RU2331143C1 - Cathode material for sofc on basis of cobalt containing perovskite-like oxides of transition metals - Google Patents
Cathode material for sofc on basis of cobalt containing perovskite-like oxides of transition metals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2331143C1 RU2331143C1 RU2007116026/09A RU2007116026A RU2331143C1 RU 2331143 C1 RU2331143 C1 RU 2331143C1 RU 2007116026/09 A RU2007116026/09 A RU 2007116026/09A RU 2007116026 A RU2007116026 A RU 2007116026A RU 2331143 C1 RU2331143 C1 RU 2331143C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode material
- basis
- oxides
- sofc
- transition metals
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
- H01M4/8621—Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
- H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
- H01M4/9033—Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- 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
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ), в частности к катодным материалам на основе сложных оксидов переходных металлов.The invention relates to solid oxide fuel cells (SOFC), in particular to cathode materials based on complex transition metal oxides.
Известен катодный материал для ТОТЭ на основе перовскитоподобных оксидов с общей формулой (La1-xAx)1-yMnO3, где А - один из металлов из группы стронций, кальций, магний, барий, иттрий, церий, иттербий, а 0<х≤0,5, 0<y≤0,2 (ЕР № 0633619 А, кл. Н01М 8/12, 1995). Недостатком данного катодного материала является низкая ионная проводимость и высокий коэффициент термического расширения (КТР).Known cathode material for SOFC based on perovskite-like oxides with the general formula (La 1-x A x ) 1-y MnO 3 , where A is one of the metals from the group of strontium, calcium, magnesium, barium, yttrium, cerium, ytterbium, and 0 <x≤0.5, 0 <y≤0.2 (EP No. 0633619 A, class H01M 8/12, 1995). The disadvantage of this cathode material is its low ionic conductivity and high coefficient of thermal expansion (CTE).
Из известных катодных материалов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является катодный материал на основе кобальтсодержащих перовскитоподобных оксидов с общей формулой La1-xSrxCoO3-y, (S.Charojrockul, K.-L.Choy, B.C.H.Steele, Solid State lonics, 121 (1999) 107-113). Недостатком данного катодного материала является высокое значение КТР. Наиболее вероятной причиной высоких значений КТР у указанных известных кобальтитов является наличие термически активированных переходов между различными спиновыми состояниями катионов Со3+. Одним из путей снижения КТР является частичное замещение кобальта на катионы других переходных металлов, например, железо или марганец.Of the known cathode materials, the cathode material based on cobalt-containing perovskite-like oxides with the general formula La 1-x Sr x CoO 3-y , (S. Charojrockul, K.-L. Choy, BCHSteele, Solid State lonics, 121 (1999) 107-113). The disadvantage of this cathode material is the high value of the CTE. The most probable reason for the high CTE values of these known cobaltites is the presence of thermally activated transitions between different spin states of Co 3+ cations. One way to reduce the CTE is to partially replace cobalt with cations of other transition metals, for example, iron or manganese.
Задачей изобретения является создание катодного материала, обладающего одновременно высокой проводимостью по ионам кислорода и электронной проводимостью, а также значением КТР, сравнимым с КТР электролита.The objective of the invention is the creation of a cathode material having simultaneously high conductivity by oxygen ions and electronic conductivity, as well as a CTE value comparable to that of an electrolyte.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве катодного материала для ТОТЭ на основе кобальтсодержащих перовскитоподобных оксидов взято соединение с общей формулой Sr1-x-yCayRxCo1-zMnzO3-t, где 0<х≤0.75; 0≤y≤1.0; 0≤z<1.0; R - элемент из группы, содержащей Sm, Gd и Y. Указанное соединение имеет величину КТР, не превышающую КТР электролита более чем на 25%, электропроводность при 900°С от 60 до 120 S/cm, а при 600°С - от 45 до 69 S/cm. Указанные катодные материалы проявляют электрокаталитическую активность в реакции восстановления кислорода. Указанное соединение может успешно применяться с электролитами на основе допированного иттрием диоксида циркония (YSZ) с дополнительным покрытием (подслоем) на основе допированного гадолинием диоксида церия (GDC), а также непосредственно GDC.The specified technical result is achieved by the fact that as the cathode material for SOFC based on cobalt-containing perovskite-like oxides, a compound with the general formula Sr 1-xy Ca y R x Co 1-z Mn z O 3-t , where 0 <x≤0.75;0≤y≤1.0; 0≤z <1.0; R is an element from the group containing Sm, Gd, and Y. The indicated compound has a CTE value not exceeding the CTE of the electrolyte by more than 25%, electrical conductivity at 900 ° C from 60 to 120 S / cm, and at 600 ° C from 45 up to 69 S / cm. These cathode materials exhibit electrocatalytic activity in the oxygen reduction reaction. The specified compound can be successfully used with electrolytes based on yttrium-doped zirconium dioxide (YSZ) with an additional coating (sublayer) based on gadolinium-doped cerium dioxide (GDC), as well as directly GDC.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".The analysis of the prior art showed that the claimed combination of essential features set forth in the claims is unknown. This allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty."
Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".To verify the conformity of the claimed invention with the criterion of "inventive step", an additional search was carried out for known technical solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed technical solution from the prototype. It is established that the claimed technical solution does not follow explicitly from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".
Сущность изобретения поясняется чертежами и примером практической реализации.The invention is illustrated by drawings and an example of practical implementation.
На Фиг.1 представлены вольтамперные характеристики модельных топливных элементов для температур 700°С, 800°С и 900°С. Ток короткого замыкания достигает 240 мА/см2 при 900°С. Измерения зависимости вольтамперных характеристик ТОТЭ от парциального давления кислорода в интервале давлений 0.06-0.5 бар. Линейность вольтамперных характеристик сохраняется вплоть до парциальных давлений кислорода Р(O2)~0.07 бар, что свидетельствует о достаточно высокой каталитической активности катода и возможности использования его при подачи в окислительную камеру воздушной смеси (Р(O2)~0.2 бар).Figure 1 presents the current-voltage characteristics of model fuel cells for temperatures of 700 ° C, 800 ° C and 900 ° C. Short circuit current reaches 240 mA / cm 2 at 900 ° C. Measurements of the dependence of the current-voltage characteristics of SOFC on the partial pressure of oxygen in the pressure range 0.06-0.5 bar. The linearity of the current-voltage characteristics is maintained up to the partial oxygen pressures P (O 2 ) ~ 0.07 bar, which indicates a rather high catalytic activity of the cathode and the possibility of using it when the air mixture is fed into the oxidation chamber (P (O 2 ) ~ 0.2 bar).
На Фиг.2 представлены вольтамперные характеристики модельного ТОТЭ с катодом Sr0.75Y0.25Co0.5Mn0.5O3-y при Т=800°С и различных парциальных давлениях кислорода.Figure 2 presents the current-voltage characteristics of the model SOFC with the cathode Sr 0.75 Y 0.25 Co 0.5 Mn 0.5 O 3-y at T = 800 ° C and various oxygen partial pressures.
На Фиг.3 показаны сравнительные вольтамперные характеристики при одинаковых условиях для ТОТЭ со стандартным катодным материалом (LSM) и Sr0.75Y0.25Со0.5Mn0.5O3-y. Характеристики ТОТЭ с катодом из исследуемого материала оказываются сравнимыми с характеристиками для другого известного катода LSM.Figure 3 shows the comparative current-voltage characteristics under the same conditions for SOFC with standard cathode material (LSM) and Sr 0.75 Y 0.25 Co 0.5 Mn 0.5 O 3-y . The characteristics of SOFC with the cathode of the material under study are comparable to the characteristics of another known LSM cathode.
Примеры практической реализации.Examples of practical implementation.
Пример 1Example 1
Золь-гельным методом с использованием Sr(NO3)2, Co(NO3)2 6 Н2O, Y(NO)3)3 8Н2O и Mn(СН3СОО)2 4Н2O было синтезирован катодный материал Sr0.75Y0.25Со0.5Mn0.5O3-y. Материал представлял собой кубический перовскит а=3.8205(3) Å, КТР которого составлял 13.33 ppm К-1 (200-600°С), 19.6 ppm К-1 (600-800°С), электропроводность 300К - 0.069 S/см, 873К - 59 S/см, 1173К - 110.2 S/см. Плотность образца составляла 68% от теоретической. Окончательный отжиг полученного материала проводился при 1300°С в течение 12 часов. В качестве электролита в модельных ТОТЭ использовались YSZ диски, с нанесенным на него подслоем GDC. В качестве анода - керметный композит состава (~65%NiO+~35% YSZ).The sol-gel method using Sr (NO 3 ) 2 , Co (NO 3 ) 2 6 Н 2 O, Y (NO) 3 ) 3 8Н 2 O and Mn (СН 3 СОО) 2 4Н 2 O was used to synthesize the cathode material Sr 0.75 Y 0.25 Co 0.5 Mn 0.5 O 3-y . The material was a cubic perovskite a = 3.8205 (3) Å, CTE which was 13.33 ppm K -1 (200-600 ° C), 19.6 ppm K -1 (600-800 ° C) 300K conductivity - 0.069 S / cm, 873K - 59 S / cm, 1173K - 110.2 S / cm. The density of the sample was 68% of theoretical. The final annealing of the obtained material was carried out at 1300 ° C for 12 hours. As an electrolyte in model SOFCs, YSZ disks with a GDC sublayer deposited on it were used. A cermet composite (~ 65% NiO + ~ 35% YSZ) is used as the anode.
Пример 2Example 2
Золь-гель методом с использованием Ca(NO3)2, Co(NO3)2 6 Н2O, Y(NO3)3 8Н2О и Mn(СН3СОО)2 4Н2O был синтезирован катодный материал Ca0.75Y0.25Co0.15Mn0.85O3-y. Материал представлял собой ромбический перовскит а=5.3397(8) Å, b=7.470(1) Å, c=5.2810(6)Å, KTP которого составлял 13.8 ppm К-1, электропроводность 300К - 19 S/см, 1173К - 133 S/см. Окончательный отжиг полученного материала проводился при 800°С в течение 12 часов на воздухе. В качестве электролита в модельных ТОТЭ использовались YSZ диски с нанесенным на него подслоем GDC. В качестве анода - керметный композит состава (~65%NiO+~35% YSZ).The sol-gel method using Ca (NO 3) 2, Co (NO 3) 2 6 H 2 O, Y (NO 3) 3 8H 2 O, and Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O was synthesized cathode material is Ca 0.75 Y 0.25 Co 0.15 Mn 0.85 O 3-y . The material was rhombic perovskite a = 5.3397 (8) Å, b = 7.470 (1) Å, c = 5.2810 (6) Å, KTP of 13.8 ppm K -1 , electrical conductivity 300K - 19 S / cm, 1173K - 133 S /cm. The final annealing of the obtained material was carried out at 800 ° C for 12 hours in air. As an electrolyte in model SOFCs, YSZ disks with a GDC sublayer deposited on it were used. A cermet composite (~ 65% NiO + ~ 35% YSZ) is used as the anode.
Claims (1)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007116026/09A RU2331143C1 (en) | 2007-04-27 | 2007-04-27 | Cathode material for sofc on basis of cobalt containing perovskite-like oxides of transition metals |
DE112008001077T DE112008001077T5 (en) | 2007-04-27 | 2008-04-22 | A cathode material for a hard oxide fuel cell based on cobalt-containing perovskite-type oxides of the transition metals |
PCT/RU2008/000255 WO2008133549A1 (en) | 2007-04-27 | 2008-04-22 | Cathode material for solid oxide fuel cells based on cobalt-containing perovskite-like oxides of transition metals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007116026/09A RU2331143C1 (en) | 2007-04-27 | 2007-04-27 | Cathode material for sofc on basis of cobalt containing perovskite-like oxides of transition metals |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2331143C1 true RU2331143C1 (en) | 2008-08-10 |
Family
ID=39746523
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007116026/09A RU2331143C1 (en) | 2007-04-27 | 2007-04-27 | Cathode material for sofc on basis of cobalt containing perovskite-like oxides of transition metals |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE112008001077T5 (en) |
RU (1) | RU2331143C1 (en) |
WO (1) | WO2008133549A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101761346B1 (en) * | 2009-10-16 | 2017-07-25 | 인하대학교 산학협력단 | Fuel electrode material and solid oxide fuel cells using composite |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4119498A1 (en) * | 1991-06-13 | 1992-12-17 | Abb Patent Gmbh | Gas electrode for fuel-cell with improved conductivity and porosity - is formed by printing a thin layer of fine-grained perovskite material on the ceramic substrate and then firing |
JPH05190180A (en) | 1992-01-13 | 1993-07-30 | Ngk Insulators Ltd | Air electrode body of solid electrolyte type fuel cell, manufacture of air electrode body and solid electrolyte type fuel cell |
RU2064210C1 (en) * | 1993-07-02 | 1996-07-20 | Груздев Александр Иванович | Electrochemical device |
RU2125324C1 (en) * | 1996-11-11 | 1999-01-20 | Горина Лилия Федоровна | Method for producing single high-temperature fuel element and its components: cathode, electrolyte, anode, current duct, interface and insulating layers |
EP1320906A1 (en) * | 2000-08-07 | 2003-06-25 | Energieonderzoek Centrum Nederland | Mixed oxide active material, electrode and method of manufacturing the electrode and electrochemical cell comprising it |
CZ20032420A3 (en) * | 2001-03-19 | 2004-01-14 | Energieonderzoek Centrum Nederland | Compound exhibiting high electron conductivity, electrode for an electrochemical cell containing such compound, process for producing the electrode and the electrochemical cell |
-
2007
- 2007-04-27 RU RU2007116026/09A patent/RU2331143C1/en not_active IP Right Cessation
-
2008
- 2008-04-22 WO PCT/RU2008/000255 patent/WO2008133549A1/en active Application Filing
- 2008-04-22 DE DE112008001077T patent/DE112008001077T5/en not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
S.Charojrockul, K.L.Choy, B.C.H.Steele, Solid State Jonics, 121 (1999), 107-113. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE112008001077T5 (en) | 2010-04-15 |
WO2008133549A1 (en) | 2008-11-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Fan et al. | Highly stable and efficient perovskite ferrite electrode for symmetrical solid oxide fuel cells | |
EP1532710B1 (en) | Perovskite-based fuel cell electrode and membrane | |
Yamaura et al. | Cathodic polarization of strontium-doped lanthanum ferrite in proton-conducting solid oxide fuel cell | |
US20110244365A1 (en) | Metal oxide-yttria stabilized zirconia composite and solid oxide fuel cell using the same | |
Park et al. | Tradeoff optimization of electrochemical performance and thermal expansion for Co-based cathode material for intermediate-temperature solid oxide fuel cells | |
KR101334903B1 (en) | Cathode materials for solid oxide fuel cell, composition therewith, cathode therewith, method for producing thereof and fuel cell comprising the same | |
CN102208663A (en) | Transition metal element B site-doped BaFeO3-delta-based ABO3 type perovskite fuel cell cathode material and application thereof | |
Lv et al. | SrCo0. 4Fe0. 4Zr0. 1Y0. 1O3-δ, A new CO2 tolerant cathode for proton-conducting solid oxide fuel cells | |
US20120308915A1 (en) | Cathode material for fuel cell, cathode including the cathode material, solid oxide fuel cell including the cathode | |
KR20060120675A (en) | Cathode material for a high-temperature fuel cell(sofc) and a cathode that can be produced therefrom | |
CN102208662A (en) | Rare-earth element-doped BaFeO3-delta-based ABO3 type perovskite fuel cell cathode material and application thereof | |
JP5555474B2 (en) | SOLAR ELECTRODE FOR SOLID OXIDE FUEL CELL, SOLID OXIDE FUEL CELL, AND METHOD FOR OPERATING SOLID OXIDE FUEL CELL | |
Omeiza et al. | Structure and Electrochemical Characterization of Nd0. 5Ba0. 5Zr0. 8Fe0. 2O3+ δ Cobalt-Free Cathode Material for Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells: An Experimental Investigation | |
EP1961067B1 (en) | Fuel cell component having an electrolyte dopant | |
JP2009209441A (en) | Electrochemical cell | |
CN100502117C (en) | B-position omission perovskite anode material used for solid-oxide fuel battery | |
Delibaş et al. | Reduction of operation temperature in SOFCs utilizing perovskites | |
RU2331143C1 (en) | Cathode material for sofc on basis of cobalt containing perovskite-like oxides of transition metals | |
KR20160089884A (en) | Oxide particle, air electrode comprising the same and fuel cell comprising the same | |
Filonova et al. | Physicochemical properties of potential cathode La1-xBaxMn1-yCryO3 and anode Sr2NiMoO6 materials for solid-oxide fuel cells | |
Zhang et al. | Layered GdBa0. 5Sr0. 5Co2O5+ δ as a cathode for proton-conducting solid oxide fuel cells with stable BaCe0. 5Zr0. 3Y0. 16Zn0. 04O3− δ electrolyte | |
KR20100108955A (en) | Cathode material for solid oxide fuel cell and manufacturing method of the same | |
KR102137988B1 (en) | symmetrical solid oxide fuel cell having perovskite structure, method of manufacturing the same and symmetrical solid oxide electrolyzer cell having the perovskite structure | |
RU2553460C2 (en) | Cathode materials for solid oxide fuel cells based on nickel-containing layered perovskite-like oxides | |
Ahmed et al. | A Study on Sintering Inhibition of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3-∂ Cathode Material for Cathode-Supported Fuel Cells |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20120712 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140428 |