретения является создание способа получения пористой медной или из Ni-Cu-сплава металлокерамики для использования в пористом прямоокислительном аноде для твердооксидного топливного элемента.Another objective of this invention is to provide a method for producing a porous copper or Ni-Cu metal-ceramic alloy for use in a porous oxidative anode for a solid oxide fuel cell.
Еще одной задачей данного изобретения является создание твердооксидного топливного элемента, имеющего композитный анод из металлокерамического сплава, который работает эффективно с использованием сухого серосодержащего углеводородного топлива.Another objective of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having a ceramic metal alloy composite anode that works efficiently using dry sulfur-containing hydrocarbon fuel.
Еще одной задачей данного изобретения является создание способа получения электрической энергии с помощью вышеуказанного ТОТЭ.Another objective of the present invention is to provide a method for producing electrical energy using the above SOFC.
Указанные и другие задачи решаются согласно настоящему изобретению, которое содержит твердооксидный топливный элемент, содержащий твердый электролит, который является электронным непроводником, который позволяет переносить анионы, металлокерамический композитный анод и катод, и который работает с использованием топлива, которое содержит серосодержащий углеводород и имеет содержание серы от примерно 1 ч./млн до примерно 5000 ч./млн, и источник кислорода.These and other problems are solved according to the present invention, which contains a solid oxide fuel cell containing a solid electrolyte, which is an electronic non-conductor, which allows the transfer of anions, a ceramic-metal composite anode and cathode, and which operates using a fuel that contains sulfur-containing hydrocarbon and has a sulfur content from about 1 ppm to about 5000 ppm, and an oxygen source.
Углеводородом может быть нефтяной дистиллят, выбранный из группы, состоящей из бензина, дизельного топлива, лигроина, JP-4, JP-5, JP-8, керосина, автола, природного газа и мазута. Другими предпочтительными углеводородами и их производными являются спирты, включая этанол и метанол, и сухой метан, бутан, толуол и декан. Также могут использоваться смеси углеводородов. Серосодержащие топлива, предпочтительно, имеют концентрацию серы от около 1 ч./млн до около 1000 ч./млн, и более предпочтительно, концентрацию серы от примерно 1 ч./млн до примерно 500 ч./млн.The hydrocarbon may be an oil distillate selected from the group consisting of gasoline, diesel, naphtha, JP-4, JP-5, JP-8, kerosene, autol, natural gas and fuel oil. Other preferred hydrocarbons and their derivatives are alcohols, including ethanol and methanol, and dry methane, butane, toluene and decane. Mixtures of hydrocarbons may also be used. Sulfur-containing fuels preferably have a sulfur concentration of from about 1 ppm to about 1000 ppm, and more preferably, a sulfur concentration of from about 1 ppm to about 500 ppm.
Изобретение также предусматривает способ получения электрической энергии. Способ изобретения содержит создание твердооксидного топливного элемента, содержащего электролит, который является электронным непроводником, который позволяет переносить анионы, металлокерамический композитный анод и катод, и дополнительные стадии контактирования катода топливного элемента с источником кислорода и контактирования анода с топливом, содержащим серосодержащий углеводород, имеющим содержание серы от около 1 ч./млн до около 5000 ч./млн.The invention also provides a method for producing electrical energy. The method of the invention comprises the creation of a solid oxide fuel cell containing an electrolyte, which is an electronic non-conductor, which allows the transfer of anions, a cermet composite anode and cathode, and additional steps of contacting the cathode of the fuel cell with an oxygen source and contacting the anode with a sulfur-containing hydrocarbon fuel having sulfur content from about 1 ppm to about 5,000 ppm
Изобретение дополнительно предусматривает способ восстановления характеристик топливного элемента, дезактивированного серным отравлением, нагреванием анода в водяном паре в течение периода времени, достаточного для эффективного удаления серы.The invention further provides a method for restoring the characteristics of a fuel cell deactivated by sulfur poisoning by heating the anode in water vapor for a period of time sufficient to effectively remove sulfur.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает способ получения пористой медной металлокерамики или металлокерамики из медно-никелевого сплава из спеченной никелевой металлокерамики с содержанием никеля между примерно 10% и примерно 60% для использования в качестве прямоокислительного анода. Способ содержит выщелачивание, по меньшей мере, части никеля из металлокерамики с увеличением в результате пористости металлокерамики. Cu затем вводится обратно в пористую структуру с получением Cu-металлокерамики. В одном варианте пористую структуру пропитывают растворимым медьсодержащим пропитывающим веществом, предпочтительно, медной солью. Пропитанную металлокерамику подвергают воздействию температуры, достаточной для превращения медьсодержащего пропитывающего вещества в оксид меди, который, в свою очередь, восстанавливается до элементарной меди, приводя к образованию медной металлокерамики или металлокерамики из медно-никелевого сплава в зависимости от количества никеля, удаленного в ходе стадии выщелачивания.The present invention further provides a method for producing porous copper cermet or cermet from a copper-nickel sintered nickel cermet alloy with a nickel content of between about 10% and about 60% for use as an oxidizing anode. The method comprises leaching at least a portion of nickel from cermets with an increase in porosity of cermets. Cu is then introduced back into the porous structure to form Cu-cermets. In one embodiment, the porous structure is impregnated with a soluble copper-containing impregnating agent, preferably a copper salt. The impregnated cermets are subjected to a temperature sufficient to convert the copper-containing impregnating substance to copper oxide, which, in turn, is reduced to elemental copper, resulting in the formation of cermet or cermet from a copper-nickel alloy depending on the amount of nickel removed during the leaching stage .
В предпочтительном варианте многослойную керамическую часть получают с одним слоем, содержащим NiO и YSZ, а другим - только с YSZ. Указанные слои каждый может быть образован традиционной технологией отливки ленты. При осуществлении данного варианта изобретения суспензию рецептуры отливки первой ленты, содержащую связующее, носитель и керамический порошок, содержащий оксид никеля и диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ), и оптимально органический порообразователь, наносят на подложку (такую, как пленка Майлар) и формуют в первую ленту. Рецептуру отливки второй ленты получают образованием суспензии, содержащей связующее, носитель и керамический порошок, по меньшей мере, частью которого является YSZ. Суспензию рецептуры отливки второй ленты наносят на подложку, которой может быть первая лента, и формуют во вторую ленту. Указанная вторая лента после спекания образует плотный YSZ, который служит в качестве электролита.In a preferred embodiment, the multilayer ceramic part is obtained with one layer containing NiO and YSZ, and the other with YSZ only. These layers each can be formed by traditional tape casting technology. In carrying out this embodiment of the invention, a suspension suspension of the first tape casting containing a binder, carrier and ceramic powder containing nickel oxide and zirconia stabilized with yttrium oxide (YSZ) and optimally an organic blowing agent is applied to a substrate (such as a Mylar film) and formed in the first tape. The casting recipe of the second tape is obtained by forming a suspension containing a binder, a carrier and a ceramic powder, at least part of which is YSZ. The suspension of the casting of the second tape is applied to the substrate, which may be the first tape, and formed into a second tape. The specified second tape after sintering forms a dense YSZ, which serves as an electrolyte.
Первую ленту и вторую ленту накладывают друг на друга с обеспечением ламинатной заготовки. Ламинатную заготовку нагревают до температуры, достаточной для спекания керамического порошка, после чего оксид никеля восстанавливается до элементарного никеля. Получаемый ламинат затем перерабатывают указанным выше образом для превращения никелевой металлокерамики в прямоокислительный анодный материал.The first tape and the second tape are laid on top of each other to provide a laminate preform. The laminate preform is heated to a temperature sufficient to sinter the ceramic powder, after which nickel oxide is reduced to elemental nickel. The resulting laminate is then processed in the manner described above to convert the nickel cermet into an oxidizing anode material.
Настоящее изобретение предусматривает также способ упрочнения вышеуказанного прямоокислительного анода с нанесенным на него как на подложку электролитом (или без него). Способ включает образование другой рецептуры отливки ленты, которая используется для обеспечения упрочняющего слоя на вышеуказанной ламинатной заготовке. Рецептура находится в виде суспензии, содержащей связующее, носитель и керамический порошок, содержащий YSZ или другое соединение, коэффициент термического расширения которого при спекании совместим с коэффициентом термического расширения спеченного YSZ. Суспензию указанной рецептуры отливки третьей ленты наносят на несущую подложку и формуют в третью ленту. Толщина третьей ленты является относительно больше толщины второй ленты. Третью ленту перфорируют с образованием, по меньшей мере, одного отверстия и, предпочтительно, нескольких отверстий через толщу ленты. Перфорированную третью ленту накладывают на пористую первую ленту. Трехслойную заготовку затем спекают и обрабатывают далее с удалением Ni вышеуказанным образом с получением упрочненного прямоокислительного анода с нанесенной на него как на подложку электролитной структурой. Получаемая трехслойная структура имеет большую механическую прочность, чем двухслойный ламинат.The present invention also provides a method of hardening the aforementioned oxidative anode with or without electrolyte deposited on it as a substrate. The method includes the formation of another tape casting formulation that is used to provide a reinforcing layer on the aforementioned laminate preform. The formulation is in the form of a suspension containing a binder, carrier and ceramic powder containing YSZ or another compound, the coefficient of thermal expansion of which during sintering is compatible with the coefficient of thermal expansion of sintered YSZ. A suspension of this formulation of the casting of the third tape is applied to the carrier substrate and formed into a third tape. The thickness of the third tape is relatively greater than the thickness of the second tape. The third tape is perforated to form at least one hole and, preferably, several holes through the thickness of the tape. A perforated third tape is applied to the porous first tape. The three-layer preform is then sintered and further processed to remove Ni in the above manner to obtain a hardened direct oxidizing anode with an electrolyte structure deposited on it as a substrate. The resulting three-layer structure has greater mechanical strength than a two-layer laminate.
Настоящее изобретение также предусматривает твердооксидный топливный элемент, содержащий твердый электролит, состоящий из электрического непроводника, который позволяет переносить анионы, анод и катод. Анодный материал с или без нанесенного на него как на подложку электролита получают с использованием описанных выше способов.The present invention also provides a solid oxide fuel cell comprising a solid electrolyte consisting of an electrical non-conductor that allows the transfer of anions, anode and cathode. Anode material, with or without an electrolyte deposited thereon, is prepared using the methods described above.
Настоящее изобретение дополнительно предусматривает способ получения электрической энергии. Указанный способ содержит стадии обеспечения твердооксидного топливного элемента, описанного непосредственно выше, контактирования катода такого топливного элемента с источником кислорода и контактирования анода данного топливного элемента с топливом.The present invention further provides a method for producing electrical energy. The method comprises the steps of providing a solid oxide fuel cell as described immediately above, contacting the cathode of such a fuel cell with an oxygen source, and contacting the anode of the fuel cell with fuel.
Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.
На фиг.1 представлена диаграмма работы твердооксидного топливного элемента изобретения.Figure 1 presents a diagram of the solid oxide fuel cell of the invention.
На фиг.2 представлена диаграмма топливного элемента, который является подходящим для использования в осуществлении настоящего изобретения.Figure 2 presents a diagram of a fuel cell, which is suitable for use in the implementation of the present invention.
На фиг. 3, 4, 5, 6 и 7 представлены диаграммы, показывающие предпочтительный способ получения анода изобретения.In FIG. 3, 4, 5, 6, and 7 are diagrams showing a preferred method for producing the anode of the invention.
На фиг.8 представлена диаграмма, иллюстрирующая способ получения согласно данному изобретению.On Fig presents a diagram illustrating the method of obtaining according to this invention.
На фиг.9 представлена фотография трех сырых лент, используемых для получения упрочненного прямоокислительного анода с нанесенным на него как на подложку электролитом, вместе со структурой после обжига.Figure 9 presents a photograph of three crude tapes used to obtain a hardened direct oxidative anode with an electrolyte deposited on it as a substrate, together with the structure after firing.
На фиг.10 представлена диаграмма вида сбоку составных частей твердооксидного топливного элемента.Figure 10 presents a diagram of a side view of the components of a solid oxide fuel cell.
На фиг.11 представлены вольт-амперные характеристики, полученные с топливным элементом изобретения, использующим свободные от серы декан, толуол и дизельное топливо в качестве топлива.Figure 11 presents the current-voltage characteristics obtained with a fuel cell of the invention using sulfur-free decane, toluene and diesel fuel as fuel.
На фиг.12 представлены вольт-амперные характеристики, полученные от топливного элемента типа, показанного на фиг.2, использующего н-декан, содержащий различные концентрации серы.On Fig presents the current-voltage characteristics obtained from a fuel cell of the type shown in figure 2, using n-decane containing various concentrations of sulfur.
На фиг.13 показана максимальная плотность тока топливного элемента, работавшего с 40 мас.% н-декана, содержащего 5000 ч./млн серы, в сухом азоте в топливном элементе, имеющем анод из диоксида циркония, стабилизированного медь-оксидом иттрия, без содержания оксида церия.13 shows the maximum current density of a fuel cell operating with 40 wt.% N-decane containing 5,000 ppm sulfur in dry nitrogen in a fuel cell having a copper-yttrium stabilized zirconia anode without content cerium oxide.
На фиг.14 представлены вольт-амперные характеристики топливного элемента, имеющего анод из диоксида циркония, стабилизированный медь-оксид церия-оксидом иттрия, и работавшего с 40 мас.% н-декана, содержащего 5000 ч./млн серы, в азотном газе.On Fig presents the current-voltage characteristics of a fuel cell having a zirconia anode, stabilized copper-cerium oxide-yttrium oxide, and worked with 40 wt.% N-decane containing 5000 ppm sulfur in nitrogen gas.
На фиг.15 представлены рентгенограммы для анода из диоксида циркония, стабилизированного медь-оксид церия-оксидом иттрия, после различных условий обработки.On Fig presents x-ray for the anode of zirconia stabilized with copper-cerium oxide-yttrium oxide, after various processing conditions.
На фиг.16 представлены вольт-амперные характеристики для топливного элемента, работавшего с 40% промышленным бензином в сухом азотном газе.On Fig presents the current-voltage characteristics for a fuel cell that worked with 40% industrial gasoline in dry nitrogen gas.
На фиг.17 представлены вольт-амперные характеристики для топливного элемента, работавшего с 10%-ным промышленным бензином в сухом азоте.On Fig presents the current-voltage characteristics for a fuel cell that worked with 10% industrial gasoline in dry nitrogen.
На фиг.18 представлены вольт-амперные характеристики для топливного элемента, работавшего с деканом, содержащим различные концентрации серы.On Fig presents the current-voltage characteristics for a fuel cell that worked with a dean containing various concentrations of sulfur.
На фиг.19 представлено изменение сопротивления анода, полученного из Cu, в углеводородном топливе, содержащем 5000 мас.% серы, когда проводник нагревается до 700о С.On Fig presents the change in the resistance of the anode obtained from Cu, in hydrocarbon fuel containing 5000 wt.% Sulfur, when the conductor is heated to 700 about C.
На фиг.20 представлены основные характеристики топливного элемента по сравнению с кривыми плотности тока для работы твердооксидного топливного элемента изобретения при 700о С с использованием водорода и бутана в качестве топлив. Водород показан на кривых кружком, а бутан - квадратом. Незатушеванный кружок и квадрат обозначают результаты, относящиеся к напряжению топливного элемента. Затушеванный кружок и квадрат обозначают результаты, относящиеся к удельной мощности.On Fig presents the main characteristics of the fuel cell in comparison with the current density curves for the operation of the solid oxide fuel cell of the invention at 700 about With the use of hydrogen and butane as fuels. Hydrogen is shown on the curves in a circle, and butane - in a square. The open circle and square indicate the results related to the voltage of the fuel cell. A shaded circle and a square indicate power-related results.
Описание предпочтительных вариантов.Description of preferred options.
На фиг. 1 и 2 показаны, соответственно, диаграмма работы твердооксидного топливного элемента и диаграмма работы топливного элемента изобретения. Согласно фиг. 1 и 2 молекулярный О2 из источника кислорода восстанавливается до анионов О2- на катоде, после чего О2- диффундирует через электролит к аноду, где он окисляет топливо, в данном случае углеводородное топливо. Внешний ток образуется потоком электронов от анода через внешнюю цепь к катоду. Вода и диоксид углерода также получаются реакцией окисления на аноде и удаляются из топливного элемента.In FIG. 1 and 2 show, respectively, a diagram of a solid oxide fuel cell and a diagram of a fuel cell of the invention. According to FIG. 1 and 2, molecular O 2 from the oxygen source is reduced to O 2– anions at the cathode, after which O 2– diffuses through the electrolyte to the anode, where it oxidizes the fuel, in this case, hydrocarbon fuel. An external current is generated by the flow of electrons from the anode through the external circuit to the cathode. Water and carbon dioxide are also produced by the oxidation reaction at the anode and are removed from the fuel cell.
Электролит является электронным непроводником, который позволяет переносить ионы. Электролитом является, предпочтительно, материал, проводящий ион оксида. Подходящие материалы, проводящие ион оксида, включают легированный оксид церия, такой как оксид церия, легированный гадолинием, оксид церия, легированный самарием, легированный диоксид циркония, такой как диоксид циркония, легированный скандием, диоксид циркония, легированный оксидом иттрия, и диоксид циркония, легированный кальцием, и легированный лантангаллат, такой как лантангаллийоксид, легированный стронцием. Другими подходящими материалами, проводящими ион оксида, являются оксиды висмута или ванадаты, перовскиты, содержащие марганец, кобальт, железо, никель, ванадий, хром или другие металлы. Предпочтительно, электронным непроводником является легированный оксид церия или легированный диоксид циркония, и наиболее предпочтительно, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия. Смотри, например, патенты США № 6214485 (Barnett et al.) и № 6303098 (Kramarz et al.), которые приводятся здесь в качестве ссылки, и патент США № 5670270 (Wallin).The electrolyte is an electronic non-conductor that allows the transfer of ions. The electrolyte is preferably an oxide ion conducting material. Suitable oxide ion conducting materials include doped ceria, such as cadmium doped with gadolinium, ceria, samarium doped, zirconia doped with zirconia, doped with zirconia, doped with yttria and zirconia with doped calcium, and doped lanthan gallate, such as strontium doped lanthan gallium oxide. Other suitable oxide ion conducting materials are bismuth or vanadate oxides, perovskites containing manganese, cobalt, iron, nickel, vanadium, chromium or other metals. Preferably, the electronic non-conductor is doped cerium oxide or doped zirconia, and most preferably, yttria stabilized zirconia. See, for example, US Patent Nos. 6,214,485 (Barnett et al.) And 6303098 (Kramarz et al.), Which are incorporated herein by reference, and US Patent No. 5,670,270 (Wallin).
Структура анод/электролит топливного элемента изобретения может быть получена любыми подходящими способами, часть которых приведена в качестве примера непосредственно ниже. Например, неспеченная смесь электронопроводящего и ионопроводящего материалов может быть нанесена на слой, содержащий спеченный или неспеченный ионопроводящий электролитный материал до спекания, с обеспечением достаточного контакта между слоями, как показано в способе второго аспекта изобретения. В одном варианте такого способа смесь ионопроводящего и электронопроводящего материалов наносят на неспеченный слой электролитного материала, и смесь и электролитный слой спекают одновременно. В другом варианте смесь наносят на предварительно спеченный слой электролита и затем спекают.The anode / electrolyte structure of the fuel cell of the invention can be obtained by any suitable methods, some of which are given as an example immediately below. For example, an unsintered mixture of electrically conductive and ion-conductive materials can be deposited on a layer containing sintered or unsintered ion-conductive electrolyte material before sintering, providing sufficient contact between the layers, as shown in the method of the second aspect of the invention. In one embodiment of such a method, a mixture of ion-conductive and electron-conductive materials is deposited on an unsintered layer of electrolyte material, and the mixture and the electrolyte layer are sintered simultaneously. In another embodiment, the mixture is applied to a pre-sintered electrolyte layer and then sintered.
Смесь ионопроводящих и электронопроводящих частиц может быть нанесена на слой, содержащий частицы электролитного материала (далее «электролитный слой»), любыми подходящими способами, такими как, например, способы отливки ленты, трафаретная печать или шелкография суспензии материала (материалов) на электролитную структуру.A mixture of ion-conducting and electron-conducting particles can be deposited on a layer containing particles of electrolyte material (hereinafter “the electrolyte layer”) by any suitable methods, such as, for example, methods of casting a tape, screen printing or silk-screening of a suspension of material (materials) on an electrolyte structure.
Другими способами формования структуры электрод/электролит являются каландрование ленты и шликерное литье. Каландрование ленты обычно включает стадии формования электронопроводящей ленты из электронопроводящего компонента, а также формования ленты из электролитного компонента. Ленты затем прокатывают вместе с формованием многослойной композитной ленты. В шликерном литье суспензию проводящего керамического материала и жидкого носителя, такого как вода, необязательно, с органическим связующим и поверхностно-активными веществами, отливают в форме с получением желаемого формованного изделия. Отдельные количества керамического материала, органического связующего и жидкого носителя могут варьироваться в зависимости от плотности, требуемой в отлитом продукте. Полученный отлитый продукт сушат и обжигают традиционным способом с получением желаемого электрода. Смотри также, например, патенты США № 6270536 (Minh) и 5670270 (Wallin), полное описание которых приводится здесь в качестве ссылки.Other methods of forming the electrode / electrolyte structure are tape calendering and slip casting. Calendering of a tape typically includes the steps of forming an electrically conductive tape from an electrically conductive component, as well as forming a tape from an electrolyte component. The tapes are then rolled along with the molding of a multilayer composite tape. In slip casting, a suspension of a conductive ceramic material and a liquid carrier, such as water, optionally with an organic binder and surfactants, is molded to form the desired molded product. The individual amounts of ceramic material, organic binder, and liquid carrier may vary depending on the density required in the cast product. The obtained cast product is dried and calcined in the traditional way to obtain the desired electrode. See also, for example, US patent No. 6270536 (Minh) and 5670270 (Wallin), the full description of which is given here by reference.
В предпочтительном варианте данного изобретения металлокерамический композитный анод топливного элемента, предпочтительно, получают, как показано на фиг. 3, 4, 5, 6 и 7. В данном способе порошок диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, (YSZ) смешивают с полимером и напыляют на подходящий пленочный материал, например, Майлар, с получением сырой ленты. Затем аналогичную полимер-YSZ-суспензию смешивают с порообразователем и наносят на обрабатываемую поверхность первой ленты, которая не содержит порообразователь. Отлитые ленты затем совместно спекают с получением пористого слоя, состоящего по существу из пористого YSZ на обычно плоском листе относительно плотного YSZ. Порообразователь, например, углеродные частицы, расходуется в ходе стадии спекания и по существу не остается в получаемом пористом YSZ слое.In a preferred embodiment of the present invention, the cermet composite anode of the fuel cell is preferably obtained as shown in FIG. 3, 4, 5, 6, and 7. In this method, yttrium oxide stabilized zirconia powder (YSZ) is mixed with a polymer and sprayed onto a suitable film material, for example Mylar, to produce a crude ribbon. Then, a similar polymer-YSZ-suspension is mixed with a blowing agent and applied to the treated surface of the first tape, which does not contain a blowing agent. The cast tapes are then co-sintered to form a porous layer consisting essentially of porous YSZ on a generally flat sheet of relatively dense YSZ. A pore former, for example, carbon particles, is consumed during the sintering step and essentially does not remain in the resulting porous YSZ layer.
Затем в анодный материал вводят медь водной пропиткой с использованием концентрированного раствора соли, например Cu(NO3)2, с последующим прокаливанием при температуре порядка 600 оС в течение периода времени примерно два часа, что дает разложение нитратов и образование оксидов. Восстановление оксида меди дает элементарную форму меди. Получаемый материал имеет достаточную механическую прочность анодов с нанесенным на него как на подложку электролитом.Then the material is introduced into the anode impregnation with aqueous copper using a concentrated salt solution, for example Cu (NO 3) 2, followed by calcination at a temperature of about 600 C for a period of about two hours to give the nitrate decomposition and formation of oxides. The reduction of copper oxide gives an elemental form of copper. The resulting material has sufficient mechanical strength of the anodes with electrolyte deposited on it as a substrate.
Содержание металла в анодном материале составляет не менее 10 мас.% предпочтительно, 25 мас.%, и более предпочтительно, не менее 35 мас.%.The metal content in the anode material is at least 10 wt.%, Preferably 25 wt.%, And more preferably at least 35 wt.%.
Медь является предпочтительным металлом для использования в аноде, но металл может быть сплавом, таким как сплав меди со вторым проводящим металлом. Сплав содержит между примерно 5 мас.% и примерно 95 мас.% меди и примерно 5-95 мас.% второго металла и, более предпочтительно, между примерно 50 мас.% и примерно 90 мас.% меди и примерно 10-50 мас.% второго металла. Стопроцентная (100%) Cu является предпочтительной.Copper is the preferred metal for use in the anode, but the metal may be an alloy, such as an alloy of copper with a second conductive metal. The alloy contains between about 5 wt.% And about 95 wt.% Copper and about 5-95 wt.% The second metal and, more preferably, between about 50 wt.% And about 90 wt.% Copper and about 10-50 wt. % of the second metal. One hundred percent (100%) Cu is preferred.
Другие компоненты, включая оксид церия (СеО2), предпочтительно, вводят с использованием некоторых способов пропитки. (СеО2) играет двойную роль в аноде. Во-первых, он обеспечивает ионную и электронную проводимость, увеличивая в результате созданную реакционную зону, где газовая фаза, ионный проводник и электронный проводник идут вместе, что обычно называется трехфазным контуром, или ТРВ. Во-вторых, (СеО2) обеспечивает каталитическую активность для окисления углеводородов.Other components, including cerium oxide (CeO 2 ), are preferably introduced using some impregnation methods. (CeO 2 ) plays a dual role in the anode. Firstly, it provides ionic and electronic conductivity, increasing as a result the created reaction zone, where the gas phase, ionic conductor and electronic conductor go together, which is usually called a three-phase circuit, or TRV. Secondly, (CeO 2 ) provides catalytic activity for the oxidation of hydrocarbons.
Термин «состоящий по существу из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия», как использовано по отношению к пористому слою металлокерамического композитного анода, предназначен для обозначения отсутствия по существу в таком слое какого-либо волокнистого компонента, функцией которого является придание слою пористости, когда он становится компонентом конечного анодного материала (в противоположность порообразователям, которые расходуются в процессе спекания), и, в частности, отсутствия цирконовых волокон и подобного, которые благодаря кремнийсодержащему поверхностному покрытию имеют ухудшающее воздействие на характеристики ТОТЭ.The term “consisting essentially of yttrium oxide stabilized zirconia”, as used in relation to a porous layer of a ceramic-metal composite anode, is intended to mean the absence of essentially any fibrous component in such a layer whose function is to impart porosity to the layer when it becomes component of the final anode material (as opposed to pore formers that are consumed in the sintering process), and, in particular, the absence of zircon fibers and the like, which Due to the silicon-containing surface coating, they have a deteriorating effect on the characteristics of SOFC.
Термин «источник кислорода», как использовано здесь, обозначает воздух и кислород в более очищенном виде, чем присутствующий в воздухе.The term "oxygen source", as used here, means air and oxygen in a more purified form than that present in the air.
Термин «топливо», как использовано здесь, обозначает водород или любое углеводородное топливо, в котором углеводород определяется как любое горючее соединение, которое состоит из или включает в качестве главных элементов водород, углерод и кислород.The term "fuel", as used here, means hydrogen or any hydrocarbon fuel, in which a hydrocarbon is defined as any combustible compound that consists of or includes hydrogen, carbon and oxygen as main elements.
Как указано выше, традиционные топливные элементы используют водород в качестве топлива. Твердооксидные топливные элементы изобретения предназначены работать с широким рядом углеводородных топлив, включая смеси указанных топлив. Также могут быть использованы серосодержащие углеводороды. Серосодержащие углеводороды включают без ограничения нефтяные дистилляты, такие как бензин, дизельное топливо, лигроин, JP-4, JP-5, JP-8, керосин, моторное топливо, природный газ и мазут. Другими предпочтительными углеводородами и производными являются спирты, включая этанол и метанол, и сухие метан, бутан, толуол и декан. Топливный элемент изобретения обычно работает при примерно 650-900оС.As indicated above, conventional fuel cells use hydrogen as fuel. The solid oxide fuel cells of the invention are intended to operate with a wide range of hydrocarbon fuels, including mixtures of these fuels. Sulfur-containing hydrocarbons may also be used. Sulfur-containing hydrocarbons include, but are not limited to, petroleum distillates such as gasoline, diesel, naphtha, JP-4, JP-5, JP-8, kerosene, motor fuel, natural gas, and fuel oil. Other preferred hydrocarbons and derivatives are alcohols, including ethanol and methanol, and dry methane, butane, toluene and decane. The fuel element of the invention typically operates at about 650-900 ° C.
Топливный элемент изобретения может успешно работать с углеводородами, содержащими между 1 ч./млн и 5000 ч./млн серы. Как показано ниже, топливный элемент изобретения работает успешно с углеводородами, содержащими между 250 ч./млн и 5000 ч./млн серы, включая 500 ч./млн и 1000 ч./млн серы. Предпочтительно использовать в качестве топлива углеводороды, содержащие от 1 ч./млн до 1000 ч./млн серы, и более предпочтительно, от 1 ч./млн до 500 ч./млн серы. Промышленный бензин является подходящим топливом. В зависимости от установленных правил и других требований промышленный бензин обычно имеет примерно 300 ч./млн серы, но может иметь, например, концентрации серы менее примерно 10 ч./млн, примерно 10 ч./млн, примерно 20 ч./млн или примерно 100 ч./млн.A fuel cell of the invention can successfully operate with hydrocarbons containing between 1 ppm and 5,000 ppm of sulfur. As shown below, the fuel cell of the invention works successfully with hydrocarbons containing between 250 ppm and 5000 ppm of sulfur, including 500 ppm and 1000 ppm of sulfur. It is preferable to use hydrocarbons containing from 1 ppm to 1000 ppm of sulfur as a fuel, and more preferably from 1 ppm to 500 ppm of sulfur. Industrial gasoline is a suitable fuel. Depending on established rules and other requirements, industrial gasoline typically has about 300 ppm of sulfur, but may, for example, have sulfur concentrations of less than about 10 ppm, about 10 ppm, about 20 ppm, or approximately 100 ppm
Как указано выше, не появляется заметное ухудшение эффективности топливного элемента при использовании углеводородов с концентрациями серы ниже 1000 ч./млн для способа, такого как циклический способ, в котором топливный элемент работает в течение десяти (10) часов или менее. Для способа, включающего непрерывное использование топливного элемента в течение ста (100) часов или более, не видно заметного ухудшения эффективности топливного элемента при использовании углеводородов с концентрациями серы ниже 100 ч./млн. В случае, когда топливный элемент становится дезактивированным серным отравлением, характеристики топливного элемента могут быть восстановлены нагреванием анода в паре. В предпочтительном варианте процесс нагревания проводят в смеси пара и разбавителя, предпочтительно, N2 или СО2. Предпочтительные соотношения пара и СО2 находятся между 100:0 и 5:95. Анод, предпочтительно, нагревают для реактивации при температуре между примерно 600о С и примерно 800оС, и, предпочтительно, при примерно 700оС в течение периода времени от одного (1) до пяти (5) часов, и, наиболее предпочтительно, в течение от примерно одного (1) часа до примерно трех (3) часов.As indicated above, there is no noticeable deterioration in the efficiency of the fuel cell when using hydrocarbons with sulfur concentrations below 1000 ppm for a method such as a cyclic method in which the fuel cell is operated for ten (10) hours or less. For a method involving continuous use of a fuel cell for one hundred (100) hours or more, there is no noticeable deterioration in fuel cell efficiency when using hydrocarbons with sulfur concentrations below 100 ppm. In the event that the fuel cell becomes deactivated sulfur poisoning, the characteristics of the fuel cell can be restored by heating the anode in pairs. In a preferred embodiment, the heating process is carried out in a mixture of steam and diluent, preferably N 2 or CO 2. Preferred steam to CO 2 ratios are between 100: 0 and 5:95. The anode is preferably heated for reactivation at a temperature between about 600 C and about 800 ° C, and preferably at about 700 C for a period of one (1) to five (5) hours, and most preferably for about one (1) hour to about three (3) hours.
В соответствии с предпочтительной характеристикой изобретения, показанной на диаграмме на фиг.8, исходным материалом является никелевая металлокерамика (Ni и YSZ композит, содержащий не менее 10% Ni с тем, чтобы обеспечить электронную проводимость), получаемая по известной технологии. Смотри, например, работу N.Q.Minh, Journal of American Ceramic Society, 76: 563 (1993). Восстановление NiO до элементарного никеля придает металлокерамике пористую природу. Металлокерамика контактирует с выщелачивающим агентом с удалением, по меньшей мере, части никеля с увеличением в результате пористости металлокерамики. Металлокерамика затем контактирует с медьсодержащим пропитывающим веществом. Пористую медьсодержащую металлокерамику затем дополнительно обрабатывают с получением пористой медной металлокерамики или металлокерамики из медно-никелевого сплава (в зависимости от количества никеля, удаленного в процессе выщелачивания), которую используют в качестве прямоокислительного анодного материала для твердооксидного топливного элемента.In accordance with the preferred characteristic of the invention shown in the diagram in Fig. 8, the starting material is nickel-cermet (Ni and YSZ composite containing at least 10% Ni so as to provide electronic conductivity) obtained by known technology. See, for example, NQMinh, Journal of American Ceramic Society, 76 : 563 (1993). The reduction of NiO to elemental nickel gives the cermet a porous nature. Cermets are in contact with the leaching agent to remove at least a portion of nickel with an increase in porosity of cermets. The cermet is then contacted with a copper-containing impregnating agent. The porous copper-containing cermets are then further processed to obtain porous copper cermets or cermets from a copper-nickel alloy (depending on the amount of nickel removed during the leaching process), which is used as an oxidizing anode material for a solid oxide fuel cell.
В предпочтительном варианте, приведенном выше, керамический порошок рецептуры отливки первой ленты содержит керамический порошок, содержащий NiO и YSZ, связующее и воду в качестве носителя с тем, чтобы образовать суспензию. Листом подложки является, предпочтительно, ацетатцеллюлозная пленка Майлар. Рецептура отливки первой ленты также, предпочтительно, включает глицерин в качестве пластификатора и порообразователь. Суспензию рецептуры отливки первой ленты наносят на несущую подложку и формуют в первую ленту.In the preferred embodiment above, the ceramic powder of the first tape casting formulation contains a ceramic powder containing NiO and YSZ, a binder and water as a carrier so as to form a suspension. The backing sheet is preferably a Mylar cellulose acetate film. The casting formulation of the first tape also preferably includes glycerin as a plasticizer and a blowing agent. The suspension of the casting of the first tape is applied to the carrier substrate and formed into the first tape.
Затем получают рецептуру отливки второй ленты в виде суспензии, содержащей связующее, носитель и YSZ порошок. Рецептура отливки второй ленты не содержит никакого ингредиента, действующего в качестве порообразователя. Суспензию рецептуры отливки второй ленты наносят на несущую подложку и формуют во вторую ленту. Первая лента может удобно служить в качестве несущей подложки для второй ленты, или может быть использован отдельный тыльный материал, если желательно. В любом случае ленты накладываются друг на друга с образованием пакета, и после спекания первая лента превращается в прямоокислительный анод, тогда как вторая лента становится нанесенным на него как на подложку электролитом.Then, the casting of the second tape is obtained in the form of a suspension containing a binder, a carrier and YSZ powder. The casting recipe of the second tape does not contain any ingredient acting as a blowing agent. A suspension of the casting of the second tape is applied to the carrier substrate and formed into a second tape. The first tape can conveniently serve as a carrier substrate for the second tape, or a separate backing material can be used, if desired. In any case, the tapes are superimposed on each other with the formation of a packet, and after sintering, the first tape turns into a direct oxidizing anode, while the second tape becomes electrolyte deposited on it like on a substrate.
Количество воды, используемое в суспензии для отливки ленты, составляет, предпочтительно, примерно 20-40 мас.% по отношению к общей массе композиции. Рецептуры могут дополнительно содержать незначительные количества известных технологических добавок, таких как диспергаторы и противовспениватели. Количество диспергатора и противовспенивателя может составлять примерно 1-5 мас.% и 0,05-0,5 мас.% соответственно, по отношению к массе керамического порошка.The amount of water used in the suspension for casting the tape is preferably about 20-40 wt.% In relation to the total weight of the composition. The formulations may additionally contain minor amounts of known processing aids, such as dispersants and anti-foaming agents. The amount of dispersant and antifoam can be about 1-5 wt.% And 0.05-0.5 wt.%, Respectively, relative to the weight of the ceramic powder.
В предпочтительном варианте рецептура отливки первой ленты также содержит в дополнение к NiO другой порообразователь. Предпочтительно, другим порообразователем является органический материал. Особенно предпочтительным порообразователем является порошкообразный графит.In a preferred embodiment, the casting of the first tape also contains, in addition to NiO, another blowing agent. Preferably, the other blowing agent is organic material. Particularly preferred blowing agent is powdered graphite.
Многослойную ленту обычно удаляют с тыльного листа для обеспечения спекания ленты с формованием керамического изделия. Удаление тыльного листа может быть необязательным, если лист легко разлагается в процессе спекания.The multilayer tape is usually removed from the back sheet to allow sintering of the tape to form the ceramic product. Removing the back sheet may not be necessary if the sheet decomposes easily during sintering.
Отливка может быть осуществлена любой известной технологией отливки ленты. Предпочтительным способом отливки является традиционная отливка ленты с раклей, содержащая следующие стадии. Сначала суспензию выливают на тыльный лист, который обычно поддерживается плоской плитой. Тыльный лист и суспензию затем пропускают через установку с раклей при высоте выше листа, соответствующей желаемой толщине ленты. Получаемую ленту затем сушат для увеличения ее прочности и снижения толщины. Связующее отверждается в процессе отливки и сушки, после чего оно охлаждается до комнатной температуры. Высушенная лента, предпочтительно, имеет толщину примерно 25-2500 мкм.Casting can be carried out by any known tape casting technology. A preferred casting method is the traditional casting of a tape with a doctor blade, comprising the following steps. First, the suspension is poured onto the back sheet, which is usually supported by a flat plate. The back sheet and suspension are then passed through a squeegee apparatus at a height above the sheet corresponding to the desired tape thickness. The resulting tape is then dried to increase its strength and reduce thickness. The binder cures during casting and drying, after which it is cooled to room temperature. The dried tape preferably has a thickness of about 25-2500 microns.
В указанном предпочтительном варианте время и температура спекания многослойного пакета, или ламинатной заготовки, могут варьироваться, но спекание, предпочтительно, проводят при 1500оС в течение двух часов. Стадия спекания расходует весь или часть любого органического порообразователя с получением в результате пористой первой ленты.In this preferred embodiment, the time and temperature of sintering the multilayer stack or laminate preform may vary, but sintering is preferably conducted at 1500 C for two hours. The sintering step consumes all or part of any organic blowing agent, resulting in a porous first ribbon.
После осуществления стадии спекания NiO восстанавливается до элементарного никеля, как показано на фиг.8. Обычно данную стадию осуществляют восстановлением в водородном газе при температуре выше 500оС. Затем, по меньшей мере, часть элементарного никеля выщелачивается из пакета. Предпочтительным способом осуществления данной стадии является контактирование пакета с горячей азотной кислотой, которая эффективно растворяет никель с незаметным растворением YSZ. Азотная кислота может быть заменена, если желательно, на другой выщелачивающий агент, который селективно растворяет никель. Предпочтительно, выщелачивается весь никель. В другом предпочтительном варианте выщелачивается примерно 50-99 % никеля. Удаление никеля дает в результате увеличение пористости первой ленты.After performing the sintering step, NiO is reduced to elemental nickel, as shown in FIG. Generally this step is carried out by reduction in hydrogen gas at a temperature above 500 ° C. Then, at least part of the elemental nickel is leached from the bag. The preferred way to carry out this step is to contact the bag with hot nitric acid, which effectively dissolves nickel with an inconspicuous dissolution of YSZ. Nitric acid can be replaced, if desired, with another leaching agent that selectively dissolves nickel. Preferably, all nickel is leached. In another preferred embodiment, approximately 50-99% of nickel is leached. Removing nickel results in an increase in porosity of the first tape.
После осуществления стадии выщелачивания пакет пропитывают медьсодержащим пропитывающим веществом, предпочтительно, Cu(NO3)2. Количество указанного материала, предпочтительно, выбирают так, чтобы получить количество элементарной меди, которое приблизительно эквивалентно массе элементарного никеля, выщелачиваемого на стадии выщелачивания. Материал превращается в оксид меди прокаливанием при температуре не ниже 600оС. Оксид меди затем восстанавливается до элементарной меди обычно восстановлением в водородном газе при температуре примерно 500оС с получением в результате прямоокислительного анода.After carrying out the leaching step, the bag is impregnated with a copper-containing impregnating substance, preferably Cu (NO 3 ) 2 . The amount of said material is preferably chosen so as to obtain an amount of elemental copper that is approximately equivalent to the mass of elemental nickel leached in the leaching stage. Material is converted to copper oxide by calcination at a temperature not lower than 600 ° C. The copper oxide is then reduced to elemental copper by reduction usually in hydrogen gas at about 500 ° C, thereby obtaining a pryamookislitelnogo anode.
Содержание меди в анодном материале составляет не менее 15 мас.%, предпочтительно, 25 мас.% и более предпочтительно, не менее 35 мас.%. В варианте изобретения, в котором металлом является медно-никелевый сплав, сплав, предпочтительно, содержит между примерно 5 мас.% и примерно 95 мас.% меди и примерно 5-95 мас.% никеля.The copper content in the anode material is at least 15 wt.%, Preferably 25 wt.% And more preferably at least 35 wt.%. In an embodiment of the invention in which the metal is a copper-nickel alloy, the alloy preferably contains between about 5 wt.% And about 95 wt.% Copper and about 5-95 wt.% Nickel.
Другие компоненты, включая СеО2, могут быть введены в анодную часть пакета с использованием того же способа пропитки, описанного выше. СеО2 играет двойную роль в аноде. Во-первых, он обеспечивает ионную и электронную проводимость, увеличивая в результате созданную реакционную зону, где газовая фаза, ионный проводник и электронный проводник идут вместе, что обычно называют трехфазным контуром, или ТРВ. Во-вторых, СеО2 обеспечивает каталитическую активность для окисления углеводородов.Other components, including CeO 2 , can be introduced into the anode portion of the bag using the same impregnation method described above. CeO 2 plays a dual role in the anode. Firstly, it provides ionic and electronic conductivity, increasing as a result the created reaction zone, where the gas phase, ionic conductor and electronic conductor go together, which is usually called a three-phase circuit, or TRV. Secondly, CeO 2 provides catalytic activity for the oxidation of hydrocarbons.
Способ получения двухслойной ламинатной заготовки может быть модифицирован введением третьей ленты в пакет, которая будет служить упрочняющим слоем в конечной структуре, как показано на фиг. 9 и 10. Согласно данному способу рецептуру отливки третьей ленты получают в виде суспензии, содержащей связующее, носитель и керамический порошок, но без порообразователя. Керамический порошок может содержать YSZ, как прежде, или другой материал, такой как MgAlO2, который имеет коэффициент термического расширения, который совместим с коэффициентом термического расширения спеченного YSZ. Толщину третьей ленты делают относительно больше, чем толщина второй ленты. Третью ленту перфорируют с формованием, по меньшей мере, одного отверстия через толщу ленты для обеспечения прохода газа и жидкости (например, раствора соли меди) через ленту. Перфорация, предпочтительно, имеет периферию с непрерывным криволинейным контуром, т.е. без острых углов, которые способствуют растрескиванию или разрушению материала. Перфорированную третью ленту накладывают на ламинатную заготовку в контакте с пористой первой лентой.The method of producing a two-layer laminate preform can be modified by introducing a third tape into the bag, which will serve as a reinforcing layer in the final structure, as shown in FIG. 9 and 10. According to this method, the casting of the third tape is obtained in the form of a suspension containing a binder, a carrier and ceramic powder, but without a blowing agent. The ceramic powder may contain YSZ, as before, or another material, such as MgAlO 2, which has a thermal expansion coefficient that is compatible with the thermal expansion coefficient of sintered YSZ. The thickness of the third tape is made relatively greater than the thickness of the second tape. The third tape is perforated to form at least one hole through the thickness of the tape to allow gas and liquid (for example, a solution of copper salt) to pass through the tape. Perforation preferably has a periphery with a continuous curved contour, i.e. without sharp corners that contribute to cracking or destruction of the material. A perforated third tape is applied to the laminate preform in contact with the porous first tape.
Полученный элемент затем нагревают для спекания керамического порошка при 1500оС в течение нескольких часов. Любой NiO в среднем слое затем удаляется восстановлением его до Ni и удалением его выщелачиванием. По сравнению с пористым прямоокислительным анодом в двухслойном пакете, описанном выше, с введением упрочняющего слоя трехслойный пакет имеет большую механическую целостность.The resulting element is then heated to sinter the ceramic powder at 1500 ° C for several hours. Any NiO in the middle layer is then removed by reducing it to Ni and removing it by leaching. Compared with the porous direct oxidizing anode in the two-layer package described above, with the introduction of the reinforcing layer, the three-layer package has a greater mechanical integrity.
После спекания трехслойного пакета элемент может быть подвергнут дополнительным стадиям, описанным выше относительно двухслойного пакета, с введением в него в качестве металлического проводника меди или медно-никелевого сплава, а также СеО2. Слои указанного пакета показаны на фиг.9 вместе с ламинатной структурой после обжига. Конечный топливный элемент (до введения Cu), представляющий данный аспект настоящего изобретения, показан на фиг.10. В предпочтительном варианте электролитный слой имеет толщину <100 мкм, пористый слой - между примерно 100 мкм и примерно 1000 мкм, и подложка - между примерно 300 мкм и примерно 5000 мкм.After sintering a three-layer package, the element can be subjected to the additional steps described above with respect to the two-layer package, with the introduction of copper or a copper-nickel alloy as well as CeO 2 as a metal conductor . The layers of this package are shown in Fig. 9 together with the laminate structure after roasting. The final fuel cell (prior to the introduction of Cu) representing this aspect of the present invention is shown in FIG. 10. Preferably, the electrolyte layer has a thickness of <100 μm, the porous layer is between about 100 μm and about 1000 μm, and the substrate is between about 300 μm and about 5000 μm.
В твердооксидном топливном элементе анод должен катализировать реакцию углеводородного топлива с О2- из электролита. Поскольку в данной реакции получаются электроны, анод должен быть электропроводящим. Наконец, анод должен иметь коэффициент термического расширения, приближающийся к коэффициенту термического расширения плотного YSZ-электролита, для минимизации растрескивания. Медный или медно-никелевый анод обеспечивает электрическую проводимость или необходимое электрическое соединение анода. Медь действует также как электронный или токовый коллектор для электронов, полученных в процессе каталитической реакции топлива с О2-. In a solid oxide fuel cell, the anode should catalyze the reaction of hydrocarbon fuel with O 2- from the electrolyte. Since electrons are obtained in this reaction, the anode must be electrically conductive. Finally, the anode should have a coefficient of thermal expansion approaching the coefficient of thermal expansion of a dense YSZ electrolyte to minimize cracking. A copper or copper-nickel anode provides electrical conductivity or the necessary electrical connection of the anode. Copper also acts as an electronic or current collector for electrons obtained during the catalytic reaction of fuel with O 2-.
Медный токосборник и соединение в аноде твердооксидного топливного элемента имеют ряд форм, включая (но не ограничиваясь этим) решетки, проволочные сетки, провода, пластины (как плоские, так и с гофрами или выступами), трубки и другие конструкционные и предварительно формованные формы.The copper collector and the solid oxide fuel cell anode connection have a number of shapes, including (but not limited to) gratings, wire mesh, wires, plates (both flat and with corrugations or protrusions), tubes, and other structural and preformed shapes.
В дополнение к использованию токосборников и соединений, которые выполняются из чистой меди или из медно-никелевых сплавов, могут быть использованы другие металлы с Cu-покрытием. Например, нержавеющая сталь имеет лучшие механические свойства, чем Cu при высоких температурах. Одним способом получения преимущества механических свойств нержавеющей стали или других металлов при сохранении инертных химических свойств Cu является нанесение Cu на конструкционный металл. Для этих систем реакционная способность металла пассивируется или исключается покрытием нереакционноспособной Cu. Cu-покрытие позволяет использовать ряд металлов помимо Ni, включая (но не ограничиваясь этим) Fe, W и металлические сплавы, такие как (но не ограничиваясь этим) ферритные стали (например, FeCrAl-сплавы), никелевые сплавы (например, Inconel 617) и Cr-сплавы (например, Cr5 FeY2 O3 ), в качестве токосборников и соединений в ТОТЭ'ах, которые работают на сухих углеводородах. Помимо улучшенной термостойкости металлов с Cu-покрытием использование покрытых медью металлов и сплавов имеет дополнительное преимущество сниженной стоимости. Покрытые медью металлы и сплавы, которые используются в качестве токосборников и соединений, могут иметь широкий ряд форм, таких как формы, указанные выше для чистой Cu.In addition to using collectors and compounds that are made of pure copper or copper-nickel alloys, other Cu-coated metals can be used. For example, stainless steel has better mechanical properties than Cu at high temperatures. One way to take advantage of the mechanical properties of stainless steel or other metals while maintaining the inert chemical properties of Cu is to deposit Cu on the structural metal. For these systems, the reactivity of the metal is passivated or excluded by coating non-reactive Cu. The Cu coating allows the use of a number of metals in addition to Ni, including (but not limited to) Fe, W and metal alloys such as (but not limited to) ferritic steels (e.g. FeCrAl alloys), nickel alloys (e.g. Inconel 617) and Cr alloys (for example, Cr 5 FeY 2 O 3 ), as collectors and compounds in SOFCs that operate on dry hydrocarbons. In addition to improved heat resistance of Cu-coated metals, the use of copper-coated metals and alloys has the added benefit of reduced cost. Copper-coated metals and alloys that are used as collectors and compounds can take a wide range of forms, such as those indicated above for pure Cu.
Изобретение может быть использовано во всех ТОТЭ'ах, для портативных генераторов и для применения, например, в автомобилях, двигателях кораблей и генерировании электрической энергии.The invention can be used in all SOFCs, for portable generators and for use, for example, in cars, ship engines and the generation of electrical energy.
Следующие примеры приведены только для иллюстрации, но не для ограничения изобретения.The following examples are provided for illustration only, and not to limit the invention.
Пример 1.Example 1
Твердооксидный топливный элемент, имеющий пористый медно-керамический композитный анод, получают технологией отливки двойной ленты, описанной выше, которая приводится более подробно в работе R.Gorte et al., Advanced Materials, 12: 1465-69 (2000).A solid oxide fuel cell having a porous copper-ceramic composite anode is obtained by the double-strip casting technology described above, which is described in more detail in R. Gorte et al., Advanced Materials, 12 : 1465-69 (2000).
Пример 2.Example 2
Твердооксидный топливный элемент получают согласно настоящему изобретению следующим образом. Ленту из YSZ порошков, полимерного связующего и углеродного порошкового порообразователя наносят на одну поверхность YSZ-ленты без порообразователей и прокаливают при 1500оС в течение двух часов. Катод формуют из 50 мас.% физической смеси Sr-LaMnO3 и YSZ порошка, намазанной на противоположную поверхность уплотненного электролита в глицериновой суспензии и затем нагревают при 1250о С в течение двух часов. После этого пористый YSZ-слой пропитывают водным раствором Cu(NO3 )2 (Fisher Scientific) и Ce2 (NO3 )3. После прокаливания при 950оС в течение двух часов соль меди превращается в металлическую форму при нагревании при 800оС в Н2.A solid oxide fuel cell is prepared according to the present invention as follows. The tape of YSZ powder, polymeric binder and the carbon powder porogen is applied to one surface of YSZ-belt without porogens and calcined at 1500 C for two hours. The cathode is formed from 50 wt.% Physical mixture of Sr-LaMnO 3 and YSZ powder, spread on the opposite surface of the electrolyte in the compressed glycerol suspension, and then heated at 1250 C for two hours. Then YSZ-porous layer is impregnated with an aqueous solution of Cu (NO 3) 2 (Fisher Scientific) 2 and Ce (NO 3) 3. After calcination at 950 ° C for two hours, the copper salt is converted to metallic form by heating at 800 ° C. in H 2 .
Пример 3 (сравнительное испытание).Example 3 (comparative test).
Твердооксидные топливные элементы из примеров 1 и 2 испытывают с определением их характеристик при использовании в качестве топлива углеводорода без содержания серы. Топливный элемент из примера 1 работает с 40 мас.% углеводородом в сухом азоте при 700оС, и определяют значения напряжения, плотности тока и удельной мощности как функции времени. Используемыми углеводородами являются декан, толуол и дизельное топливо. Результаты, как показано на фиг.11, являются типичными результатами, полученными для таких испытаний.The solid oxide fuel cells of examples 1 and 2 are tested to determine their characteristics when using sulfur-free hydrocarbon as fuel. The fuel element of Example 1 is operated with 40 wt.% Hydrocarbon in dry nitrogen at 700 ° C, and determine the values of voltage, current density and power density as a function of time. The hydrocarbons used are decane, toluene and diesel. The results, as shown in FIG. 11, are typical results obtained for such tests.
Пример 4.Example 4
Для того чтобы определить чувствительность анодов к сере, топлива, содержащие различные уровни серы, получают смешением тиофена с н-деканом с получением концентраций серы (мас.% серы) в н-декане 250, 500, 1000 и 5000 ч./млн. Топливную смесь н-декан/тиофен используют в качестве топлива в топливном элементе в условиях, приведенных выше в примерах 1 и 2. Концентрация топливной смеси н-декан/тиофен составляет 40 мас.% с сухим азотным газом, составляющим остаток топлива. Результаты для напряжения и плотности тока, измеренных во времени, для топливных смесей н-декан/тиофен с указанными различными концентрациями серы показаны на фиг.12. Данные результаты показывают очень незначительное снижение характеристик для топлива н-декан/ тиофен с 250 ч./млн. На фиг.12 также показано, что указанное топливо н-декан/тиофен несколько больше снижает характеристики с увеличением концентрации серы. Данный результат согласуется с фиг.11, которая не показывает изменения характеристик во времени при использовании н-декана, который не содержит серу. Фиг.12 показывает, что использование углеводородного топлива, содержащего н-декан с концентрацией серы 250 ч./млн (полученной введением тиофена), дает только очень незначительное снижение характеристик через двадцать четыре (24) часа. Фиг.12, кроме того, показывает, что использование углеводородного топлива с 1000 ч./млн серы дает немного более высокую степень снижения характеристик топливного элемента, но что топливный элемент еще работает близко к его первоначальной емкости в течение десяти (10) часов. Данный результат показывает, что топливный элемент может работать очень эффективно с углеводородами, содержащими не менее 1000 ч./млн серы, и работает, даже когда углеводородное топливо содержит до 5000 ч./млн серы.In order to determine the sensitivity of the anodes to sulfur, fuels containing different levels of sulfur are obtained by mixing thiophene with n-decane to obtain sulfur concentrations (wt.% Sulfur) in n-
Пример 5.Example 5
Повторяют методики испытаний, использованные в примере 4, за исключением того, что топливный элемент содержит анод из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, не содержащего оксида церия. Используемым топливом является н-декан с 5000 ч./млн серы (полученной введением тиофена). Топливный элемент работает с закороченным элементом (т.е. при максимальном токе). Определяют плотность тока элемента во времени, и результаты показаны на фиг.13. На фиг.13 показано, что на плотность тока не влияют высокие уровни серы даже через шесть (6) часов. Напряжение холостого хода (0,9 В) (не показано) также не меняется. Визуальный контроль анода предполагает, что сера не влияет на медь. Указанный контроль в сочетании с данными, представленными на фиг.13, дополнительно показывает, что использование углеводородного топлива, содержащего очень высокие уровни (т.е., 5000 ч./млн) серы, не влияет на Cu-компонент или на характеристики элемента, содержащего анод, в котором используется медь для электрической проводимости. Общая характеристика топливного элемента, который содержит Cu, но без оксида церия, однако, не является хорошей, показывая, что включение оксида церия в анод улучшает характеристики.The test procedures used in Example 4 are repeated, except that the fuel cell contains an anode of zirconia stabilized with yttrium oxide not containing cerium oxide. The fuel used is n-decane with 5,000 ppm sulfur (obtained by the introduction of thiophene). The fuel cell operates with a shorted cell (i.e. at maximum current). The current density of the element is determined over time, and the results are shown in FIG. 13 shows that high sulfur levels are not affected by current density even after six (6) hours. The open circuit voltage (0.9 V) (not shown) also does not change. Visual inspection of the anode suggests that sulfur does not affect copper. This control, in combination with the data presented in FIG. 13, further shows that the use of hydrocarbon fuels containing very high levels (i.e., 5000 ppm) of sulfur does not affect the Cu component or the characteristics of the element, containing an anode in which copper is used for electrical conductivity. The general characteristic of a fuel cell that contains Cu but without cerium oxide, however, is not good, showing that incorporation of cerium oxide into the anode improves performance.
Пример 6.Example 6
Повторяют условия испытания, приведенные в примере 4, за исключением того, что используемый топливный элемент содержит диоксид циркония, стабилизированный медь-оксидом иттрия с оксидом церия. Используемым топливом снова является н-декан с введением тиофена для получения концентрации серы 5000 ч./млн. Топливный элемент работает в течение 24 ч. Результаты приведены на фиг.14. На фиг.14 показано, что данные по характеристикам являются аналогичными более ранним результатам, приведенным в примере 4. На фиг.12 показано, что характеристики топливного элемента падают в течение первых пяти (5) часов, но затем достигают стабильного состояния. Предполагается, что данный результат обусловлен образованием через примерно пять (5) часов Ce2 O2 S-фазы.The test conditions of Example 4 are repeated, except that the fuel cell used contains zirconia stabilized with yttrium copper oxide and cerium oxide. The fuel used again is n-decane with the introduction of thiophene to obtain a sulfur concentration of 5000 ppm. The fuel cell operates for 24 hours. The results are shown in Fig. 14. On Fig shows that the data on the characteristics are similar to the earlier results shown in example 4. On Fig shows that the characteristics of the fuel cell fall during the first five (5) hours, but then reach a stable state. It is believed that this result is due to the formation of a Ce 2 O 2 S phase after approximately five (5) hours.
Без желания быть связанным конкретной научной теорией предполагается, что результаты, приведенные в примерах 5 и 6, имеют место по следующим причинам. Для того, чтобы понять длительное влияние серы, и почему анод из Cu-оксида церия является стабильным в условиях, содержащих серу, важно понять механизм серного отравления. При 700оС постоянная равновесия для реакции 2Cu + H2S = H2 + Cu2S равна 1500. Это означает, что Cu будет оставаться металлической в смеси H2 и H2S, пока соотношение H2:H2S останется больше 1500. Хотя условия равновесия для тиофена в углеводороде будут до некоторой степени отличаться от этого, условия равновесия предполагают, что Cu будет стойкой к серному отравлению до тех пор, пока не получатся очень высокие уровни серы.Without the desire to be bound by a specific scientific theory, it is assumed that the results given in examples 5 and 6 take place for the following reasons. In order to understand the long-term effect of sulfur, and why the cerium oxide Cu-anode is stable under conditions containing sulfur, it is important to understand the mechanism of sulfur poisoning. At 700 ° C, the equilibrium constant for the reaction 2Cu + H 2 S = H 2 + Cu 2 S is 1500. This means that Cu will remain metallic in a mixture of H 2 and H 2 S, while the ratio of H 2 : H 2 S remains greater 1500. Although the equilibrium conditions for thiophene in a hydrocarbon will be somewhat different from this, the equilibrium conditions suggest that Cu will be resistant to sulfur poisoning until very high sulfur levels are obtained.
Данные по равновесию для реакции 2CeO2 + H2 + H2 S = Ce2 O2 S + 2H2O, которая наиболее часто приводит к отравлению CeO2 - катализатора, приводятся в работе D.Alan, R.Kay, W.G.Wilson and V.Jalan, Journal of Alloys and Compounds, 1993, 192, полное описание которой приводится здесь в качестве ссылки. Стабильность Ce2 O2 S-фазы зависит как от химического потенциала кислорода, так и от химического потенциала серы. Для типичных условий анода топливного элемента, где химический потенциал кислорода составляет приблизительно 10-20 - 10-10 атмосфер, данные равновесия предполагают, что Ce2O2 S-фаза будет образовываться, если химический потенциал H2S составляет выше 10-3 - 10-4 атм.The equilibrium data for the reaction 2CeO 2 + H 2 + H 2 S = Ce 2 O 2 S + 2H 2 O, which most often leads to poisoning of the CeO 2 catalyst, are given by D. Alan, R. Kay, WGWilson and V .Jalan, Journal of Alloys and Compounds , 1993, 192, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. The stability of the Ce 2 O 2 S phase depends on both the chemical potential of oxygen and the chemical potential of sulfur. For typical fuel cell anode conditions, where the chemical potential of oxygen is about 10 -20 - 10 -10 atmospheres, these equilibria suggest that a Ce 2 O 2 S phase will form if the chemical potential of H 2 S is above 10 -3 - 10 -4 atm.
Пример 7.Example 7
Получают топливный элемент с диоксидом циркония, стабилизированным медь-оксидом иттрия, который работает согласно примеру 4 в следующих дополнительных условиях испытания. В первом испытании топливный элемент работает с углеводородным топливом, содержащим 250 ч./млн серы, в течение двадцати четырех (24) часов, затем работает с углеводородным топливом, содержащим 500 ч./млн серы, в течение четырнадцати (14) часов, затем работает с углеводородным топливом, содержащим 1000 ч./млн серы, в течение двенадцати (12) часов и наконец работает с углеводородным топливом, содержащим 5000 ч./млн серы, в течение восьми (8) часов. Во втором испытании топливный элемент работает с углеводородным топливом, содержащим 5000 ч./млн серы, в течение семи (7) часов. В третьем испытании топливный элемент работает с углеводородным топливом, содержащим 500 ч./млн серы, в течение двадцати (20) часов. После проведения каждого из указанных трех испытаний анод топливного элемента из диоксида циркония, стабилизированного медь-оксидом иттрия, подвергают рентгенографическому исследованию, результаты которого показаны на фиг.15 кривыми под буквами «а-с». Результаты рентгенографии, представленные буквой «а», предполагают, что новая фаза оксида церия с диффракционным пиком около 39о образуется при высоких уровнях серы. Результаты рентгенографии из третьего испытания (представленные буквой «с») дополнительно показывают, что средние уровни серы не приводят к образованию новой сульфидной фазы как результат присутствия серосодержащих частиц. Во всех трех испытаниях пик при примерно 43о, обусловленный металлической медной фазой, является ясно видимым. Данный результат согласуется с результатами в примере 6, которые стремятся показать, что сера не влияет на медь.Get a fuel cell with zirconia stabilized with yttrium copper oxide, which operates according to example 4 in the following additional test conditions. In the first test, the fuel cell operates with hydrocarbon fuel containing 250 ppm sulfur for twenty four (24) hours, then operates with hydrocarbon fuel containing 500 ppm sulfur for fourteen (14) hours, then works with hydrocarbon fuel containing 1000 ppm sulfur for twelve (12) hours and finally works with hydrocarbon fuel containing 5000 ppm sulfur for eight (8) hours. In the second test, the fuel cell operates with hydrocarbon fuel containing 5,000 ppm sulfur for seven (7) hours. In the third test, the fuel cell operates with hydrocarbon fuel containing 500 ppm sulfur for twenty (20) hours. After each of these three tests, the anode of the fuel cell made of zirconia stabilized with yttrium copper oxide is subjected to x-ray diffraction, the results of which are shown in Fig. 15 by curves under the letters "a-c". X-ray diffraction results shown by the letter "a", suggest that the new phase of cerium oxide with the diffraction peak of about 39 is formed at high levels of sulfur. The x-ray results from the third test (represented by the letter “c”) additionally show that average sulfur levels do not lead to the formation of a new sulfide phase as a result of the presence of sulfur-containing particles. In all three trials, a peak at approximately 43 o, due to copper metal phase is clearly visible. This result is consistent with the results in Example 6, which seek to show that sulfur does not affect copper.
Пример 8.Example 8
Топливные элементы из примеров 1 и 2 испытывают в условиях, приведенных в примере 4, с промышленным бензином, используемым в качестве топлива. Топливом является 40 мас.% бензин в сухом азотном газе. Результаты представлены на фиг.16. На фиг.16 показано, что напряжение и плотность тока топливного элемента являются стабильными в течение двенадцати (12) часов. Указанное испытание повторяют с 10 мас.% бензина в сухом азоте в течение дополнительных сорока восьми часов. Результаты повторного испытания, которые представлены на фиг.17, показывают, что генерирование энергии топливным элементом остается стабильным в течение указанного дополнительного периода. Указанные результаты показывают, что топливный элемент способен работать в течение значительного периода времени с промышленным бензином.The fuel cells of Examples 1 and 2 are tested under the conditions described in Example 4 with industrial gasoline used as fuel. Fuel is 40 wt.% Gasoline in dry nitrogen gas. The results are presented in Fig.16. On Fig shows that the voltage and current density of the fuel cell are stable for twelve (12) hours. This test is repeated with 10 wt.% Gasoline in dry nitrogen for an additional forty-eight hours. The retest results, which are presented in FIG. 17, show that energy generation by the fuel cell remains stable for the indicated additional period. The indicated results show that the fuel cell is capable of operating for a considerable period of time with industrial gasoline.
После завершения указанного испытания анод топливного элемента снова подвергают рентгенографическому исследованию. Результаты рентгенографического исследования показывают линейные характеристики меди, оксида церия и диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Не наблюдаются линии, которые были бы характеристиками серосодержащих частиц. Указанные данные рентгенографии показывают, что сера, присутствующая в промышленном сорте бензина, не влияет на анод.After completion of this test, the anode of the fuel cell is again subjected to x-ray examination. The results of an X-ray study show the linear characteristics of copper, cerium oxide and zirconia stabilized with yttrium oxide. No lines are observed that would be characteristics of sulfur-containing particles. The indicated X-ray diffraction data show that the sulfur present in the commercial grade of gasoline does not affect the anode.
Пример 9.Example 9
Получают топливный элемент с диоксидом циркония, стабилизированным медь-оксид церия-оксидом иттрия, и работают согласно примеру 4 при 700оС с различными топливными смесями. Исходной используемой смесью является смесь (н-декан, содержащий 100 ч./млн серы (представленной как «тиофен»)): пар:азотный газ в соотношении 2:2:2. Следующей используемой смесью является смесь (н-декан, содержащий 5000 ч./млн серы):пар:N2 в соотношении 2:2:2. После замены смеси паром используют углеводородные смеси чистого декана и декана, содержащего 5000 ч./млн серы. Плотность тока и напряжение топливного элемента для каждой из указанных смесей представлены на фиг.18. На фиг.18 показано, что топливный элемент продолжает работать после переключения на н-декан, содержащий 5000 ч./млн серы, но что плотность тока снижается со временем. На фиг.18 также показано, что эффективность топливного элемента восстанавливается после обработки паром и в процессе использования н-деканового топлива.Get a fuel cell with zirconia stabilized with copper-ceria-yttrium oxide, and operate according to example 4 at 700 about With various fuel mixtures. The original mixture used is a mixture (n-decane containing 100 ppm sulfur (represented as “thiophene”)): steam: nitrogen gas in a ratio of 2: 2: 2. The next mixture used is a mixture (n-decane containing 5000 ppm sulfur): steam: N 2 in a ratio of 2: 2: 2. After replacing the mixture with steam, hydrocarbon mixtures of pure decane and decane containing 5000 ppm sulfur are used. The current density and voltage of the fuel cell for each of these mixtures are presented in Fig. 18. On Fig shows that the fuel cell continues to work after switching to n-decane containing 5000 ppm of sulfur, but that the current density decreases with time. On Fig also shows that the efficiency of the fuel cell is restored after treatment with steam and in the process of using n-decane fuel.
Пример 10.Example 10
В данном примере, использующем свежеполученный топливный элемент с анодом, состоящим из Cu2O, CeO2 и YSZ, анод обрабатывают постепенным нагреванием при 700оС в водородном газе. В процессе указанной стадии нагревания измеряют электрическое сопротивление по всему аноду в омах во времени и при температуре. Результаты представлены на фиг.19. На фиг.19 показано, что сопротивление проводника топливного элемента снижается благодаря восстановлению Cu2O до металлической Cu. Введение серосодержащего топлива не ухудшает сопротивление Cu-содержащего анода, показывая инертность Cu к сере в указанных условиях.In this example, freshly prepared employing fuel cell with an anode consisting of Cu 2 O, CeO 2 and YSZ, the anode was treated with gradual heating at 700 ° C in hydrogen gas. During this heating step, the electrical resistance is measured over the entire anode in ohms over time and at temperature. The results are presented in Fig.19. On Fig shown that the resistance of the conductor of the fuel cell is reduced due to the restoration of Cu 2 O to metallic Cu. The introduction of sulfur-containing fuel does not impair the resistance of the Cu-containing anode, showing the inertness of Cu to sulfur under the indicated conditions.
Пример 11.Example 11
В данном примере получают Ni-YSZ-металлокерамику смешением 40 мас.% NiO, 60 мас.%. YSZ с графитовым порообразователем в обычную суспензию для отливки ленты. Второй слой с чистым YSZ отливают поверх нее, и два слоя прокаливают при 1500оС. После нагревания получаемой керамической пластины при 700оС в Н2 для восстановления NiO до Ni пластину кипятят в HNO3 для удаления Ni. Изменение массы показывает, что Ni полностью удален. Затем порошок 50% YSZ, 50% LaMnO3, легированного Sr, наносят на плотную сторону двухслойной пластины с образованием катода. Cu(NO3 )2 и Ce(NO3 )3, затем пропитывают пористую сторону пластины, нагревают для разложения нитрата и восстанавливают в Н2 при 700оС.In this example, Ni-YSZ cermets are prepared by mixing 40 wt.% NiO, 60 wt.%. YSZ with graphite blowing agent in a conventional slurry for casting a tape. The second layer is cast with pure YSZ on top of it, and the two layers was calcined at 1500 C. After heating the resulting ceramic plate at 700 ° C in H 2 for recovery NiO to Ni plate is boiled in HNO 3 to remove Ni. The change in mass indicates that Ni is completely removed. Then, a powder of 50% YSZ, 50% LaMnO 3 doped with Sr is deposited on the dense side of the bilayer plate to form a cathode. Cu (NO 3) 2 and Ce (NO 3) 3, then impregnated porous side of the wafer, is heated to decompose the nitrate and reduced in H 2 at 700 C.
Пример 12.Example 12
Кривые вольт-амперных характеристик топливного элемента, описанного в примере 11, снимают при 700оС в токе Н2 и токе бутана с данными, представленными на фиг.20.The curves of the current-voltage characteristics of the fuel element described in Example 11, removed at 700 ° C in a stream of H 2 and butane stream with the data presented in Figure 20.
Указанные результаты показывают, что характеристики топливных элементов с водородом и углеводородными топливами являются сравнимыми с характеристиками топливных элементов, полученных другими способами. Кроме того, характеристики топливного элемента в сухом бутане являются стабильными. Работа ТОТЭ с Ni-содержащим анодом является невозможной благодаря быстрому коксообразованию.These results show that the characteristics of fuel cells with hydrogen and hydrocarbon fuels are comparable to the characteristics of fuel cells obtained by other methods. In addition, the characteristics of the fuel cell in dry butane are stable. The operation of SOFC with a Ni-containing anode is impossible due to the rapid coke formation.
Пример 13.Example 13
Пять никелевых металлокерамик получают суспензиями отливки ленты из порошков YSZ и NiO в соотношениях YSZ к NiO 70:30 (дважды), 80:20, 90:10 и 60:40. Все рецептуры также содержат графитовый порообразователь.Five nickel cermets are prepared by suspension casting of a tape from YSZ and NiO powders in the ratios of YSZ to NiO at 70:30 (twice), 80:20, 90:10 and 60:40. All formulations also contain graphite blowing agent.
Пористость и массу металла определяют сразу после прокаливания сырых лент на воздухе при 1550оС. Следующие определения пористости и массы выполняют после нагревания металлокерамик в водородном газе (для восстановления оксида никеля до никеля) и после выщелачивания кипящей азотной кислотой. Результаты для пористости приведены в таблице 1А. Результаты для массы приведены в таблице 1В. Полученные данные показывают, что по существу весь Ni может быть удален из Ni-металлокерамики. The porosity and the metal weight is determined immediately after the calcination of raw strips in air at 1550 C. The following definitions porosity and mass operate cermet after heating in hydrogen gas (for the reduction of nickel oxide to nickel), and after leaching with boiling nitric acid. The results for porosity are shown in table 1A. The results for the mass are shown in table 1B. The data obtained show that essentially all of the Ni can be removed from the Ni-cermets.
соотношение
YSZ/NiOMass
ratio
YSZ / NiO
графит (%)Introduced
graphite (%)
пористостьInitial
porosity
после Н2 Porosity
after H 2
после выще-
лачиванияPorosity
after higher
соотношение
YSZ/NiOMass
ratio
YSZ / NiO
масса (г)Initial
weight (g)
ле Н2 Weight
le N 2
ле выщела-
чивания (г)Weight
le vyschela-
chiva (g)
ная масса
(г)(а)Calculated
mass
(d) (a)
массы (%)Change
mass (%)
Хотя в приведенном выше описании данное изобретение описано и проиллюстрировано на примерах относительно некоторых его предпочтительных вариантов, и многие подробности приведены в целях иллюстрации, специалистам в данной области техники будет понятно, что изобретение допускает дополнительные варианты, и что некоторые детали, описанные здесь, могут быть значительно изменены без отступления от основных принципов изобретения.Although the invention is described and illustrated in the above description with reference to certain preferred embodiments, and many details are given for purposes of illustration, it will be understood by those skilled in the art that the invention is capable of further variations, and that some of the details described herein may be significantly changed without departure from the basic principles of the invention.
Claims (76)
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US24744400P | 2000-11-09 | 2000-11-09 | |
US60/247,444 | 2000-11-09 | ||
US26952501P | 2001-02-19 | 2001-02-19 | |
US60/269,525 | 2001-02-19 | ||
US60/308,313 | 2001-07-27 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003117024A RU2003117024A (en) | 2004-12-10 |
RU2280297C2 true RU2280297C2 (en) | 2006-07-20 |
Family
ID=37028831
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003117024/09A RU2280297C2 (en) | 2000-11-09 | 2001-11-09 | Using sulfur-containing fuels for directly oxidizing fuel cells |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2280297C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8343685B2 (en) | 2007-01-31 | 2013-01-01 | Technical University Of Denmark | Composite material suitable for use as an electrode material in a SOC |
RU2521874C2 (en) * | 2008-12-03 | 2014-07-10 | Текникал Юниверсити Оф Денмарк | Solid oxide cell and battery containing same |
-
2001
- 2001-11-09 RU RU2003117024/09A patent/RU2280297C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8343685B2 (en) | 2007-01-31 | 2013-01-01 | Technical University Of Denmark | Composite material suitable for use as an electrode material in a SOC |
RU2521874C2 (en) * | 2008-12-03 | 2014-07-10 | Текникал Юниверсити Оф Денмарк | Solid oxide cell and battery containing same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8007954B2 (en) | Use of sulfur-containing fuels for direct oxidation fuel cells | |
AU2002246908B2 (en) | The use of sulfur-containing fuels for direct oxidation fuel cells | |
KR101741849B1 (en) | Current collectors for solid oxide fuel cell stacks | |
Gorte et al. | Novel SOFC anodes for the direct electrochemical oxidation of hydrocarbons | |
US6589680B1 (en) | Method for solid oxide fuel cell anode preparation | |
AU2002246908A1 (en) | The use of sulfur-containing fuels for direct oxidation fuel cells | |
JP6338677B2 (en) | Electrochemical energy conversion device and battery, and negative electrode side materials thereof | |
US8021799B2 (en) | High-performance ceramic anodes for use with strategic and other hydrocarbon fuels | |
US20090148743A1 (en) | High performance multilayer electrodes for use in oxygen-containing gases | |
JP2005529464A (en) | Ceramic anode and method for producing the same | |
KR20100112124A (en) | High performance multilayer electrodes for use in reducing gases | |
WO2003094268A2 (en) | Cerium-modified doped strontium titanate composition for solid oxide fuel cell anodes and electrodes for other electrochemical devices | |
JP2009541955A (en) | Combination of ceramic materials for anodes for high temperature fuel cells | |
WO2007120218A2 (en) | Direct fabrication of copper cermet for use in solid oxide fuel cell | |
JP2006351405A (en) | Sofc fuel electrode, and its manufacturing method | |
JP2008108647A (en) | Reformer-integrated fuel cell | |
RU2280297C2 (en) | Using sulfur-containing fuels for directly oxidizing fuel cells | |
KR100862106B1 (en) | The use of sulfur-containing fuels for direct oxidation fuel cells | |
JP7114555B2 (en) | Electrodes for water vapor electrolysis | |
Yu et al. | Engineering nanostructured fuel electrodes for high-performance, durable SOCs through infiltration | |
US20200358122A1 (en) | Fabrication processes for metal-supported proton conducting solid oxide electrochemical devices | |
Singh et al. | Materials and Approaches for Mitigation of SOFC Cathode Degradation in SOFC Power Systems | |
Omar | Infiltration technique to fabricate nanostructured electrodes for high-performance solid oxide fuel cells | |
Kisa et al. | Fabrication and performance analysis of A-site metal-promoted La0. 595V0. 005Sr0. 4CoO3−∂ perovskite oxides as cathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells | |
Alharbi | Electrochemical Development of Cathode for Metal Supported-Solid Oxide Fuel Cells |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20101110 |