RU2332754C1 - Tubular solid-oxide fuel element with metallic support, its tubular metallic porous basic layer and methods of their production - Google Patents

Tubular solid-oxide fuel element with metallic support, its tubular metallic porous basic layer and methods of their production Download PDF

Info

Publication number
RU2332754C1
RU2332754C1 RU2007112021/09A RU2007112021A RU2332754C1 RU 2332754 C1 RU2332754 C1 RU 2332754C1 RU 2007112021/09 A RU2007112021/09 A RU 2007112021/09A RU 2007112021 A RU2007112021 A RU 2007112021A RU 2332754 C1 RU2332754 C1 RU 2332754C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
support layer
powder
tubular
fuel cell
Prior art date
Application number
RU2007112021/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Поликарпович Коржов (RU)
Валерий Поликарпович Коржов
Сергей Иванович Бредихин (RU)
Сергей Иванович Бредихин
Виталий Владимирович Кведер (RU)
Виталий Владимирович Кведер
Михаил Иванович Карпов (RU)
Михаил Иванович Карпов
Андрей Анатольевич Жохов (RU)
Андрей Анатольевич Жохов
нов Владимир Владимирович Севасть (RU)
Владимир Владимирович Севастьянов
Сергей Васильевич Никитин (RU)
Сергей Васильевич Никитин
Александр Сергеевич Лавриков (RU)
Александр Сергеевич Лавриков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП")
Priority to RU2007112021/09A priority Critical patent/RU2332754C1/en
Priority to PCT/RU2008/000323 priority patent/WO2008143555A1/en
Priority to DE202008017769U priority patent/DE202008017769U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2332754C1 publication Critical patent/RU2332754C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/1226Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: invention proposes a tubular solid-oxide fuel element with a metallic support containing a tubular metallic basic layer, a tubular pack of functional layers in concentric interface contact with the basic layer, the metallic porous basic layer being made from metal or metal alloy powders. The said basic layer is made up of, at least, two layers and the said powders possessing anti-oxidation properties at 700°C to 900°C. The tubular functional layers pack incorporates additionally a protective layer with functional layers being arranged in the following sequence, i.e. an anode layer, a solid-gas electrolyte layer, a protective layer and a cathode layer. The method of producing the aforesaid element comprises the following jobs, i.e. (a) production of, at least, two-layer metallic porous basic layer from metal or metal alloys, (b) application of anode layer on the basic layer, the anode layer being composed of the nickel-zirconium dioxide cermet stabilised by yttrium oxide, (c) application of the zirconium dioxide solid-gas electrolyte stabilised by yttrium oxide in the metal-organic complex thermolysis process on the anode layer, (d) application of the GDC () protective layer on the electrolyte, (e) application of the cathode layer composed of LSM (solid solutions of the La0.8Si0.2MnO3 composition) on the GDC protective layer.
EFFECT: high-temperature fuel elements sustain heat treatment without shrinkage and reduction in porosity.
30 cl, 4 dwg

Description

Настоящая группа изобретений относится к области непосредственного прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, а конкретно к высокотемпературным электрохимическим устройствам с твердым оксидным электролитом (ТОЭ), и может быть использована для изготовления высокотемпературных топливных элементов (ВТТЭ), а именно трубчатых твердооксидных топливных элементов с металлической опорой.This group of inventions relates to the field of direct direct conversion of chemical energy of fuel into electrical energy, and in particular, to high-temperature electrochemical devices with solid oxide electrolyte (TOE), and can be used for the manufacture of high-temperature fuel cells (VTTE), namely tubular solid oxide fuel cells with metal support.

Наиболее важной особенностью ВТТЭ является непосредственное превращение химической энергии некоторых видов топлива в электрическую, благодаря чему такое преобразование энергии не подпадает под ограничения цикла Карно и теретически возможно достижение КПД, равного 80%. Кроме того, по сравнению с традиционными способами генерирования электричества топливные элементы обладают рядом других преимуществ: модульность конструкции; высокий КПД при частичной электрической нагрузке; возможность совместной генерации электрической и тепловой энергии; значительно более низкий выход загрязняющих продуктов по сравнению с другими способами получения электрической энергии; отсутствие движущихся деталей и узлов.The most important feature of VTE is the direct conversion of the chemical energy of certain types of fuel into electrical energy, due to which such energy conversion does not fall under the limitations of the Carnot cycle and it is possible to achieve an efficiency of 80%. In addition, compared with traditional methods of generating electricity, fuel cells have several other advantages: modular design; high efficiency at partial electric load; the possibility of joint generation of electric and thermal energy; significantly lower yield of polluting products compared to other methods of generating electrical energy; lack of moving parts and assemblies.

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) включает в себя два электрода (анод и катод), разделенных керамическим электролитом. Для обеспечения соответствующей ионной проводимости в таком керамическом электролите ТОТЭ работает при повышенной температуре, обычно составляющей от 750 до 1000°С. В типичных ТОТЭ материалом электролита является плотный газонепроницаемый диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ). Он является хорошим проводником для отрицательно заряженных ионов кислорода при высоких температурах. Типичные аноды ТОТЭ изготавливаются из пористого кермета никель/диоксид циркония, стабилизированный иттрием (Ni-YSZ). Катоды изготавливают из манганата лантана, легированного магнием (LaMnO3), или из манганата лантана, легированного стронцием (LSM). При работе топливного элемента водород или оксид углерода (угарный газ, СО) в потоке топлива над анодом вступает в реакцию с ионами оксида, проходящими через электролит, в результате чего получается вода и/или CO2 и электроны. Электроны проходят от анода к наружной стороне топливного элемента, затем через внешний контур и через нагрузку и возвращаются назад к катоду, где кислород из потока воздуха принимает электроны и преобразуется в ионы оксида, которые инжектируются в электролит.A solid oxide fuel cell (SOFC) includes two electrodes (anode and cathode) separated by a ceramic electrolyte. To ensure adequate ionic conductivity in such a ceramic electrolyte, SOFC operates at elevated temperatures, usually between 750 and 1000 ° C. In typical SOFCs, the electrolyte material is dense, gas-tight zirconia stabilized with yttrium oxide (YSZ). It is a good conductor for negatively charged oxygen ions at high temperatures. Typical SOFC anodes are made of porous nickel / zirconia cermet stabilized with yttrium (Ni-YSZ). The cathodes are made from magnesium doped lanthanum manganate (LaMnO 3 ) or strontium doped lanthanum manganate (LSM). When a fuel cell operates, hydrogen or carbon monoxide (carbon monoxide, CO) in the fuel stream above the anode reacts with oxide ions passing through the electrolyte, resulting in water and / or CO 2 and electrons. Electrons pass from the anode to the outside of the fuel cell, then through the external circuit and through the load and return back to the cathode, where oxygen from the air stream receives electrons and is converted into oxide ions, which are injected into the electrolyte.

Топливный элемент включает в себя следующие концентрические трубчатые слои: слой внутреннего электрода, средний слой электролита и слой внешнего электрода. Внутренним и внешним электродами могут быть соответственно анод и катод, причем в таком случае топливо может подводиться к аноду за счет пропускания через трубку, а воздух может подводиться к катоду за счет прохождения над внешней поверхностью трубки.The fuel cell includes the following concentric tubular layers: an inner electrode layer, a middle electrolyte layer and an outer electrode layer. The internal and external electrodes can be respectively the anode and cathode, and in this case, fuel can be supplied to the anode by passing through the tube, and air can be supplied to the cathode by passing over the outer surface of the tube.

Как уже было выше сказано, ТОТЭ работают при высоких температурах. Известно, что уменьшение толщины стенки или повышение проводимости электролита позволяет топливному элементу работать при более низких температурах. Уменьшение всей толщины стенки топливного элемента дает дополнительные преимущества, такие как снижение тепловой массы и повышение термостойкости топливного элемента, что способствует сокращению времени запуска и выключения топливного элемента. Более того, уменьшение толщины стенки в сочетании с уменьшением диаметра топливного элемента приводит к снижению размеров топливного элемента и позволяет ему работать в применениях с малой мощностью: в дорожных компьютерах, сотовых телефонах и других портативных электронных устройствах. Небольшие системы топливных элементов, широко известные как системы "топливных микроэлементов", разрабатываемые в настоящее время, обычно используют прямой топливный элемент на метаноле (DMFC) или технологии полимерной электролитической мембраны (РЕМ). Твердооксидные топливные элементы имеют одну из самых высоких эффективностей преобразования энергии для любых технологий топливных элементов, обычно порядка 35-60%. Однако уменьшение толщины стенки ТОТЭ снижает его механическую прочность. Во всех известных конструкциях батарей трубчатых ТОТЭ используют относительно большие топливные элементы с диаметрами свыше 5 мм. Они имеют, по меньшей мере, один относительно толстый слой. Например, в топливном элементе с "несущим анодом" - это анодный слой, который является механической опорой и обеспечивает конструктивную целостность топливного элемента. Такие толстостенные трубчатые ТОТЭ, имеющие большой диаметр, не подходят для применений с малой мощностью. Для этого желательно создать тонкостенный топливный элемент малого диаметра.As mentioned above, SOFCs operate at high temperatures. It is known that reducing the wall thickness or increasing the conductivity of the electrolyte allows the fuel cell to operate at lower temperatures. Reducing the entire wall thickness of the fuel cell provides additional benefits, such as a reduction in thermal mass and an increase in heat resistance of the fuel cell, which contributes to a reduction in the startup and shutdown times of the fuel cell. Moreover, a decrease in wall thickness in combination with a decrease in the diameter of the fuel cell leads to a decrease in the size of the fuel cell and allows it to work in low power applications: in travel computers, cell phones and other portable electronic devices. Small fuel cell systems, commonly known as the "fuel cell systems" currently under development, typically use direct methanol fuel cell (DMFC) or polymer electrolytic membrane (PEM) technology. Solid oxide fuel cells have one of the highest energy conversion efficiencies for any fuel cell technology, typically of the order of 35-60%. However, a decrease in the SOFC wall thickness decreases its mechanical strength. Relatively large fuel cells with diameters in excess of 5 mm are used in all known designs of tubular SOFC batteries. They have at least one relatively thick layer. For example, in a “supporting anode” fuel cell, this is the anode layer, which is a mechanical support and ensures the structural integrity of the fuel cell. Such thick-walled tubular SOFCs having a large diameter are not suitable for low power applications. For this, it is desirable to create a thin-walled fuel cell of small diameter.

Известен способ изготовления ТОТЭ, имеющих форму трубки (или пробирки с большим отношением длины к диаметру), в соответствии с которым синтез электролита на катоде, выполненном в виде трубки из допированного манганита лантана, осуществляют методом плазменного распыления циркония, стабилизированного иттрием, а затем ведут CVD-процесс в атмосфере газообразных галогенидов циркония и иттрия. В соответствии с данным способом решается проблема газоплотности слоя электролита, напыленного плазменным способом [Патент США 5085742, МПК Н01М 6/00, опубл. 1992].A known method of manufacturing SOFCs in the form of a tube (or tubes with a large ratio of length to diameter), according to which the synthesis of an electrolyte on a cathode made in the form of a tube of doped lanthanum manganite, is carried out by plasma spraying of yttrium stabilized zirconium, and then CVD process in the atmosphere of gaseous zirconium and yttrium halides. In accordance with this method, the gas density of an electrolyte layer sprayed by a plasma method is solved [US Patent 5085742, IPC H01M 6/00, publ. 1992].

Данный способ, хотя и позволяет решить проблему газоплотности слоя электролита, однако небезопасен, поскольку работы ведутся с агрессивными газообразными галогенидами.This method, although it allows you to solve the problem of the gas density of the electrolyte layer, is unsafe, since work is carried out with aggressive gaseous halides.

Известны способ и устройство для изготовления высокотемпературных ТОТЭ в рамках единого технологического процесса путем пиролиза металлоорганических комплексов (МОК), сформированных на базе 2-этилгексановой кислоты. Функциональные слои топливного элемента наносят путем накатки МОК-прекурсоров каждого из слоев на заготовку ВТТЭ, которую нагревают до температуры пиролиза соответствующего прекурсора. Благодаря нагреву поверхности заготовки при соприкосновении жидкого прекурсора с заготовкой происходит испарение органической составляющей прекурсора, сопровождающееся образованием оксидной пленки соответствующего функционального слоя. Температуру поверхности заготовки при формировании слоев изменяют в диапазоне от 240 до 600°С в зависимости от формируемого слоя. Для реализации способа применяют установку, имеющую устройство для вращения заготовки-катода из манганита лантана стронция и устройство для нанесения прекурсоров на катод. Нанесение слоев производится с помощью ролика, который находится в непосредственном контакте с заготовкой ВТТЭ. Возможно нанесение слоев на поверхность заготовки ВТТЭ как по образующей катода, так и по спиральной линии. Все функциональные слои ВТТЭ наносятся на указанной установке, причем предлагаемые способ и устройство применимы и для случая нанесения функциональных слоев, когда в качестве заготовки используют анод ВТТЭ (Патент РФ № 2224337, опубл. 20.02.2004 г.). Техническим результатом этого изобретения является создание безопасного и дешевого способа изготовления топливного элемента на простой и надежной установке.A known method and device for the manufacture of high-temperature SOFC within the framework of a single technological process by pyrolysis of organometallic complexes (IOC) formed on the basis of 2-ethylhexanoic acid. The functional layers of the fuel cell are applied by rolling the MOC precursors of each of the layers onto the VTTE billet, which is heated to the pyrolysis temperature of the corresponding precursor. Due to the heating of the surface of the workpiece upon contact of the liquid precursor with the workpiece, the organic component of the precursor evaporates, accompanied by the formation of an oxide film of the corresponding functional layer. The temperature of the surface of the workpiece during the formation of the layers is changed in the range from 240 to 600 ° C, depending on the formed layer. To implement the method, a device is used that has a device for rotating a billet-cathode made of strontium lanthanum manganite and a device for applying precursors to the cathode. The layers are applied using a roller, which is in direct contact with the VTTE blank. It is possible to apply layers to the surface of the VTTE billet both along the generatrix of the cathode and along a spiral line. All functional layers of VTTE are deposited on the specified installation, and the proposed method and device are also applicable for the application of functional layers when the VTTE anode is used as a preform (RF Patent No. 2224337, publ. 02.20.2004). The technical result of this invention is to provide a safe and cheap method of manufacturing a fuel cell in a simple and reliable installation.

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению является, принятая за прототип, группа изобретений (WO/2004/012287, опубл. 05.02.2004 г.), в которой трубчатый твердооксидный топливный элемент с металлической опорой содержит:Closest to the proposed invention is, adopted as a prototype, a group of inventions (WO / 2004/012287, publ. 05.02.2004), in which a tubular solid oxide fuel cell with a metal support contains:

- трубчатый металлический пористый опорный слой, имеющий механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него;- a tubular metallic porous support layer having a mechanical strength sufficient to support a stack of functional layers and a porosity sufficient to allow a reagent stream to flow through it;

- трубчатый пакет из функциональных слоев в концентрическом граничном контакте с опорным слоем, имеющий толщину стенки меньше или равную 80 мкм и который содержит в концентрическом расположении керамический или керметный слой внутреннего электрода, керамический средний слой электролита и керамический или керметный слой внешнего электрода. При этом электролит содержит материал, выбранный из группы, в которую входят стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония и СеО2, легированный Gd2О3, и имеет толщину меньше или равную 5 мкм.- a tubular bag of functional layers in concentric boundary contact with the support layer, having a wall thickness less than or equal to 80 μm and which contains in a concentric arrangement a ceramic or cermet layer of the inner electrode, a ceramic middle layer of electrolyte and a ceramic or cermet layer of the outer electrode. In this case, the electrolyte contains a material selected from the group consisting of zirconia stabilized with yttrium oxide and CeO 2 doped with Gd 2 O 3 and has a thickness less than or equal to 5 μm.

Опорный слой имеет толщину от 20 до 500 мкм и может быть выполнен из металлов и сплавов, выбранных из группы, в которую входят нержавеющая сталь и ферритная сталь. Его пористость варьируется от 20 до 75 об.%. При необходимости он может содержать керамический материал в количестве от 0 об.% до предела просачивания керамики.The supporting layer has a thickness of 20 to 500 μm and can be made of metals and alloys selected from the group consisting of stainless steel and ferritic steel. Its porosity varies from 20 to 75 vol.%. If necessary, it may contain ceramic material in an amount of from 0 vol.% To the limit of leakage of ceramics.

Способ изготовления трубчатой твердооксидной сборки топливного элемента по способу-прототипу включает в себя следующие операции:A method of manufacturing a tubular solid oxide fuel cell assembly according to the prototype method includes the following operations:

(а) покрытие трубчатого главным образом металлического опорного слоя керамическим или керметным слоем внутреннего электрода при помощи технологии, выбранной из группы, в которую входят электрофоретическое осаждение, нанесение покрытия погружением и напыление;(a) coating the tubular mainly metal support layer with a ceramic or cermet layer of the inner electrode using technology selected from the group consisting of electrophoretic deposition, dip coating and spraying;

(b) покрытие слоя внутреннего электрода слоем керамического электролита при помощи технологии, выбранный из группы, в которую входят электрофоретическое осаждение, нанесение покрытия погружением, золь-гелевое нанесение покрытия и напыление;(b) coating the inner electrode layer with a ceramic electrolyte layer using a technology selected from the group consisting of electrophoretic deposition, dip coating, sol-gel coating and spraying;

(c) покрытие слоя электролита керамическим или керметным слоем внешнего электрода,(c) coating the electrolyte layer with a ceramic or cermet layer of the outer electrode,

а затемand then

(d) спекание слоев, чтобы получить полый трубчатый топливный элемент с металлической опорой.(d) sintering the layers to obtain a hollow tubular fuel cell with a metal support.

Металлический опорный слой получают, добавляя в исходный металлический порошок добавки, которые выгорают при спекании слоев, в результате чего получается пористый металлический опорный слой.A metal support layer is obtained by adding additives to the initial metal powder that burn out during sintering of the layers, resulting in a porous metal support layer.

Для изготовления трубчатого ТОТЭ малого диаметра в качестве трафарета для сборки топливного элемента использовали деревянный стержень, форма и размер которого соответствовали требуемым форме и размеру топливного элемента.For the manufacture of tubular SOFC of small diameter, a wooden rod was used as a stencil for assembling the fuel cell, the shape and size of which corresponded to the required shape and size of the fuel cell.

Описанный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в присутствии наполнителя (добавки) при формировании пористого опорного слоя, который в процессе спекания выгорает и на его месте образуются поры. Трудность заключается в том, что удалить весь наполнитель обычно не представляется возможным. Наполнители - это химические вещества, которые даже в незначительных количествах способны отрицательно влиять на механические свойства оставшегося металлического остова. Обычно они охрупчивают металлы и сплавы.The described method has a significant drawback consisting in the presence of a filler (additive) during the formation of a porous support layer, which burns out during sintering and pores are formed in its place. The difficulty is that removing all the filler is usually not possible. Fillers are chemicals that, even in small amounts, can adversely affect the mechanical properties of the remaining metal core. Usually they embrittle metals and alloys.

При выжигании наполнителя поры получаются порядка нескольких микрон (а именно с таким размером свойственно образовываться порам при использовании наполнителей). Несмотря на большое их объемное содержание, при последующих термообработках, которые потребуются для спекания функциональных слоев, наносимых на металлический опорный слой, пористость опорного слоя будет уменьшаться, вследствие чего сам он будет претерпевать существенную усадку.When the filler is burned out, pores of the order of several microns are obtained (namely, with such a size, pores are typically formed when fillers are used). Despite their large volume content, during subsequent heat treatments that will be required to sinter the functional layers deposited on the metal support layer, the porosity of the support layer will decrease, as a result of which it will undergo significant shrinkage.

Использование защитного GDC-подслоя с LSM-катодом, в сравнении с ТОТЭ без подслоя и LSCF-катодом, дает увеличение пиковой снимаемой с ТОТЭ мощности более чем в 5 раз.The use of a protective GDC sublayer with an LSM cathode, in comparison with a SOFC without a sublayer and an LSCF cathode, gives an increase in the peak power removed from SOFC by more than 5 times.

Предложенная группа изобретений решает задачу создания ТОТЭ с электрической мощностью более 0,25 Bamm/см2 при рабочих температурах 650-800°С, трубчатый металлический пористый опорный слой которых обладает повышенной механической прочностью и уменьшенным электросопротивлением при сохранении высокой пористости.The proposed group of inventions solves the problem of creating a SOFC with an electrical power of more than 0.25 Bamm / cm 2 at operating temperatures of 650-800 ° C, the tubular metal porous support layer of which has increased mechanical strength and reduced electrical resistance while maintaining high porosity.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении ТОТЭ с опорным слоем, способным выдерживать последующие термообработки без усадки и уменьшения пористости, получаемый без добавки, требующей выжигания, и меньшим газовым сопротивлением за счет высокой пористости внутренней части металлических трубок. Кроме того, получаемый ТОТЭ содержит пакет функциональных слоев, у которого предотвращена реакция катода с электролитом.The technical result of the invention is to obtain SOFC with a support layer capable of withstanding subsequent heat treatments without shrinkage and porosity reduction, obtained without additives requiring burning, and lower gas resistance due to the high porosity of the inner part of the metal tubes. In addition, the obtained SOFC contains a packet of functional layers in which the cathode reacts with an electrolyte.

Краткое изложение изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается трубчатый твердооксидный топливный элемент с металлической опорой, содержащийIn accordance with a first aspect of the present invention, there is provided a tubular solid oxide fuel cell with a metal support, comprising

- трубчатый металлический пористый опорный слой, имеющий механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него,a tubular metallic porous support layer having a mechanical strength sufficient to support a stack of functional layers and a porosity sufficient to allow a reagent flow to flow through it,

- трубчатый пакет из функциональных слоев в концентрическом граничном контакте с опорным слоем, который содержит в концентрическом расположении керметный слой внутреннего электрода, керамический средний слой электролита и керамический слой внешнего электрода,- a tubular bag of functional layers in concentric boundary contact with the support layer, which contains in a concentric arrangement a cermet layer of the inner electrode, a ceramic middle layer of electrolyte and a ceramic layer of the outer electrode,

новизна которого заключается в том, что металлический пористый опорный слой выполнен, по крайней мере, двухслойным из порошков металлов или их сплавов, устойчивых к окислению при температуре 700-900°С, причем внутренний слой опорного слоя обладает минимальной усадкой в процессе отжигов при температурах 1200-1400°С, верхний слой опорного слоя обеспечивает быстрое и качественное нанесения функциональных слоев, трубчатый пакет из функциональных слоев дополнительно содержит защитный слой, а функциональные слои в нем расположены в следующей последовательности: анодный слой, слой газоплотного электролита, защитный слой и катодный слой.the novelty of which is that the porous metal support layer is made of at least two layers of metal powders or their alloys that are resistant to oxidation at a temperature of 700-900 ° C, and the inner layer of the support layer has minimal shrinkage during annealing at temperatures of 1200 -1400 ° С, the top layer of the support layer provides quick and high-quality deposition of functional layers, the tubular bag of functional layers additionally contains a protective layer, and the functional layers are located in the next sequence: an anode layer, a layer of gas-tight electrolyte, the protective layer and the cathode layer.

В частности, внутренний диаметр металлического пористого опорного слоя может быть равен 8-12 мм, а толщина 1-2 мм.In particular, the inner diameter of the porous metal support layer may be 8-12 mm, and the thickness 1-2 mm.

Общая толщина узла функциональных слоев может быть меньше или равна 52 мкм.The total thickness of the functional layer assembly may be less than or equal to 52 microns.

Предпочтительно выполнять анодный слой из кермета никель-диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия толщиной, равной 20 мкм.It is preferable to perform an anode layer of cermet nickel-zirconia stabilized with yttrium oxide with a thickness of 20 μm.

Слой газоплотного электролита предпочтительно выполнять из диоксида циркония, стабилизированный оксидом иттрия толщиной, равной 10 мкмThe gas-tight electrolyte layer is preferably made of zirconia stabilized with yttrium oxide with a thickness of 10 μm

Защитный слой предпочтительно выполнять из GDC (Ce0.8Gd0.2O) толщиной, равной 2 мкм.The protective layer is preferably made of GDC (Ce 0.8 Gd 0.2 O) with a thickness of 2 μm.

Катодный слой предпочтительно выполнять из манганата лантана LSM (твердых растворов состава La0.8Sr0.2MnO3) толщиной, равной 20 мкм.The cathode layer is preferably made of LSM lanthanum manganate (solid solutions of the composition La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ) with a thickness of 20 μm.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается трубчатый металлический пористый опорный слой топливного элемента, имеющий механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него, новизна которого заключается в том, что он выполнен, по крайней мере, двухслойным, из порошков металлов или их сплавов, устойчивых к окислению при температуре 700-900°С, причем внутренний слой опорного слоя обладает минимальной усадкой в процессе отжигов при температурах 1200-1400°С, верхний слой опорного слоя обеспечивает быстрое и качественное нанесение функциональных слоев.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a tubular metal porous support layer of a fuel cell having mechanical strength sufficient to support a stack of functional layers and porosity sufficient to allow reagent flow to flow through it, the novelty of which is the fact that it is made of at least two layers of metal powders or their alloys that are resistant to oxidation at a temperature of 700-900 ° C, and the inner layer of the support layer has with minimal shrinkage during annealing at temperatures of 1200-1400 ° C, the top layer of the support layer provides fast and high-quality deposition of functional layers.

В частности, размеры пор его внутреннего слоя превышают 100 мкм и объемная пористость составляет 40-60%, в то время как размеры пор внешнего слоя не превышают 50 мкм и объемная пористость составляет 30-50%.In particular, the pore sizes of its inner layer exceed 100 microns and the bulk porosity is 40-60%, while the pore sizes of the outer layer do not exceed 50 microns and the bulk porosity is 30-50%.

Более конкретно внутренний слой металлического пористого опорного слоя может быть выполнен из порошка ферритной нержавеющей стали и иметь размеры пор 100-160 мкм.More specifically, the inner layer of the metal porous support layer can be made of ferritic stainless steel powder and have pore sizes of 100-160 μm.

В частности, внутренний слой может быть выполнен из нержавеющей стали марки 14Х17Н2.In particular, the inner layer can be made of stainless steel grade 14X17H2.

Внешний слой металлического пористого опорного слоя может быть выполнен из порошка ферритной нержавеющей стали марки ПХ17Н2 и иметь размеры пор менее 50 мкм.The outer layer of the porous metal support layer can be made of ferrite stainless steel powder ПХ17Н2 and have pore sizes less than 50 microns.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ изготовления трубчатого твердооксидного топливного элемента с металлической опорой, который включает в себя следующие операции:In accordance with another aspect of the present invention, a method for manufacturing a tubular solid oxide fuel cell with a metal support, which includes the following operations:

(а) изготовление, по крайней мере, двухслойного металлического пористого опорного слоя из порошков металлов или их сплавов, устойчивых к окислению при температуре 700-900°С, имеющего механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него, причем внутренний слой опорного слоя обладает минимальной усадкой в процессе отжигов при температурах 1200-1400°С, верхний слой опорного слоя обеспечивает быстрое и качественное нанесение функциональных слоев;(a) the manufacture of at least a two-layer metal porous support layer of metal powders or their alloys, resistant to oxidation at a temperature of 700-900 ° C, having a mechanical strength sufficient to support a package of functional layers, and porosity, sufficient to allow the reagent flow to flow through it, with the inner layer of the support layer having minimal shrinkage during annealing at temperatures of 1200-1400 ° C, the upper layer of the support layer provides fast and high-quality bearing functional layers;

(б) покрытие опорного слоя по методу окрашивания или погружения анодным слоем из кермета никель-диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия;(b) coating the support layer by dyeing or dipping with an anode layer of nickel-zirconia cermet stabilized with yttrium oxide;

(в) покрытие анодного слоя слоем газоплотного электролита диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия методом термолиза металлоорганических комплексов;(c) coating the anode layer with a layer of a gas-tight electrolyte zirconia stabilized with yttrium oxide by the method of thermolysis of organometallic complexes;

(г) покрытие слоя электролита защитным слоем GDC (Ce0.8Gd0.2O);(d) coating the electrolyte layer with a protective layer of GDC (Ce 0.8 Gd 0.2 O);

(д) покрытие защитного слоя GDC катодным слоем из манганата лантана LSM (твердых растворов состава La0.8Sr0.2MnO3) методом окрашивания.(e) coating the protective layer of GDC with the cathode layer of LSM lanthanum manganate (solid solutions of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 composition) by staining.

В частности, анодный слой может быть нанесен на опорный слой в виде покрытия с использованием пасты, приготовленной на основе полиэтиленгликоля и порошковой смеси состава 60 об.% NiO и 40 об.% диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ), с последующей сушкой нанесенного слоя при температуре 140-155°С в течение 10-15 ч, затем полученную заготовку отжигают в вакууме по режиму: нагрев до 1100°С за 3,5 ч и выдержка при этой температуре в течение 2 ч.In particular, the anode layer can be applied to the support layer as a coating using a paste prepared on the basis of polyethylene glycol and a powder mixture of 60 vol.% NiO and 40 vol.% Zirconia stabilized with yttrium oxide (YSZ), followed by drying of the applied layer at a temperature of 140-155 ° C for 10-15 hours, then the resulting preform is annealed in vacuum according to the mode: heating to 1100 ° C for 3.5 hours and holding at this temperature for 2 hours

Слой электролита может быть нанесен на анодный слой послойным нанесением коллоидной суспензии YSZ (ZrO2 - 8 мол.% Y2О3) с последующим отжигом каждого слоя в вакууме при 1150-1200°С в течение 2,5 ч.The electrolyte layer can be deposited on the anode layer by layer-by-layer deposition of a colloidal suspension of YSZ (ZrO 2 - 8 mol% Y 2 O 3 ), followed by annealing of each layer in vacuum at 1150-1200 ° С for 2.5 hours.

Защитный слой может быть нанесен на слой электролита в виде покрытия из металлоорганических комплексов Gd и Се карбоновой кислоты (2-этилгексановая кислота (2-ЭГК) (99%), C8H16O2, СН3(СН2)3СН(С2Н5)СООН) с их последующим разложением методом термолиза или методом погружения в суспензию порошка GDC (Ce0.8Gd0.2O) в полиэтиленгликоле с последующим высушиванием на воздухе при 140-155°С в течение 10-15 ч и спекания в вакууме при 1150-1200°С в течение 2,5 ч.The protective layer can be applied to the electrolyte layer in the form of a coating of organometallic complexes of Gd and Ce carboxylic acid (2-ethylhexanoic acid (2-EHC) (99%), C 8 H 16 O 2 , CH 3 (CH 2 ) 3 CH ( C 2 H 5 ) COOH) with their subsequent decomposition by thermolysis or by immersion in a suspension of GDC powder (Ce 0.8 Gd 0.2 O) in polyethylene glycol, followed by drying in air at 140-155 ° С for 10-15 h and sintering in vacuum at 1150-1200 ° C for 2.5 hours

Катодный слой может быть нанесен на защитный слой методом погружения в суспензию порошка LSM (La0.8Si0.2MnO3).The cathode layer can be applied to the protective layer by immersion in a suspension of LSM powder (La 0.8 Si 0.2 MnO 3 ).

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ получения трубчатого металлического пористого опорного слоя топливного элемента, имеющего механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него, новизна которого заключается в том, что он выполнен, по крайней мере, двухслойным из порошков металлов или их сплавов, устойчивых к окислению при температуре 700-900°С, путем выполнения следующих операций:In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a tubular metal porous support layer of a fuel cell having mechanical strength sufficient to support a stack of functional layers and porosity sufficient to allow reagent flow to flow through it, novelty which consists in the fact that it is made of at least two-layer of metal powders or their alloys, resistant to oxidation at a temperature of 700-900 ° C, by performing following operations:

- формирование внутреннего опорного слоя засыпкой порошка из, по крайней мере, одного металла или его сплава, с размером частиц, превышающим 100 мкм, в межтрубное пространство, образованное коаксиально расположенными трубами, внутренняя из которых выполнена из кварца или нержавеющей стали, а наружная из кварца;- the formation of the inner supporting layer by filling the powder from at least one metal or its alloy, with a particle size exceeding 100 microns, into the annular space formed by coaxially arranged pipes, the inner of which is made of quartz or stainless steel, and the outer of quartz ;

- предварительное спекание полученных порошковых заготовок внутреннего опорного слоя в атмосфере водорода;- preliminary sintering of the obtained powder billets of the inner support layer in a hydrogen atmosphere;

- извлечение спеченной заготовки внутреннего опорного слоя из оснастки;- removing the sintered billet of the inner support layer from the tool;

- проведение окончательного спекания заготовок внутреннего опорного слоя в атмосфере водорода, инертного газа или вакууме при температуре 1200-1400°С;- the final sintering of the blanks of the inner support layer in an atmosphere of hydrogen, inert gas or vacuum at a temperature of 1200-1400 ° C;

- формирование на поверхности спеченных заготовок внутреннего опорного слоя внешнего слоя из порошка, аналогичного порошку внутреннего опорного слоя, но с размером частиц<50 мкм.- the formation on the surface of the sintered blanks of the inner support layer of the outer layer of powder, similar to the powder of the inner support layer, but with a particle size <50 μm.

В частности, формирование внутреннего опорного слоя осуществляют из ферритной нержавеющей стали, например, марки 14Х17Н2.In particular, the formation of the inner support layer is carried out from ferritic stainless steel, for example, grade 14X17H2.

Формирование заготовки внутреннего опорного слоя предпочтительно осуществлять ее уплотнением после засыпки с помощью вибрации.The preform formation of the inner support layer is preferably carried out by compaction after filling by vibration.

Дополнительно во внутреннюю трубу можно засыпать крупнокристаллический порошок оксида алюминия, после чего перед спеканием внутреннюю трубу удаляют.Additionally, coarse-grained alumina powder can be poured into the inner tube, after which the inner tube is removed before sintering.

Предварительное спекание порошковых заготовок внутреннего опорного слоя предпочтительно проводят при температуре 1050-1100°С в течение 1-5 ч.Preliminary sintering of the powder blanks of the inner support layer is preferably carried out at a temperature of 1050-1100 ° C for 1-5 hours

При проведении предварительного спекания внутреннего опорного слоя желательно делать выдержку при 350-400°С до прекращения газовыделения.When conducting preliminary sintering of the inner support layer, it is desirable to hold at 350-400 ° C until gas evolution ceases.

Окончательное спекание заготовок внутреннего опорного слоя проводят при постепенном повышении температуры.The final sintering of the blanks of the inner support layer is carried out with a gradual increase in temperature.

Формирование внешнего опорного слоя желательно осуществлять из порошка ферритной нержавеющей стали марки ПХ17Н2 с размером частиц менее 50 мкм.The formation of the outer support layer is preferably carried out from a powder of ferritic stainless steel grade ПХ17Н2 with a particle size of less than 50 microns.

Формирование на поверхности порошковых заготовок внутреннего опорного слоя внешнего слоя производят нанесением слоя суспензии порошка нержавеющей стали в полиэтиленгликоле, после чего полученное изделие сушат, а потом отжигают в вакууме.The formation of the inner support layer of the outer layer on the surface of the powder billets is carried out by applying a layer of a suspension of stainless steel powder in polyethylene glycol, after which the resulting product is dried and then annealed in vacuum.

Сушку предпочтительно проводят при температуре 140-155°С в течение 10-15 ч на воздухе.Drying is preferably carried out at a temperature of 140-155 ° C for 10-15 hours in air.

Отжиг в вакууме предпочтительно проводят по режиму: нагрев до 950°С за 2 ч, далее нагрев до 1150-1250°С за 1-2 ч и выдержка в течение 2-5 ч.Annealing in vacuum is preferably carried out according to the regime: heating to 950 ° C for 2 hours, then heating to 1150-1250 ° C for 1-2 hours and holding for 2-5 hours.

Альтернативно формирование на поверхности порошковых заготовок внешнего слоя можно производить засыпкой порошка в межтрубное пространство, образованное коаксиально расположенными дополнительной внешней кварцевой трубой и заготовкой внутреннего опорного слоя, с последующим спеканием всей заготовки в атмосфере водорода.Alternatively, the formation of the outer layer on the surface of the powder billets can be accomplished by filling the powder into the annulus formed by coaxially arranged additional outer quartz tube and the billet of the inner support layer, followed by sintering of the entire billet in a hydrogen atmosphere.

Спекание заготовки двухслойной опоры предпочтительно проводить в две стадии: сначала при температуре 1050-1100°С в течение 1-5 ч, затем заготовку извлекают из оснастки и проводят спекание при температуре, равной 1200-1400°С, в течение 1-3 ч в атмосфере водорода, инертного газа или вакууме.The sintering of a bilayer support blank is preferably carried out in two stages: first, at a temperature of 1050-1100 ° C for 1-5 hours, then the workpiece is removed from the tooling and sintering is carried out at a temperature of 1200-1400 ° C for 1-3 hours hydrogen atmosphere, inert gas or vacuum.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На фиг.1 схематично показан боковой разрез заявляемого топливного элемента с двухслойным трубчатым металлическим пористым опорным слоем.Figure 1 schematically shows a side section of the inventive fuel cell with a two-layer tubular metal porous support layer.

На фиг.2 схематично показан боковой разрез двухслойного трубчатого металлического пористого опорного слоя топливного элемента.Figure 2 schematically shows a side section of a two-layer tubular metal porous support layer of the fuel cell.

На фиг.3 показана схема последовательности операций при изготовлении трубчатого ТОТЭ с двухслойным трубчатым металлическим пористым опорным слоем.Figure 3 shows the sequence diagram of operations in the manufacture of tubular SOFC with a two-layer tubular metal porous support layer.

На фиг.4 показана схема последовательности операций при изготовлении двухслойного трубчатого металлического пористого опорного слоя топливного элемента, которая предусматривает формирование внешнего слоя из суспензии порошка металла в полиэтиленгликоле.Figure 4 shows the sequence diagram of operations in the manufacture of a two-layer tubular metal porous support layer of the fuel cell, which provides for the formation of the outer layer from a suspension of metal powder in polyethylene glycol.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

В описании настоящего изобретения использованные термины имеют приведенные ниже значения, если специально не указано иное. Все другие термины имеют обычные общепризнанные специалистами значения.In the description of the present invention, the terms used have the following meanings, unless expressly indicated otherwise. All other terms have the usual meanings recognized by experts.

Термин "керамический материал" относится к неорганическому неметаллическому твердому материалу с преобладающей ковалентной или ионной связью, в том числе (но без ограничения) к оксидам металлов и керамическим твердым ионным проводникам (таким как стабилизированный диоксидом иттрия диоксид циркония, бета-оксид алюминия и цераты).The term "ceramic material" refers to an inorganic non-metallic solid material with a predominant covalent or ionic bond, including (but not limited to) metal oxides and ceramic solid ionic conductors (such as yttrium-stabilized zirconia, beta-alumina, and cerate) .

Термин "кермет" относится к композиционному материалу, который включает в себя керамику в сочетании с металлом, обычно (но не обязательно) со спеченным металлом, причем кермет имеет высокую термостойкость, коррозионную стойкость и износостойкость.The term “cermet” refers to a composite material that includes ceramics in combination with a metal, usually (but not necessarily) sintered metal, the cermet having high heat resistance, corrosion resistance and wear resistance.

Термин "пористый" в контексте полых керамической, металлической и керметной мембран и матриц означает, что материал содержит поры (пустоты). Следовательно, плотность материала пористой мембраны будет ниже, чем теоретическая плотность материала. Пустоты в пористых мембранах и матрицах могут быть соединены (пустоты канального типа) или разъединены (то есть изолированы). В пористой полой мембране или матрице большинство пор соединены. Для того чтобы считаться пористой мембраной в соответствии с принятым здесь определением для мембран, мембрана должна иметь плотность, которая самое большее составляет ориентировочно 95% теоретической плотности материала. Величина пористости может быть определена путем измерения объемной плотности пористого тела, с использованием теоретической плотности материалов пористого тела. Размер пор и их распределение в пористом теле могут быть измерены при помощи ртутного или нертутного порозиметров, при помощи анализа BET или анализа изображения микроструктуры, что хорошо известно само по себе.The term "porous" in the context of hollow ceramic, metal and cermet membranes and matrices means that the material contains pores (voids). Therefore, the density of the material of the porous membrane will be lower than the theoretical density of the material. The voids in the porous membranes and matrices can be connected (channel-type voids) or disconnected (i.e. isolated). In a porous hollow membrane or matrix, most pores are connected. In order to be considered a porous membrane in accordance with the definition adopted here for membranes, the membrane must have a density that is at most approximately 95% of the theoretical density of the material. The value of porosity can be determined by measuring the bulk density of the porous body, using the theoretical density of the materials of the porous body. Pore size and their distribution in a porous body can be measured using mercury or non-mercury porosimeters, BET analysis, or microstructure image analysis, which is well known per se.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается сборка трубчатого твердооксидного топливного элемента с металлической опорой. Сборка топливного элемента (фиг.1) имеет двухслойный трубчатый металлический пористый опорный слой топливного элемента 1, имеющий механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него, выполненный, по крайней мере, из порошков металлов или их сплавов, устойчивых к окислению при температуре 700-900°С. Внутренний слой 1а опорного слоя 1 (фиг.2) практически не усаживается и не уменьшает пористость в процессе отжигов при температурах 1200-1400°С, а верхний слой 1б опорного слоя 1, обеспечивает быстрое и качественное нанесение функциональных слоев. Выполнение опорного слоя предлагаемым образом позволяет создать опорный слой, который обладает повышенной механической прочностью и сравнительно малым электрическим сопротивлением при сохранении высокой пористости.According to a first aspect of the present invention, there is provided an assembly of a tubular solid oxide fuel cell with a metal support. The fuel cell assembly (FIG. 1) has a two-layer tubular metal porous support layer of the fuel cell 1 having mechanical strength sufficient to support the stack of functional layers and porosity sufficient to allow the reagent flow to flow through it, made at least from powders of metals or their alloys, resistant to oxidation at a temperature of 700-900 ° C. The inner layer 1a of the support layer 1 (Fig. 2) practically does not shrink and does not reduce porosity during annealing at temperatures of 1200-1400 ° C, and the upper layer 1b of the support layer 1 provides fast and high-quality application of the functional layers. The implementation of the support layer in the proposed way allows you to create a support layer, which has increased mechanical strength and relatively low electrical resistance while maintaining high porosity.

Предпочтительно диаметр опорного слоя 1 составлял 8-12 мм, а толщина 1-2 мм. Однако эти размеры могут быть увеличены или уменьшены в зависимости от желаемого размера топливного элемента.Preferably, the diameter of the backing layer 1 is 8-12 mm and the thickness is 1-2 mm. However, these sizes can be increased or decreased depending on the desired size of the fuel cell.

На опорный слой 1 последовательно нанесены четыре функциональных слоя (фиг.1) общей толщиной 52 мкм, а именно: слой пористого анода 2 из никеля и диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (Ni-YSZ), толщиной 20 мкм; газоплотный слой электролита 3 из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), толщиной 10 мкм; защитный подслой 4 из GDC толщиной 2 мкм и пористый слой катода 5 из LSM толщиной 20 мкм. Указанные толщины являются оптимальными, но не необходимыми для работы всего ТОТЭ. Электроды служат в качестве токосъемников (коллекторов тока) и ускоряют электрохимическую реакцию. Электролит позволяет ионам кислорода проходить от одного электрода (катода) к другому электроду (аноду), причем он является непроницаемым для азота в воздухе, при этом топливный газ протекает с двух сторон слоя электролита. Функциональные слои механически поддерживаются при помощи трубчатого металлического опорного слоя. Применение защитного подслоя привело к значительному улучшению транспортных характеристик модельного ТОТЭ, что, по-видимому, и связано с отсутствием реакций, вызывающих образование непроводящей фазы SrZrO3 на границе YSZ-LSM. С целью улучшения качества композиционных керамических анодов Ni-YSZ нами была усовершенствована технология и улучшена структура поверхности пористых несущих трубок из ферритной нержавеющей стали.Four functional layers (Fig. 1) with a total thickness of 52 μm are sequentially deposited on the support layer 1, namely: a layer of a porous anode 2 of nickel and zirconia stabilized with yttrium oxide (Ni-YSZ), 20 μm thick; a gas-tight layer of electrolyte 3 of zirconia stabilized with yttrium oxide (YSZ), a thickness of 10 μm; a protective sublayer 4 of GDC with a thickness of 2 μm and a porous layer of the cathode 5 of LSM with a thickness of 20 μm. The indicated thicknesses are optimal, but not necessary for the operation of the entire SOFC. The electrodes serve as current collectors (current collectors) and accelerate the electrochemical reaction. The electrolyte allows oxygen ions to pass from one electrode (cathode) to another electrode (anode), and it is impermeable to nitrogen in the air, while the fuel gas flows from both sides of the electrolyte layer. Functional layers are mechanically supported by a tubular metal backing layer. The use of a protective sublayer led to a significant improvement in the transport characteristics of the model SOFC, which is apparently due to the absence of reactions that cause the formation of a non-conducting SrZrO 3 phase at the YSZ-LSM interface. In order to improve the quality of Ni-YSZ composite ceramic anodes, we have improved the technology and improved the surface structure of porous ferritic stainless steel support tubes.

Для целей данного изобретения нами был разработан (фиг.2) трубчатый металлический пористый опорный слой топливного элемента 1, имеющий механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него, выполненный, по крайней мере, двухслойным, из порошков металлов или их сплавов, устойчивых к окислению при температуре 700-900°С, внутренний слой 1а которого обладает минимальной усадкой в процессе отжигов при температурах 1200-1400°С, а верхний слой опорного слоя 1б обеспечивает быстрое и качественное нанесения функциональных слоев.For the purposes of this invention, we have developed (FIG. 2) a tubular metallic porous support layer of a fuel cell 1 having a mechanical strength sufficient to support a stack of functional layers and a porosity sufficient to allow a reagent flow to flow through it made at least two-layer of metal powders or their alloys resistant to oxidation at a temperature of 700-900 ° C, the inner layer 1a of which has minimal shrinkage during annealing at temperatures of 1200-1 400 ° C, and the upper layer of the support layer 1b provides fast and high-quality application of functional layers.

Такой опорный слой является самостоятельным техническим решением и может быть использован и в других конструкциях ТОТЭ.Such a support layer is an independent technical solution and can be used in other SOFC designs.

В качестве материала для получения двухслойного металлического пористого опорного слоя были предложены сплавы железа с хромом и никелем, совместимые по коэффициентам теплового расширения (КТР) с анионным проводником YSZ. Для увеличения механической прочности опорного слоя была выбрана толщина стенок трубки от 1 до 2 мм. При этом внутренний слой толщиной формировался из порошка размером более 100 мкм и имел объемную пористость 40-60%. Этот слой обеспечивал жаропрочность и обладал минимальной усадкой в процессе отжигов при температурах 1200-1400°С. Верхний слой толщиной до 20-50 мкм формировался из порошка с размером зерен меньше 50 мкм и имел объемную пористость 30-50%. Этот слой обеспечивал быстрое и качественное нанесение функциональных слоев. В первую очередь это относится к пористому анодному слою и слою газоплотного электролита. Следует отметить, что двухслойные трубки, помимо жаропрочности и практически полного отсутствия усадки, характеризуются еще и меньшим газовым сопротивлением за счет высокой пористости внутренней части металлических трубок. Такие трубки получали из ферритной нержавеющей стали марки 14Х17Н2 с размером зерен 100-160 мкм, на которые наносился внешний слой на основе порошков ферритной нержавеющей стали марки ПХ17Н2 с размером зерен ≤50 мкм.Alloys of iron with chromium and nickel, compatible in terms of thermal expansion coefficients (KTP) with the anionic conductor YSZ, were proposed as a material for obtaining a two-layer metal porous support layer. To increase the mechanical strength of the support layer, a tube wall thickness of 1 to 2 mm was chosen. In this case, the inner layer with a thickness was formed from a powder larger than 100 μm and had a bulk porosity of 40-60%. This layer provided heat resistance and had minimal shrinkage during annealing at temperatures of 1200-1400 ° C. The upper layer with a thickness of up to 20-50 microns was formed from a powder with a grain size of less than 50 microns and had a bulk porosity of 30-50%. This layer provided quick and high-quality application of functional layers. This primarily relates to the porous anode layer and the gas-tight electrolyte layer. It should be noted that two-layer tubes, in addition to heat resistance and almost complete absence of shrinkage, are also characterized by lower gas resistance due to the high porosity of the inner part of the metal tubes. Such tubes were obtained from ferritic stainless steel grade 14X17H2 with a grain size of 100-160 microns, on which an outer layer was applied based on powders of ferritic stainless steel grade PH17H2 with a grain size of ≤50 microns.

Для получения трубчатого металлического пористого опорного слоя топливного элемента разработан и многократно испытан простой и производительный способ «кварцевой трубы» (фиг.4), являющийся специальной модификацией классического метода порошковой металлургии, привлекательный тем, что в нем используют порошок без каких-либо наполнителей. Это одно из его главных преимуществ перед всеми известными методами формования. Добавление в порошок тех или иных добавок, например, для улучшения его компактируемости на следующих этапах технологии обязательно ставило бы задачу их удаления. Часто удаление примесей оказывается неполным, и это почти всегда приводит к ухудшению функциональных свойств порошкового материала. Обычно оставшиеся примеси охрупчивают материал изделия. Кроме того, для осуществления предлагаемого нами метода требуется минимальный набор приспособлений. Все они легко изготавливаются и все, кроме одной позиции, могут использоваться много раз.To obtain a tubular metal porous support layer of a fuel cell, a simple and efficient “quartz tube” method has been developed and repeatedly tested (Fig. 4), which is a special modification of the classical method of powder metallurgy, attractive in that it uses powder without any fillers. This is one of its main advantages over all known molding methods. The addition of certain additives to the powder, for example, to improve its compactness in the next stages of the technology would necessarily set the task of their removal. Often the removal of impurities is incomplete, and this almost always leads to a deterioration in the functional properties of the powder material. Typically, the remaining impurities embrittle the product material. In addition, the implementation of our proposed method requires a minimum set of devices. All of them are easy to manufacture and all but one item can be used many times.

При сборке конструкции, формирующей порошковую заготовку, две коаксиально расположенные кварцевые трубы, внутренняя из которых выполнена из кварца или нержавеющей стали, а наружная из кварца, образовывали межтрубное пространство, в которое с помощью воронки оригинальной конструкции засыпался порошок нержавеющей стали, после чего проводили предварительное спекание полученной порошковой заготовки внутреннего опорного слоя.When assembling the structure forming the powder billet, two coaxially located quartz tubes, the inner of which is made of quartz or stainless steel, and the outer of quartz, formed an annulus, into which stainless steel powder was poured with the funnel of the original design, after which preliminary sintering was carried out the obtained powder billet inner support layer.

Уплотнение засыпанного порошка проводили на специальном вибростенде.The compaction of the powdered powder was carried out on a special vibrating stand.

Для поддержания заданной формы внутренней поверхности внутреннего опорного слоя внутреннюю кварцевую или металлическую трубу заполняли крупнокристаллическим порошком из окиси алюминия. После этого внутреннюю трубу удаляли.To maintain a given shape of the inner surface of the inner support layer, the inner quartz or metal tube was filled with coarse-grained aluminum oxide powder. After that, the inner tube was removed.

Использование кварцевой трубы не допускало подъем температуры спекания выше 1100°С, так как при более высоких температурах кварц начинал взаимодействовать с порошком нержавеющей стали.The use of a quartz tube did not allow the sintering temperature to rise above 1100 ° C, since at higher temperatures quartz began to interact with stainless steel powder.

Для того чтобы повысить прочностные характеристики и свести до минимума усадку при отжигах, необходимых впоследствии для спекания наносимых на опорный слой функциональных слоев, спекание порошковой заготовки необходимо проводить в два этапа: предварительное спекание порошковой заготовки, которое происходило в кварцевой трубе в потоке водорода при 1050-1100°С, и окончательное спекание, которое производили после извлечения заготовки из кварцевой трубы, в вакууме при температурах 1200-1400°С. Для внутреннего опорного слоя из порошка ферритной нержавеющей стали марки 14Х17Н2 с размером зерен 100-160 мкм оптимальным режимом предварительного спекания является проведение процесса при температуре 1050-1100°С в течение 1-5 ч в потоке водорода.In order to increase the strength characteristics and minimize shrinkage during annealing, which are subsequently necessary for sintering the functional layers deposited on the support layer, sintering of the powder billet must be carried out in two stages: preliminary sintering of the powder billet, which occurred in a quartz tube in a hydrogen stream at 1050 1100 ° C, and the final sintering, which was carried out after removing the preform from the quartz tube, in vacuum at temperatures of 1200-1400 ° C. For the inner supporting layer of 14X17H2 ferritic stainless steel powder with a grain size of 100-160 μm, the optimal pre-sintering mode is to conduct the process at a temperature of 1050-1100 ° C for 1-5 hours in a stream of hydrogen.

Очень полезным было в процессе предварительного спекания внутреннего опорного слоя еще до достижения непосредственно температуры спекания делать выдержку при 350-400°С до прекращения газовыделения.It was very useful in the process of preliminary sintering of the inner support layer, even before the sintering temperature was reached directly, to hold at 350-400 ° C until gas evolution ceased.

Окончательное спекание заготовок внутреннего опорного слоя, которое проводят после извлечения спеченной заготовки из оснастки, при температуре 1200-1400°С в атмосфере водорода, инертного газа или вакууме желательно проводить при постепенном повышении температуры.The final sintering of the blanks of the inner support layer, which is carried out after removing the sintered blank from the tool, at a temperature of 1200-1400 ° C in an atmosphere of hydrogen, inert gas or vacuum, it is desirable to carry out with a gradual increase in temperature.

Проведение окончательного спекания внутреннего опорного слоя при температуре 1400°С позволяло повысить ее прочностные характеристики и сделать ее практически безусадочной при последующих отжигах. В то же время высокотемпературное спекание получаемых пористых трубок в 12-15 раз повышало их механическую прочность, более чем в 2 раза увеличивало проводимость при сохранении открытой пористости более 50%.The final sintering of the inner support layer at a temperature of 1400 ° C made it possible to increase its strength characteristics and make it practically non-shrinking during subsequent annealing. At the same time, high-temperature sintering of the resulting porous tubes increased their mechanical strength by 12–15 times, and increased their conductivity by more than 2 times while maintaining open porosity of more than 50%.

Верхний слой трубчатого металлического пористого опорного слоя топливного элемента, обеспечивающий качество поверхности, необходимое для нанесения пористого композиционного анода и газоплотного электролита, формировался из порошка аналогичного порошку внутреннего опорного слоя, но с размером частиц ≤50 мкм, при этом размер пор образуемого внешнего слоя не превышал 50 мкм и объемная пористость составляла 30-50%.The upper layer of the tubular metal porous support layer of the fuel cell, providing the surface quality necessary for applying the porous composite anode and gas-tight electrolyte, was formed from a powder similar to the powder of the inner support layer, but with a particle size of ≤50 μm, while the pore size of the formed outer layer did not exceed 50 μm and bulk porosity was 30-50%.

В настоящее время мы отработали простой и производительный метод нанесения суспензии из порошка мелкой фракции нержавеющей ферритной стали на основе полиэтиленгликоля, основанный на погружении трубки из стали 14Х17Н2 с размером зерен 100-160 мкм в сосуд с этой суспензией, предварительно интенсивно перемешанной.Currently, we have developed a simple and productive method of applying a suspension of fine powder of a fine fraction of stainless ferritic steel based on polyethylene glycol, based on immersion of a tube made of steel 14X17H2 with a grain size of 100-160 μm in a vessel with this suspension, previously intensively mixed.

Формирование внешнего опорного слоя осуществляли из порошка ферритной нержавеющей стали марки ПХ17Н2 с размерами частиц менее 5 мкм.The formation of the outer support layer was carried out from a powder of ferritic stainless steel grade ПХ17Н2 with particle sizes less than 5 μm.

Порошок фракции ≤50 мкм получали заблаговременно просеиванием порошка нержавеющей стали марки ПХ17Н2, имеющего основную массу частиц размером ≤60 мкм, а по техническим условиям 100 и менее микрон, через сито с просветом ячейки 50 мкм.A powder of a fraction of ≤50 μm was obtained in advance by sifting a powder of stainless steel grade ПХ17Н2, having a bulk of particles with a size of ≤60 μm, and, according to specifications, 100 or less microns, through a sieve with a cell lumen of 50 μm.

После нанесения суспензии производилась сушка трубок в сушильном шкафу при температуре 140-160°С в течение 10-12 ч на воздухе. После сушки проводился вакуумный отжиг трубок по режиму: нагрев до 950°С за 2 ч, далее нагрев до 1150°С за 1,5 ч и выдержка в течение 2 ч.After applying the suspension, the tubes were dried in an oven at a temperature of 140-160 ° C for 10-12 hours in air. After drying, the tubes were vacuum annealed according to the regime: heating to 950 ° C in 2 hours, then heating to 1150 ° C in 1.5 hours and holding for 2 hours.

Альтернативно формирование на поверхности заготовок внутреннего опорного слоя внешнего слоя можно производить засыпкой порошка в межтрубное пространство, образованное коаксиально расположенными дополнительной внешней кварцевой трубой и заготовкой внутреннего опорного слоя, с последующим спеканием всей заготовки в атмосфере водорода.Alternatively, the formation of the inner support layer of the outer layer on the surface of the blanks can be accomplished by filling the powder into the annulus formed by coaxially arranged additional outer quartz tube and the blank of the inner support layer, followed by sintering of the entire blank in a hydrogen atmosphere.

При использовании порошка ферритной нержавеющей стали марки ПХ17Н2 спекание заготовки двухслойной опоры проводили в две стадии: при температуре 1050-1100°С в течение 1-5 ч, затем заготовку извлекали из оснастки и проводили спекание при температуре, равной 1200-1400°С, в течение 1-3 ч в атмосфере водорода, инертного газа или вакууме.When using ferrite stainless steel powder ПХ17Н2, the sintering of the bilayer support was carried out in two stages: at a temperature of 1050-1100 ° С for 1-5 hours, then the workpiece was removed from the equipment and sintering was performed at a temperature of 1200-1400 ° С, in for 1-3 hours in an atmosphere of hydrogen, inert gas or vacuum.

После первоначального спекания трубчатого металлического пористого опорного слоя при Т=1400°С плотность трубок возросла до 3,4-4,0 г/см3, а пористый слой, полученный из порошка с размером частиц 100-160 мкм, имел кажущуюся плотность, равную ~2,9 г/см3, и открытую пористость на уровне 60%. После высокотемпературного окончательного спекания заготовок в вакууме при 1200°С - уменьшилась до 48-55%.After the initial sintering of the tubular metal porous support layer at T = 1400 ° C, the density of the tubes increased to 3.4-4.0 g / cm 3 and the porous layer obtained from a powder with a particle size of 100-160 μm had an apparent density equal to ~ 2.9 g / cm 3 and an open porosity of 60%. After high-temperature final sintering of the billets in vacuum at 1200 ° С - it decreased to 48-55%.

Прочность такого трубчатого металлического пористого опорного слоя определялась из испытаний образцов на 3-точечный изгиб. Образцы шириной 3-4 мм и длиной 40 мм вырезались из стенок трубок на станке для искровой резки металлов. Испытания проводили при комнатной температуре и 500°С. Прочность на изгиб после спекания при 1200°С, независимо от температуры испытания, была не выше 5-10 МПа. После спекания при 1400°С прочность повысилась до 30-40 и 55-65 МПа соответственно для испытаний при 500°С и комнатной температуре.The strength of such a tubular metallic porous support layer was determined from testing samples for 3-point bending. Samples 3-4 mm wide and 40 mm long were cut from the walls of the tubes on a machine for spark cutting of metals. The tests were carried out at room temperature and 500 ° C. The bending strength after sintering at 1200 ° C, regardless of the test temperature, was not higher than 5-10 MPa. After sintering at 1400 ° C, the strength increased to 30-40 and 55-65 MPa, respectively, for testing at 500 ° C and room temperature.

Электрическое сопротивление трубок измерялось четырехконтактным способом при пропускании через токовые концы 3 А. Измерения проводились при комнатной температуре на установке, изготовленной в ИФТТ РАН. Электросопротивление при увеличении температуры спекания монотонно уменьшалось с 4 мОм/см при 1200°С до 1,2-2,2 мОм/см при 1400°С.The electric resistance of the tubes was measured by a four-contact method when passing through the current ends of 3 A. The measurements were carried out at room temperature on a device manufactured at the Institute of Physics and Technology of the Russian Academy of Sciences. With increasing sintering temperature, the electrical resistance monotonically decreased from 4 mOhm / cm at 1200 ° C to 1.2-2.2 mOhm / cm at 1400 ° C.

Изготовление трубчатого ТОТЭ с металлической опорой проводили по схеме, указанной на фиг.3.The manufacture of tubular SOFC with a metal support was carried out according to the scheme indicated in figure 3.

Первым функциональным слоем, который наносили на опорный слой, является анодный слой, выполненный из кермета Ni-YSZ.The first functional layer to be applied to the support layer is an anode layer made of Ni-YSZ cermet.

Нами был оптимизирован состав порошков, используемых для получения кермета Ni-YSZ.We have optimized the composition of the powders used to obtain Ni-YSZ cermet.

Получение соединения YSZGetting connection YSZ

1. Экстракция циркония.1. Extraction of zirconium.

13,2 г циркония азотнокислого растворяют в 50 мл воды.13.2 g of zirconium nitrate are dissolved in 50 ml of water.

Водный раствор нитрата смешивают с 50 мл 2-ЭГК.An aqueous solution of nitrate is mixed with 50 ml of 2-EHC.

Экстракция проводится при добавлении аммиачной воды до рН 5 и при перемешивании механической мешалкой. Время экстракции - 0,5 ч.Extraction is carried out by adding ammonia water to pH 5 and stirring with a mechanical stirrer. The extraction time is 0.5 hours

Разделение фаз в делительной воронке с отстаиванием в течение суток.Separation of phases in a separatory funnel with sedimentation during the day.

Обезвоживание органической фазы в вакууме при 105°С.Dehydration of the organic phase in vacuo at 105 ° C.

2. Экстракция иттрия.2. Extraction of yttrium.

124 г иттрия азотнокислого растворяют в воде до объема раствора 180 мл.124 g of yttrium nitrate are dissolved in water to a solution volume of 180 ml.

Водный раствор нитрата смешивают с 360 мл 2-ЭГК.An aqueous solution of nitrate is mixed with 360 ml of 2-EHC.

Экстракция проводится при добавлении 57 мл аммиачной воды до рН 5 и при перемешивании механической мешалкой. Время экстракции - 2 ч.Extraction is carried out by adding 57 ml of ammonia water to pH 5 and stirring with a mechanical stirrer. The extraction time is 2 hours.

Разделение фаз в делительной воронке с отстаиванием в течение 12 ч.Phase separation in a separatory funnel with settling for 12 hours

3. Экстракция никеля.3. Nickel extraction.

20 г никеля азотнокислого растворяют в воде до объема раствора 420 мл.20 g of nickel nitrate are dissolved in water to a solution volume of 420 ml.

Водный раствор нитрата смешивают с 280 мл 2-ЭГК.An aqueous solution of nitrate is mixed with 280 ml of 2-EHC.

Экстракция проводится при добавлении аммиачной воды до рН 4,44 и при перемешивании механической мешалкой. Время экстракции - 1 ч.Extraction is carried out by adding ammonia water to a pH of 4.44 and stirring with a mechanical stirrer. The extraction time is 1 hour.

Разделение фаз в делительной воронке с отстаиванием в течение 12 ч.Phase separation in a separatory funnel with settling for 12 hours

Обезвоживание органической фазы в вакууме при 105-108°С.Dehydration of the organic phase in vacuum at 105-108 ° C.

Приготовление металлорганических комплексовPreparation of organometallic complexes

Синтез металлоорганических комплексов осуществляли экстракционным методом в двухфазной системе водный раствор нитрата металла - органическая кислота. Реакция протекает по обменному механизму:The synthesis of organometallic complexes was carried out by the extraction method in a two-phase system of an aqueous solution of a metal nitrate - an organic acid. The reaction proceeds according to the exchange mechanism:

(Mn+)водн.+СН3(СН2)3СН(С2Н5)СООН→М[СН3(СН2)3СН(С2Н5)СОО]n+nH+,(Mn + ) aq. + CH 3 (CH 2 ) 3 CH (C 2 H 5 ) COOH → M [CH 3 (CH 2 ) 3 CH (C 2 H 5 ) COO] n + nH + ,

где Mn4 - n-валентный катион металла, n=2, 3. Экстракцию проводили из кислых и слабокислых растворов. Для поддержания рН среды использовали водный раствор NH4OH. Время экстракции - 30-60 мин. Разделение водной и органической фазы проводили в термостатируемой делительной воронке при подогреве до определенной температуры с целью более эффективного разделения фаз. В некоторых случаях дополнительно проводили центрифугирование экстракта для удаления остаточной водной фазы. Концентрацию полученного продукта определяли гравиметрическим методом после прокаливания определенной навески экстракта. Методами дифференциального термического анализа (ДТА) и термогравиометрического анализа (ТГА) изучены основные термические превращения полученных комплексов в области температур 20-530°С. Начало разложения сопровождалось небольшим выделением тепла, вероятно, за счет протекающего гидролиза. Дальнейшее разложение протекало с поглощением тепла. На термограммах этим процессам отвечали экзо- и эндотермические пики и потеря массы при температурах 90-510°С. Исходя из концентраций растворов Zr и Y в экстрактах (ZrO2 - 100 г/кг и Y2O3 - 84.6 г/кг), их смешивали в расчетных пропорциях и прогревали в течение 1 ч при 105-108°С. Визуально никаких изменений не наблюдалось, дополнительная осушка не проводилась.where Mn 4 is the n-valent metal cation, n = 2, 3. Extraction was carried out from acidic and slightly acidic solutions. An aqueous solution of NH 4 OH was used to maintain the pH of the medium. The extraction time is 30-60 minutes. The separation of the aqueous and organic phases was carried out in a thermostatically controlled separatory funnel when heated to a certain temperature in order to more effectively separate the phases. In some cases, the extract was further centrifuged to remove the residual aqueous phase. The concentration of the obtained product was determined by the gravimetric method after calcining a specific sample of the extract. Using the methods of differential thermal analysis (DTA) and thermograviometric analysis (TGA), we studied the main thermal transformations of the obtained complexes in the temperature range of 20-530 ° C. The onset of decomposition was accompanied by a small heat release, probably due to proceeding hydrolysis. Further decomposition proceeded with absorption of heat. On thermograms, these processes corresponded to exothermic and endothermic peaks and weight loss at temperatures of 90-510 ° C. Based on the concentrations of Zr and Y solutions in the extracts (ZrO 2 - 100 g / kg and Y 2 O 3 - 84.6 g / kg), they were mixed in the calculated proportions and heated for 1 h at 105-108 ° С. Visually, no changes were observed, additional drying was not carried out.

Ниже приведены конкретные примеры получения металлорганических комплексов указанным выше методом.The following are specific examples of the preparation of organometallic complexes by the above method.

1. Смесь Zr(IV) и Y(II)-органических экстрактов.1. A mixture of Zr (IV) and Y (II) -organic extracts.

Состав 19YSZ (81 мас.% ZrO2+19 мас.% Y2О3).Composition 19YSZ (81 wt.% ZrO 2 +19 wt.% Y 2 About 3 ).

В колбу помещают 81 г Zr(IV)-экстракта с содержанием ZrO2, равным 11 мас.%.81 g of a Zr (IV) extract with a ZrO 2 content of 11% by weight are placed in the flask.

Добавляют 29,3 г Y(III)-экстракта с содержанием Y2О3, равным 7,14 мас.%.29.3 g of Y (III) extract are added with a Y 2 O 3 content of 7.14 wt.%.

Перемешивание с нагревом при 105°С в течение 5 мин.Stirring with heating at 105 ° C for 5 minutes

2. Смесь Ni(II), Zr(IV) и Y (III)-органических экстрактов.2. A mixture of Ni (II), Zr (IV) and Y (III) -organic extracts.

Состав NiO (50 мас.%)+19YSZ (50 мас.%).Composition NiO (50 wt.%) + 19YSZ (50 wt.%).

В колбу помещают 73,6 г Zr(IV)-экстракта с содержанием ZrO2, равным 11 мас.%.73.6 g of a Zr (IV) extract with a ZrO 2 content of 11% by weight are placed in the flask.

Добавляют 26,6 г Y(III)-экстракта с содержанием Y2О3, равным 7,14 мас.%.26.6 g of Y (III) extract was added with a Y 2 O 3 content of 7.14 wt.%.

Добавляют 89,2 г Ni(II)-экстракта с содержанием NiO, равным 11,2 мас.%.89.2 g of Ni (II) extract was added with a NiO content of 11.2 wt.%.

Перемешивание с нагревом при 105°С в течение 5 мин.Stirring with heating at 105 ° C for 5 minutes

Подходящим способом покрытия опорного слоя слоем анода является покрытие погружением, при котором опорный слой погружают в сосуд, содержащий суспензию порошковой смеси NiO-YSZ на основе полиэтиленгликоля, что само по себе известно. Альтернативно первый слой композиционного анода наносили по методу окрашивания, что само по себе известно, с использованием пасты, приготовленной на основе полиэтиленгликоля и порошков NiO (60 об.%) и YSZ (40 об.%).A suitable method for coating the support layer with the anode layer is by immersion coating, in which the support layer is immersed in a vessel containing a suspension of a powder mixture of NiO-YSZ based on polyethylene glycol, which is known per se. Alternatively, the first layer of the composite anode was applied by the staining method, which is known per se using a paste prepared on the basis of polyethylene glycol and powders NiO (60 vol.%) And YSZ (40 vol.%).

После нанесения пасты производилась сушка трубок в сушильном шкафу при температуре 150-170°С в течение 10 ч. После сушки на поверхности пористых трубок получалось покрытие, заполняющее поры верхнего слоя двухслойной металлической трубки. Получаемое покрытие обладало достаточной механической прочностью, позволявшей проводить полировку поверхностного слоя покрытия с целью сглаживания неровностей и шероховатостей. После операции полировки проводился отжиг в вакууме керамического анода по режиму: нагрев до 1160°С за 3 ч и выдержка в течение 2,5 ч при этой температуреAfter applying the paste, the tubes were dried in an oven at a temperature of 150-170 ° C for 10 hours. After drying, a coating was formed on the surface of the porous tubes, filling the pores of the upper layer of a two-layer metal tube. The resulting coating had sufficient mechanical strength, allowing polishing of the surface layer of the coating in order to smooth out irregularities and roughnesses. After the polishing operation, the ceramic anode was annealed in vacuum according to the regime: heating to 1160 ° С for 3 h and holding for 2.5 h at this temperature

Ограничение по температуре и по составу атмосферы отжига связаны с необходимостью предотвращения окисления поверхности ферритной нержавеющей стали.The temperature and composition of the annealing atmosphere are limited by the need to prevent oxidation of the surface of ferritic stainless steel.

Разработанный способ позволил получать гладкие керамические слои Ni-YSZ. Получаемые слои характеризуются отсутствием трещин и равномерным распределением пор с характерным размером около 1-3 мкм.The developed method allowed to obtain smooth ceramic layers of Ni-YSZ. The resulting layers are characterized by the absence of cracks and uniform pore distribution with a characteristic size of about 1-3 microns.

Для получения газоплотных слоев анионного проводника YSZ нами была применена технология, основанная на термолизе металлорганических комплексов. Нанесение металлорганических комплексов на несущие пористые ферритные трубки осуществлялось с помощью установки для нанесения жидких металлоорганических соединений на цилиндрические поверхности «УФТС-3» при использовании раствора металлорганических комплексов Zr и Y (19 мас.% Y). Проведенные рентгеноструктурные и электронно-микроскопические исследования показали, что получаемые пленки анионного проводника YSZ имели аморфную или нанокристаллическую структуру. Для получения газоплотных керамических пленок проводили отжиг пленки YSZ, получаемой методом термолиза металлорганических комплексов. Наличие поддерживающей ферритной трубки диктует необходимость изменить традиционные методы спекания в воздушной атмосфере и перейти к спеканию керамики в вакууме.To obtain gas-tight layers of the YSZ anion conductor, we used a technology based on the thermolysis of organometallic complexes. Organometallic complexes were deposited onto porous ferritic tubes using an apparatus for applying liquid organometallic compounds to cylindrical surfaces of UFTS-3 using a solution of organometallic complexes Zr and Y (19 wt.% Y). X-ray diffraction and electron microscopy studies showed that the obtained films of the YSZ anion conductor had an amorphous or nanocrystalline structure. To obtain gas-tight ceramic films, the YSZ film obtained by the thermolysis of organometallic complexes was annealed. The presence of a supporting ferrite tube dictates the need to change the traditional methods of sintering in an air atmosphere and switch to ceramic sintering in vacuum.

Операции по спеканию керамических слоев проводили в горизонтальной печи сопротивления СНВЭ, имеющей вольфрамовые нагреватели. Печь была приспособлена как для работы в вакууме (10-5 мм рт.ст), так и в токе аргона и/или водорода. Проведенные нами исследования показали, что получаемые при термолизе слои толщиной более 0,2 мкм при синтезе в вакууме покрываются крупными трещинами и были не пригодны для дальнейшего использования. В то же время уменьшение толщины получаемых при термолизе пленок до 0,15 мкм и менее приводило к режиму «навязанной усадки» при спекании, сопровождающемуся усадкой керамики поперек пленки и отсутствием усадки в плоскости пленки. Для получения газоплотных керамических пленок YSZ нами была проведена оптимизация температурных режимов спекания тонких пленок YSZ, получаемых методом термолиза металлорганических комплексов. Проведенные исследования показали, что при толщине получаемых при термолизе пленок порядка 0,15 мкм и их отжиге при температуре 1150-1200°С в течение 2,5 часов получались плотные керамические слои без микротрещин. При указанном режиме спекания размер зерен в каждом последующем слое увеличивался, достигая в плоскости пленки 2-3 мкм. Требуемые толщины электролита ~20 мкм могли быть получены в результате 10-15 циклов нанесения слоев электролита с последующими после каждого нанесения слоя электролита отжигами в вакууме.Sintering of ceramic layers was carried out in a horizontal resistance-to-heat resistance furnace with tungsten heaters. The furnace was adapted both to work in vacuum (10 -5 mm Hg) and in a stream of argon and / or hydrogen. Our studies showed that the layers obtained by thermolysis with a thickness of more than 0.2 μm during synthesis in vacuum are covered by large cracks and were not suitable for further use. At the same time, a decrease in the thickness of films obtained by thermolysis to 0.15 μm or less led to the “forced shrinkage” mode during sintering, which is accompanied by shrinkage of the ceramics across the film and the absence of shrinkage in the film plane. To obtain gas-tight YSZ ceramic films, we optimized the temperature conditions of sintering of thin YSZ films obtained by thermolysis of organometallic complexes. The studies showed that with a thickness of the films obtained by thermolysis of the order of 0.15 μm and their annealing at a temperature of 1150-1200 ° C for 2.5 hours, dense ceramic layers without microcracks were obtained. Under the indicated sintering regime, the grain size in each subsequent layer increased, reaching 2–3 μm in the film plane. The required electrolyte thicknesses of ~ 20 μm could be obtained as a result of 10-15 cycles of deposition of electrolyte layers, followed by vacuum annealing after each deposition of an electrolyte layer.

Из литературных данных известно, что катодные материалы семейства La-Sr-Mn-О при спекании электрода с YSZ-подложкой могут образовывать плохопроводящие фазы: SrZr-О3 и La2Zr2O7. Поэтому для предотвращения реакции катода с YSZ эти слои были разделены защитным слоем Ce0,8Gd0,2O3 (GDC). Этот материал обладает высокой ионной проводимостью, близким с остальными элементами коэффициентом линейного термического расширения (12,1×10-6К-1) и не реагирует ни с материалом катода, ни с YSZ-подложкой. Но в восстановительной атмосфере GDC теряет кислород. Этот процесс сопровождается ростом электронного тока и охрупчиванием материала, что не позволяет использовать его для изготовления газоплотных мембран ТОТЭ. Довольно большая пористость GDC-слоя связана с трудностью спекания этого материала. Но для защитного подслоя это не так критично.From literature data it is known that the cathode materials of the La-Sr-Mn-O family when sintering an electrode with a YSZ substrate can form poorly conducting phases: SrZr-O 3 and La 2 Zr 2 O 7 . Therefore, to prevent the cathode from reacting with YSZ, these layers were separated by a protective layer of Ce 0.8 Gd 0.2 O 3 (GDC). This material has high ionic conductivity, which is close to the other elements by a coefficient of linear thermal expansion (12.1 × 10 -6 K -1 ) and does not react with either the cathode material or the YSZ substrate. But in a reducing atmosphere, the GDC loses oxygen. This process is accompanied by an increase in the electron current and embrittlement of the material, which does not allow its use for the manufacture of gas-tight SOFC membranes. The rather large porosity of the GDC layer is associated with the difficulty of sintering this material. But for the protective sublayer, this is not so critical.

Проведенные нами исследования показали, что использование защитного GDC-подслоя с LSM-катодом, в сравнении с ТОТЭ без подслоя, дает увеличение пиковой снимаемой с ТОТЭ мощности более чем в 5 раз. Защитный слой может быть нанесен на слой электролита методом термолиза соответствующих металлоорганических комплексов с их последующим разложением или методом погружения в суспензию порошка GDC (Ce0.8Gd0.2O) в полиэтиленгликоле.Our studies showed that the use of a protective GDC sublayer with an LSM cathode, in comparison with a SOFC without a sublayer, gives an increase in the peak power removed from SOFC by more than 5 times. The protective layer can be applied to the electrolyte layer by thermolysis of the corresponding organometallic complexes with their subsequent decomposition or by immersion in a suspension of GDC powder (Ce 0.8 Gd 0.2 O) in polyethylene glycol.

В настоящее время в качестве катодного материала для ТОТЭ широко используются сложные оксиды семейства La-Sr-Mn-О, наиболее применимый из которых La0,8Sr0,2MnO3 (LSM). Он обладает близкой величиной коэффициента линейного термического расширения (КЛТР), равной 12,3×10-6К-1, с КЛТР для анионного проводника YSZ, равным 10,8×10-6К-1, используемого в качестве мембраны, хорошей электронной проводимостью (~200 S·ст-1 при 900°С) и высокой активностью к диссоциации газообразного кислорода. В то же время анионная проводимость LSM низка (10-7 S·ст-1 при 900°С), что ограничивает применимость этого материала, в особенности для ТОТЭ, работающих в области средних температур (500-700°С). Соединения были синтезированы «Sol gel»-методом, что само по себе известно.Currently, complex oxides of the La-Sr-Mn-O family are widely used as cathode materials for SOFC, the most applicable of which is La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM). It has a close value of the coefficient of linear thermal expansion (CTE) equal to 12.3 × 10 -6 K -1 , with a CTE for the anionic conductor YSZ equal to 10.8 × 10 -6 K -1 used as a membrane, a good electron conductivity (~ 200 S · st -1 at 900 ° C) and high activity to dissociation of gaseous oxygen. At the same time, the anionic conductivity of LSM is low (10 -7 S · st -1 at 900 ° C), which limits the applicability of this material, especially for SOFCs operating in the medium temperature range (500-700 ° C). The compounds were synthesized by the Sol gel method, which is known per se.

Для синтеза твердых растворов состава La0,8Sr0,2MnO3 (LSM) в качестве исходных веществ использовали соответствующие нитраты, смесь которых растворяли в лимонной кислоте, добавив еще 5%-ный раствор поливинилового спирта. Полученный раствор был испарен при интенсивном перемешивании при температуре 300°С. При этом происходил частичный распад солей с образованием соответствующих окислов. Окончательное разложение проводилось при 700°С в течение 5 ч на воздухе до полного сжигания остаточных органических веществ. Далее полученный порошок в среде этилового спирта размалывали с использованием планетарной мельницы, сушили и отжигали.For the synthesis of solid solutions of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (LSM) composition, the corresponding nitrates were used as starting materials, the mixture of which was dissolved in citric acid, adding another 5% solution of polyvinyl alcohol. The resulting solution was evaporated with vigorous stirring at a temperature of 300 ° C. In this case, partial decomposition of salts occurred with the formation of the corresponding oxides. The final decomposition was carried out at 700 ° C for 5 h in air until the residual organic matter was completely burned. Next, the obtained powder in ethanol was milled using a planetary mill, dried and annealed.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки формулы изобретения.Although a preferred embodiment of the invention has been described, it is clear that those skilled in the art may make changes and additions that do not, however, fall outside the scope of the claims.

Для проведения испытаний ТОТЭ планарной и трубчатой геометрии в ИФТТ РАН были спроектированы и изготовлены два испытательных газовых стенда. Данные установки позволяли изменять составы и скорости газовых потоков в катодных и анодных камерах.To test the SOFC of planar and tubular geometry at the Institute of Physics and Technology of the Russian Academy of Sciences, two gas test benches were designed and manufactured. These installations made it possible to change the compositions and velocities of gas flows in the cathode and anode chambers.

Для измерения вольтамперных характеристик использовался четырехконтактный метод. В ИФТТ РАН было собрано устройство, позволяющее поддерживать постоянным заданный ток и, таким образом, измерять вольтамперные характеристики с точностью до сотен нановольт. Для задания тока на УСТ используется ГСПФ-052 (ЦАП), а для снятия значений потенциала - ЛА-1.5РСI (АЦП).To measure the current-voltage characteristics, the four-contact method was used. A device was assembled at the Institute of Theoretical Physics and Technology, which makes it possible to maintain a constant current and, therefore, measure current-voltage characteristics with an accuracy of hundreds of nanovolts. GSPF-052 (DAC) is used to set the current to the UST, and LA-1.5RSI (ADC) to take the potential values.

Приведенные испытания подтвердили создание ТОТЭ трубчатой конструкции с электрической мощностью более 0,25 ватт/см2 при рабочих температурах 700-800°С, в которых трубчатый металлический пористый опорный слой обладает повышенной механической прочностью и уменьшенным электросопротивлением при сохранении высокой пористости.The above tests confirmed the creation of a SOFC of a tubular structure with an electric power of more than 0.25 watts / cm 2 at operating temperatures of 700-800 ° C, in which the tubular metal porous support layer has increased mechanical strength and reduced electrical resistance while maintaining high porosity.

Claims (30)

1. Трубчатый твердооксидный топливный элемент с металлической опорой, содержащий трубчатый металлический пористый опорный слой, имеющий механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него, трубчатый пакет из функциональных слоев в концентрическом граничном контакте с опорным слоем, который содержит в концентрическом расположении керметный слой внутреннего электрода, керамический средний слой электролита и керамический слой внешнего электрода, отличающийся тем, что металлический пористый опорный слой выполнен, по крайней мере, двухслойным из порошков металлов, устойчивых к окислению при температуре 700-900°С, или их сплавов, причем внутренний слой опорного слоя обладает минимальной усадкой в процессе отжигов при температурах 1200-1400°С, а верхний слой опорного слоя способствует быстрому и качественному нанесению функциональных слоев, и трубчатый пакет из функциональных слоев дополнительно содержит защитный слой, причем в пакете функциональные слои расположены в следующей последовательности: анодный слой, слой газоплотного электролита, защитный слой и катодный слой.1. Tubular solid oxide fuel cell element with a metal support, comprising a tubular metal porous support layer having a mechanical strength sufficient to support a stack of functional layers, and a porosity sufficient to allow a reagent flow to flow through it, a tubular pack of functional layers in concentric boundary contact with the support layer, which contains in a concentric arrangement the cermet layer of the inner electrode, the ceramic middle layer of electrolyte This and the ceramic layer of the outer electrode, characterized in that the porous metal support layer is made of at least two layers of metal powders that are resistant to oxidation at a temperature of 700-900 ° C, or their alloys, and the inner layer of the support layer has minimal shrinkage in the annealing process at temperatures of 1200-1400 ° C, and the upper layer of the support layer contributes to the rapid and high-quality deposition of functional layers, and the tubular package of functional layers additionally contains a protective layer, and in the functional nye layers arranged in the following sequence: an anode layer, an electrolyte gas-tight, protective layer and the cathode layer. 2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр металлического пористого опорного слоя равен 8-12 мм, а толщина 1-2 мм.2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the inner diameter of the metal porous support layer is 8-12 mm, and the thickness is 1-2 mm. 3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что общая толщина пакета из функциональных слоев меньше или равна 52 мкм.3. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the total thickness of the package of functional layers is less than or equal to 52 microns. 4. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что анодный слой выполнен из пористого кермета никель-диоксид циркония, стабилизированный диоксидом иттрия, и имеет толщину, равную 20 мкм.4. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the anode layer is made of porous nickel-zirconia cermet stabilized with yttrium dioxide and has a thickness of 20 μm. 5. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что слой газоплотного электролита выполнен из диоксида циркония, стабилизированного диоксидом иттрия, и имеет толщину, равную 10 мкм.5. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the gas-tight electrolyte layer is made of yttrium stabilized zirconia and has a thickness of 10 μm. 6. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что защитный слой выполнен из GDC (Ce0,8Cd0,2О) и имеет толщину, равную 2 мкм.6. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the protective layer is made of GDC (Ce 0.8 Cd 0.2 O) and has a thickness of 2 μm. 7. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что катодный слой выполнен из манганата лантана, легированного стронцием и имеет толщину, равную 20 мкм.7. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the cathode layer is made of lanthanum manganate doped with strontium and has a thickness of 20 μm. 8. Трубчатый металлический пористый опорный слой топливного элемента, имеющий механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него, отличающийся тем, что он выполнен, по крайней мере, двухслойным, из порошков металлов, устойчивых к окислению при температуре 700-900°С, или их сплавов, причем внутренний слой опорного слоя обладает минимальной усадкой в процессе отжигов при температурах 1200-1400°С, а верхний слой опорного слоя способствует быстрому и качественному нанесению функциональных слоев.8. A tubular metal porous support layer of a fuel cell having mechanical strength sufficient to support a stack of functional layers and porosity sufficient to allow the flow of reagent to flow through it, characterized in that it is made at least , two-layer, from metal powders resistant to oxidation at a temperature of 700-900 ° C, or their alloys, the inner layer of the support layer having minimal shrinkage during annealing at temperatures of 1200-1400 ° C, and the upper layer of supports th layer facilitates rapid application quality and functional layers. 9. Трубчатый металлический пористый опорный слой топливного элемента по п.8, отличающийся тем, что размеры пор внутреннего слоя превышают 100 мкм и объемная пористость составляет 40-60%, в то время как размеры пор внешнего слоя не превышают 50 мкм и объемная пористость составляет 30-50%.9. The tubular metal porous support layer of the fuel cell according to claim 8, characterized in that the pore sizes of the inner layer exceed 100 microns and the bulk porosity is 40-60%, while the pore sizes of the outer layer do not exceed 50 microns and the bulk porosity 30-50%. 10. Трубчатый металлический пористый опорный слой топливного элемента по п.8, отличающийся тем, что внутренний слой металлического пористого опорного слоя выполнен из порошка ферритной нержавеющей стали и имеет размеры пор 100-160 мкм.10. The tubular metal porous support layer of the fuel cell according to claim 8, characterized in that the inner layer of the metal porous support layer is made of ferritic stainless steel powder and has pore sizes of 100-160 μm. 11. Трубчатый металлический пористый опорный слой топливного элемента по п.10, отличающийся тем, что внутренний слой выполнен из нержавеющей стали марки 14Х17Н2.11. The tubular metal porous support layer of the fuel cell according to claim 10, characterized in that the inner layer is made of stainless steel grade 14X17H2. 12. Трубчатый металлический пористый опорный слой топливного элемента по п.8, отличающийся тем, что внешний слой металлического пористого опорного слоя выполнен из порошка ферритной нержавеющей стали марки ПХ17Н2.12. The tubular metal porous support layer of the fuel cell according to claim 8, characterized in that the outer layer of the metal porous support layer is made of ferrite stainless steel powder ПХ17Н2. 13. Способ изготовления трубчатого твердооксидного топливного элемента с металлической опорой, который включает в себя следующие операции: (а) изготовление, по крайней мере, двухслойного металлического пористого опорного слоя из порошков металлов, устойчивых к окислению при температуре 700-900°С, или их сплавов, имеющего механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать пакет из функциональных слоев, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него, внутренний слой которого обладает минимальной усадкой в процессе отжигов при температурах 1200-1400°С, а верхний слой опорного слоя обеспечивает быстрое и качественное нанесение функциональных слоев, (б) покрытие опорного слоя по методу окрашивания или погружения анодным слоем из пористого кермета никель-диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия; (в) покрытие анодного слоя слоем газоплотного электролита из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия методом термолиза металлоорганических комплексов; (г) покрытие слоя электролита защитным слоем Ce0,8Gd0,2О; (д) покрытие защитного слоя катодным слоем из манганата лантана, легированного стронцием методом окрашивания.13. A method of manufacturing a tubular solid oxide fuel cell with a metal support, which includes the following operations: (a) the manufacture of at least a two-layer metal porous support layer of metal powders resistant to oxidation at a temperature of 700-900 ° C, or alloys having a mechanical strength sufficient to support a stack of functional layers, and a porosity sufficient to allow a reagent stream to flow through it, the inner layer of which has by shrinkage during annealing at temperatures of 1200-1400 ° C, and the upper layer of the support layer provides fast and high-quality deposition of functional layers, (b) coating the support layer by dyeing or immersion with an anode layer of porous nickel-zirconia cermet stabilized with yttrium oxide ; (c) coating the anode layer with a layer of a gas-tight electrolyte from zirconia stabilized with yttrium oxide by the method of thermolysis of organometallic complexes; (d) coating the electrolyte layer with a protective layer of Ce 0.8 Gd 0.2 O; (e) coating the protective layer with a cathode layer of lanthanum manganate doped with strontium by the staining method. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что анодный слой наносят на опорный слой в виде покрытия с использованием пасты или суспензии, приготовленных на основе полиэтиленгликоля и порошковой смеси состава 60 об.% NiO и 40 об.% диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, с последующей сушкой нанесенного слоя при температуре 145-155°С в течение 10-15 ч, затем полученную заготовку отжигают в вакууме по режиму: нагрев до 1100°С за 3,5-4 ч и выдержка при этой температуре в течение 2 ч.14. The method according to item 13, wherein the anode layer is applied to the support layer in the form of a coating using a paste or suspension prepared on the basis of polyethylene glycol and a powder mixture of 60 vol.% NiO and 40 vol.% Zirconia stabilized with oxide yttrium, followed by drying of the applied layer at a temperature of 145-155 ° C for 10-15 hours, then the resulting preform is annealed in vacuum according to the regime: heating to 1100 ° C for 3.5-4 hours and holding at this temperature for 2 h 15. Способ по п.13, отличающийся тем, что слой электролита получают послойным нанесением коллоидного диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, состава ZrO2 - 8 мол.% Y2O3 на анодный слой с последующим отжигом каждого слоя в вакууме при 1150-1200°С в течение 2,5 ч.15. The method according to item 13, wherein the electrolyte layer is obtained by layer-by-layer deposition of colloidal zirconia stabilized with yttrium oxide, ZrO 2 composition - 8 mol.% Y 2 O 3 on the anode layer, followed by annealing of each layer in vacuum at 1150- 1200 ° C for 2.5 hours 16. Способ по п.13, отличающийся тем, что защитный слой наносят на слой электролита в виде покрытия из металлоорганических комплексов Gd и Се карбоновой кислоты (2-этилгексановая кислота (2-ЭГК) (99%), C8H16O2, СН3(СН2)3СН(С2Н5)СООН) с их последующим термолизом или методом погружения в суспензию порошка (Ce0,8Gd0,2O) в полиэтиленгликоле, с последующим отжигом слоя в вакууме при 1150-1200°С в течение 2,5 ч.16. The method according to p. 13, characterized in that the protective layer is applied to the electrolyte layer in the form of a coating of organometallic complexes of Gd and Ce carboxylic acid (2-ethylhexanoic acid (2-EHC) (99%), C 8 H 16 O 2 , CH 3 (CH 2 ) 3 CH (C 2 H 5 ) COOH) followed by thermolysis or by immersion in a suspension of powder (Ce 0.8 Gd 0.2 O) in polyethylene glycol, followed by annealing of the layer in vacuo at 1150- 1200 ° C for 2.5 hours 17. Способ по п.13, отличающийся тем, что катодный слой получают методом погружения в суспензию порошка из твердых растворов манганата лантана, легированного стронцием состава La0.8Si0.2MnO3.17. The method according to p. 13, characterized in that the cathode layer is obtained by immersion in a suspension of powder from solid solutions of lanthanum manganate doped with strontium composition La 0.8 Si 0.2 MnO 3 . 18. Способ получения трубчатого металлического пористого опорного слоя топливного элемента, включающий выполнение следующих операций: формирование внутреннего опорного слоя засыпкой порошка из, по крайней мере, одного металла или его сплава, с размером частиц, превышающим 100 мкм, в межтрубное пространство, образованное коаксиально расположенными трубами, внутренняя из которых выполнена из кварца или нержавеющей стали, а наружная из кварца; предварительное спекание полученных порошковых заготовок в атмосфере водорода; извлечение спеченной заготовки из оснастки; проведение окончательного спекания заготовок внутреннего опорного слоя в атмосфере водорода, инертного газа или вакууме при температуре 1200-1400°С; формирование на поверхности заготовок внутреннего опорного слоя внешнего слоя из порошка, аналогичного порошку внутреннего опорного слоя, но с размером частиц ≤50 мкм.18. A method of obtaining a tubular metal porous support layer of a fuel cell, comprising the following operations: forming an internal support layer by filling powder of at least one metal or its alloy, with a particle size exceeding 100 microns, into the annular space formed by coaxially arranged pipes, the inner of which is made of quartz or stainless steel, and the outer of quartz; preliminary sintering of the obtained powder billets in a hydrogen atmosphere; removing the sintered billet from the tooling; final sintering of the blanks of the inner support layer in an atmosphere of hydrogen, inert gas or vacuum at a temperature of 1200-1400 ° C; the formation on the surface of the workpieces of the inner support layer of the outer layer of powder, similar to the powder of the inner support layer, but with a particle size of ≤50 μm. 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что формирование заготовки внутреннего опорного слоя осуществляют ее уплотнением после засыпки с помощью вибрации.19. The method according to p. 18, characterized in that the formation of the workpiece of the inner support layer is carried out by its compaction after filling with vibration. 20. Способ по п.18, отличающийся тем, что во внутреннюю трубу дополнительно засыпают крупнокристаллический порошок оксида алюминия, после чего перед спеканием внутреннюю трубу удаляют.20. The method according to p. 18, characterized in that the coarse-grained alumina powder is additionally poured into the inner tube, after which the inner tube is removed before sintering. 21. Способ по п.18, отличающийся тем, что формирование внутреннего опорного слоя осуществляют из ферритной нержавеющей стали, например, марки 14Х17Н2.21. The method according to p. 18, characterized in that the formation of the inner support layer is carried out from ferritic stainless steel, for example, grade 14X17H2. 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что предварительное спекание порошковых заготовок внутреннего опорного слоя проводят при температуре 1050-1100°С в течение 1-5 ч.22. The method according to item 21, wherein the preliminary sintering of the powder blanks of the inner support layer is carried out at a temperature of 1050-1100 ° C for 1-5 hours 23. Способ по п.21, отличающийся тем, что при проведении предварительного спекания внутреннего опорного слоя делают выдержку при 350-400°С до прекращения газовыделения.23. The method according to item 21, characterized in that when conducting preliminary sintering of the inner support layer, exposure is carried out at 350-400 ° C until gas evolution ceases. 24. Способ по п.21, отличающийся тем, что окончательное спекание заготовок внутреннего опорного слоя проводят при постепенном повышении температуры.24. The method according to item 21, wherein the final sintering of the blanks of the inner support layer is carried out with a gradual increase in temperature. 25. Способ по п.18, отличающийся тем, что формирование на поверхности заготовок внутреннего опорного слоя внешнего слоя производят нанесением суспензии порошка в полиэтиленгликоле, после чего полученное изделие сушат, а потом отжигают в вакууме.25. The method according to p. 18, characterized in that the formation on the surface of the workpieces of the inner support layer of the outer layer is produced by applying a suspension of powder in polyethylene glycol, after which the resulting product is dried and then annealed in vacuum. 26. Способ по п.25, отличающийся тем, что формирование внешнего опорного слоя осуществляют из порошка ферритной нержавеющей стали марки ПХ17Н2 с размерами частиц ≤60 мкм.26. The method according A.25, characterized in that the formation of the outer support layer is carried out from a powder of ferritic stainless steel grade ПХ17Н2 with particle sizes ≤60 μm. 27. Способ по п.26, отличающийся тем, что сушку проводят при температуре 140-160°С в течение 10-12 ч на воздухе.27. The method according to p. 26, characterized in that the drying is carried out at a temperature of 140-160 ° C for 10-12 hours in air. 28. Способ по п.26, отличающийся тем, что отжиг в вакууме проводят по режиму: нагрев до 950°С за 2 ч, далее нагрев до 1150-1250°С за 1-2 ч и выдержка в течение 2-5 ч.28. The method according to p. 26, characterized in that the annealing in vacuum is carried out according to the mode: heating to 950 ° C for 2 hours, then heating to 1150-1250 ° C for 1-2 hours and holding for 2-5 hours. 29. Способ по п.18, отличающийся тем, что формирование на поверхности заготовок внутреннего опорного слоя внешнего слоя производят засыпкой порошка в межтрубное пространство, образованное коаксиально расположенными дополнительной внешней кварцевой трубой и заготовкой внутреннего опорного слоя, с последующим спеканием всей заготовки в атмосфере водорода.29. The method according to p. 18, characterized in that the formation on the surface of the workpieces of the inner support layer of the outer layer is carried out by filling the powder into the annulus formed by coaxially arranged additional outer quartz tube and the workpiece of the inner support layer, followed by sintering of the entire workpiece in a hydrogen atmosphere. 30. Способ по п.29, отличающийся тем, что при использовании порошка ферритной нержавеющей стали марки ПХ17Н2 спекание заготовки двухслойной опоры проводят в две стадии: сначала при температуре 1050-1100°С в течение 1-5 ч, затем заготовку извлекают из оснастки и проводят спекание при температуре, равной 1200-1400°С, в течение 1-3 ч в атмосфере водорода, инертного газа или вакууме.30. The method according to clause 29, characterized in that when using a powder of ferritic stainless steel grade ПХ17Н2, sintering of a bilayer of a two-layer support is carried out in two stages: first, at a temperature of 1050-1100 ° C for 1-5 hours, then the billet is removed from the tool and sintering is carried out at a temperature of 1200-1400 ° C for 1-3 hours in an atmosphere of hydrogen, inert gas or vacuum.
RU2007112021/09A 2007-05-22 2007-05-22 Tubular solid-oxide fuel element with metallic support, its tubular metallic porous basic layer and methods of their production RU2332754C1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007112021/09A RU2332754C1 (en) 2007-05-22 2007-05-22 Tubular solid-oxide fuel element with metallic support, its tubular metallic porous basic layer and methods of their production
PCT/RU2008/000323 WO2008143555A1 (en) 2007-05-22 2008-05-22 Tubular solid oxide fuel cell with a metal support, a tubular metal porous support layer and methods for the production thereof
DE202008017769U DE202008017769U1 (en) 2007-05-22 2008-05-22 Tubular hard-oxide fuel cell with a metal support and a tubular porous metal support layer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007112021/09A RU2332754C1 (en) 2007-05-22 2007-05-22 Tubular solid-oxide fuel element with metallic support, its tubular metallic porous basic layer and methods of their production

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2332754C1 true RU2332754C1 (en) 2008-08-27

Family

ID=40032144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007112021/09A RU2332754C1 (en) 2007-05-22 2007-05-22 Tubular solid-oxide fuel element with metallic support, its tubular metallic porous basic layer and methods of their production

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE202008017769U1 (en)
RU (1) RU2332754C1 (en)
WO (1) WO2008143555A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2542752C1 (en) * 2014-02-11 2015-02-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Method of manufacturing porous cathode materials based on lanthanum strontium manganite
RU2625460C2 (en) * 2015-11-10 2017-07-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Tube element of electrochemical device with thin-layer solid-oxide electrolyte (versions) and method of its manufacture
RU200605U1 (en) * 2020-02-07 2020-11-02 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL RESEARCH OF TUBULAR SOLID OXIDE FUEL CELLS
RU2812432C1 (en) * 2023-07-11 2024-01-30 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Method for producing porous stainless steel support for solid oxide fuel cells and porous support made by said method

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101405477B1 (en) 2011-12-29 2014-06-19 재단법인 포항산업과학연구원 A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell
CN109921050B (en) * 2019-03-27 2023-10-13 苏州纳格光电科技有限公司 Support type microtubule type solid oxide fuel cell and its preparation method

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5085742A (en) 1990-10-15 1992-02-04 Westinghouse Electric Corp. Solid oxide electrochemical cell fabrication process
US6605316B1 (en) * 1999-07-31 2003-08-12 The Regents Of The University Of California Structures and fabrication techniques for solid state electrochemical devices
US6893762B2 (en) 2002-01-16 2005-05-17 Alberta Research Council, Inc. Metal-supported tubular micro-fuel cell
RU2224337C1 (en) * 2002-10-22 2004-02-20 ООО "Салют Текнолоджис Вест" Method and installation for manufacturing high- temperature fuel cell

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2542752C1 (en) * 2014-02-11 2015-02-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Method of manufacturing porous cathode materials based on lanthanum strontium manganite
RU2625460C2 (en) * 2015-11-10 2017-07-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Tube element of electrochemical device with thin-layer solid-oxide electrolyte (versions) and method of its manufacture
RU200605U1 (en) * 2020-02-07 2020-11-02 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL RESEARCH OF TUBULAR SOLID OXIDE FUEL CELLS
RU2812432C1 (en) * 2023-07-11 2024-01-30 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) Method for producing porous stainless steel support for solid oxide fuel cells and porous support made by said method

Also Published As

Publication number Publication date
WO2008143555A1 (en) 2008-11-27
DE202008017769U1 (en) 2010-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Orera et al. Fabrication methods and performance in fuel cell and steam electrolysis operation modes of small tubular solid oxide fuel cells: a review
US20120186976A1 (en) Metal-supported electrochemical cell and method for fabricating same
Fan et al. Infiltration of La0· 6Sr0· 4FeO3-δ nanoparticles into YSZ scaffold for solid oxide fuel cell and solid oxide electrolysis cell
Liu et al. Fabrication and characterization of micro-tubular cathode-supported SOFC for intermediate temperature operation
WO2004100284A2 (en) Direct hydrocarbon fuel cells
Zhang et al. An anode-supported micro-tubular solid oxide fuel cell with redox stable composite cathode
Gil et al. Anode-supported microtubular cells fabricated with gadolinia-doped ceria nanopowders
US11594738B2 (en) Fuel cell and electrolyzer hotbox module using conductive zirconia stacks
JP5552222B2 (en) Ceramic layer processing method and processed article
RU2332754C1 (en) Tubular solid-oxide fuel element with metallic support, its tubular metallic porous basic layer and methods of their production
Choi et al. Electrochemical effects of cobalt doping on (La, Sr)(Ga, Mg) O3− δ electrolyte prepared by aerosol deposition
Min et al. Characteristics of Ba (Zr0. 1Ce0. 7Y0. 2) O3-δ nano-powders synthesized by different wet-chemical methods for solid oxide fuel cells
CN113258111B (en) Zirconium-based anode-supported solid oxide battery without isolation layer
US20080299436A1 (en) Composite ceramic electrolyte structure and method of forming; and related articles
CN112349913B (en) High-performance reversible solid oxide battery electrode material composition and preparation method thereof
Zhao et al. Fabrication of a large area cathode-supported thin electrolyte film for solid oxide fuel cells via tape casting and co-sintering techniques
Guesnet et al. Infiltration of nickel and copper catalysts into a GDC backbone assisted by supercritical CO 2 for efficient SOFC anodes
Huang et al. Performance study of proton conducting electrolytes based on BaZr1− xYxO3-δ for solid oxide electrolysis cell
US7482077B2 (en) Direct hydrocarbon fuel cells
EP2160785B1 (en) Method for the preparation of a solid oxide fuel cell single cell
Kuterbekov et al. Co-sintering of gradient anode–electrolyte structure for microtubular SOFC
Visvanichkul et al. Fabrication using sequence wet-chemical coating and electrochemical performance of Ni–Fe-foam-supported solid oxide electrolysis cell for hydrogen production from steam
Vafaeenezhad Studying the Microstructure of Electrodes for Low-temperature Solid Oxide Fuel Cell and Electrolysis Applications
JPH08264187A (en) Solid electrolyte type fuel cell
Mirzaee Fashalameh et al. The Effect of Morphology of SOFC Layers Made by 3D Printer on the Electrochemical Properties of the Cell

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: 20130523