RU2394315C2 - Solid-oxide fuel element electrode and method of its fabrication - Google Patents

Solid-oxide fuel element electrode and method of its fabrication Download PDF

Info

Publication number
RU2394315C2
RU2394315C2 RU2008139694/09A RU2008139694A RU2394315C2 RU 2394315 C2 RU2394315 C2 RU 2394315C2 RU 2008139694/09 A RU2008139694/09 A RU 2008139694/09A RU 2008139694 A RU2008139694 A RU 2008139694A RU 2394315 C2 RU2394315 C2 RU 2394315C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solid electrolyte
electrode
sublayer
agglomerates
cluster
Prior art date
Application number
RU2008139694/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008139694A (en
Inventor
Эрика Александровна Алисова (RU)
Эрика Александровна Алисова
Георгий Николаевич Волощенко (RU)
Георгий Николаевич Волощенко
Валерий Петрович Пахомов (RU)
Валерий Петрович Пахомов
Николай Николаевич Финогенов (RU)
Николай Николаевич Финогенов
Original Assignee
Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт"
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 Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2008139694/09A priority Critical patent/RU2394315C2/en
Publication of RU2008139694A publication Critical patent/RU2008139694A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2394315C2 publication Critical patent/RU2394315C2/en

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: proposed electrode applied on solid electrolyte layer consists of solid electrolyte particles with mixed or ion conductivity and porous sections of electrically conducting material from crystalline column structures of electrically conducting materials in contact with solid electrolyte particles and solid electrolyte layer surface via sublayer of electrically conducting clusters consisting of not inter-bonded agglomerates with size of 0.5-5 mcm that occupy 40 to 80% of solid electrolyte surface. Note here that agglomerates of cluster sublayer feature mixed electron-ion conductivity and are magnetron sputtered using two targets simultaneously made up of electrode material with electron conductivity and solid electrolyte material with ion conductivity with mass ratio varying from 12:1 to 8:1.
EFFECT: higher electrochemical efficiency of electrode and efficient generation of electric power.
3 cl, 5 ex

Description

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к высокотемпературным топливным элементам с твердым электролитом.The invention relates to the field of electrochemical energy, namely to high-temperature solid electrolyte fuel cells.

Известен электрод топливного элемента и способ его изготовления магнетронным напылением (патент США №5395704).A known fuel cell electrode and a method for its manufacture by magnetron sputtering (US patent No. 5395704).

Известен также электрод из частиц твердого электролита, имеющих смешанную или ионную проводимость, и пористых участков электропроводящего материала, состоящих из распределенных по объему электрода кристаллических столбчатых структур электропроводящих материалов, контактирующих с частицами твердого электролита и поверхностью слоя твердого электролита через подслой электропроводящих кластеров, изготовленный способом магнетронного напыления, принятый за прототип (патент РФ №2128385).Also known is an electrode of solid electrolyte particles having mixed or ionic conductivity and porous sections of electrically conductive material consisting of crystalline columnar structures of electrically conductive materials distributed over the electrode volume that are in contact with solid electrolyte particles and the surface of the solid electrolyte layer through a sublayer of electrically conductive clusters made by the magnetron method spraying adopted as a prototype (RF patent No. 2128385).

Недостатками известных электродов является низкая электрохимическая активность электродов, связанная неразвитой трехфазной границей контакта твердого электролита, электрода и газовой фазы.The disadvantages of the known electrodes is the low electrochemical activity of the electrodes, associated with an undeveloped three-phase contact boundary of the solid electrolyte, electrode and gas phase.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что подслой электропроводящих кластеров состоит из не связанных между собой агломератов размером 0,5-5 мкм и занимает от 40 до 80% поверхности твердого электролита, агломераты кластерного подслоя имеют смешанную электронно-ионную проводимость, и напыление кластерного подслоя проводят одновременно с двух мишеней, состоящих из материала электрода с электронной проводимостью и материала твердого электролита с ионной проводимостью в соотношении по массе от 12:1 до 8:1.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the sublayer of electrically conductive clusters consists of non-interconnected agglomerates with a size of 0.5-5 microns and occupies from 40 to 80% of the surface of a solid electrolyte, agglomerates of a cluster sublayer have mixed electron-ion conductivity, and cluster sputtering the sublayer is carried out simultaneously from two targets, consisting of an electrode material with electronic conductivity and a solid electrolyte material with ionic conductivity in a weight ratio of 12: 1 to 8: 1.

Пример 1. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 0,5 мкм, занимающего 40% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 12:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 200 мА/см2 при поляризации 50 мВ.Example 1. On the surface of a solid electrolyte based on zirconium dioxide, magnetron sputtering is applied with agglomerates of a cluster sublayer 0.5 μm in size, occupying 40% of the surface of a solid electrolyte using nickel and zirconia electrolyte targets, the ratio of target materials by weight is 12: 1. Next, an electrode is deposited on the formed sublayer by the prototype method. The achieved current density value during hydrogen oxidation is 200 mA / cm 2 at a polarization of 50 mV.

Пример 2. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 5 мкм, занимающего 80% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 8:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 190 мА/см2 при поляризации 50 мВ.Example 2. On the surface of a solid electrolyte based on zirconia, magnetron sputtering is applied to 5 micron cluster sublayer agglomerates occupying 80% of the surface of the solid electrolyte using nickel and zirconia electrolyte targets, the ratio of target materials by mass is 8: 1. Next, an electrode is deposited on the formed sublayer by the prototype method. The achieved current density during the oxidation of hydrogen is 190 mA / cm 2 at a polarization of 50 mV.

Пример 3. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 3 мкм, занимающего 70% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 10:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 230 мА/см2 при поляризации 50 мВ.Example 3. On the surface of a solid electrolyte based on zirconia, magnetron sputtering was applied to agglomerates of a cluster sublayer of 3 μm in size, occupying 70% of the surface of a solid electrolyte using targets made of nickel and zirconia electrolyte, the ratio of target materials by mass was 10: 1. Next, an electrode is deposited on the formed sublayer by the prototype method. The achieved current density value for the oxidation of hydrogen is 230 mA / cm 2 at a polarization of 50 mV.

Пример 4. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 10 мкм, занимающего 50% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 15:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 130 мА/см2 при поляризации 50 мВ.Example 4. On the surface of a solid electrolyte based on zirconium dioxide, magnetron sputtering is applied with agglomerates of a cluster sublayer 10 μm in size, occupying 50% of the surface of a solid electrolyte using targets from nickel and zirconia electrolyte, the ratio of target materials by mass is 15: 1. Next, an electrode is deposited on the formed sublayer by the prototype method. The achieved value of the current density during the oxidation of hydrogen is 130 mA / cm 2 at a polarization of 50 mV.

Пример 5. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 10 мкм, занимающего 95% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 5:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 90 мА/см2 при поляризации 50 мВ.Example 5. On the surface of a solid electrolyte based on zirconium dioxide, magnetron sputtering is applied with agglomerates of a cluster sublayer 10 microns in size, occupying 95% of the surface of a solid electrolyte using nickel and zirconia electrolyte targets, the ratio of target materials by mass is 5: 1. Next, an electrode is deposited on the formed sublayer by the prototype method. The achieved current density during the oxidation of hydrogen is 90 mA / cm 2 at a polarization of 50 mV.

Таким образом, использование существенных признаков предлагаемого технического решения, а именно: подслой электропроводящих кластеров состоит из не связанных между собой агломератов размером 0,5-5 мкм и занимает от 40 до 80% поверхности твердого электролита, агломераты кластерного подслоя имеют смешанную электронно-ионную проводимость и напыление кластерного подслоя проводят одновременно с двух мишеней, состоящих из материала электрода с электронной проводимостью и материала твердого электролита с ионной проводимостью в соотношении по массе от 12:1 до 8:1, позволяет существенно улучшить электрохимические характеристики электрода топливного элемента.Thus, the use of the essential features of the proposed technical solution, namely: the sublayer of electrically conductive clusters consists of 0.5-5 μm agglomerates that are not interconnected and occupies from 40 to 80% of the surface of the solid electrolyte, agglomerates of the cluster sublayer have mixed electron-ion conductivity and spraying the cluster sublayer is carried out simultaneously from two targets, consisting of an electrode material with electronic conductivity and a solid electrolyte material with ionic conductivity in the ratio weight from 12: 1 to 8: 1, can significantly improve the electrochemical characteristics of the fuel cell electrode.

Claims (3)

1. Электрод твердооксидного топливного элемента, нанесенный на слой твердого электролита, состоящий из частиц твердого электролита, имеющих ионную проводимость, и пористых участков электропроводящего материала из кристаллических столбчатых структур электропроводящих материалов, контактирующих с частицами твердого электролита и поверхностью слоя твердого электролита через подслой электропроводящих кластеров, отличающийся тем, что подслой электропроводящих кластеров состоит из не связанных между собой агломератов размером 0,5-5 мкм и занимает от 40 до 80% поверхности твердого электролита.1. The solid oxide fuel cell electrode deposited on a solid electrolyte layer, consisting of solid electrolyte particles having ionic conductivity, and porous sections of electrically conductive material from crystalline columnar structures of electrically conductive materials in contact with the solid electrolyte particles and the surface of the solid electrolyte layer through an underlayer of electrically conductive clusters, characterized in that the sublayer of electrically conductive clusters consists of non-interconnected agglomerates with a size of 0.5-5 microns It takes from 40 to 80% of the surface of the solid electrolyte. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что агломераты кластерного подслоя имеют смешанную электронно-ионную проводимость.2. The electrode according to claim 1, characterized in that the agglomerates of the cluster sublayer have mixed electron-ion conductivity. 3. Способ изготовления электрода твердооксидного топливного элемента, заключающийся в магнетронном напылении электрода на твердый электролит, отличающийся тем, что напыление кластерного подслоя проводят одновременно с двух мишеней, состоящих из материала электрода с электронной проводимостью и материала твердого электролита с ионной проводимостью в соотношении по массе от 12:1 до 8:1. 3. A method of manufacturing an electrode of a solid oxide fuel cell, which consists in magnetron sputtering of an electrode on a solid electrolyte, characterized in that the cluster sublayer is sprayed simultaneously from two targets consisting of an electrode material with electronic conductivity and a solid electrolyte material with ionic conductivity in a weight ratio of 12: 1 to 8: 1.
RU2008139694/09A 2008-10-08 2008-10-08 Solid-oxide fuel element electrode and method of its fabrication RU2394315C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008139694/09A RU2394315C2 (en) 2008-10-08 2008-10-08 Solid-oxide fuel element electrode and method of its fabrication

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008139694/09A RU2394315C2 (en) 2008-10-08 2008-10-08 Solid-oxide fuel element electrode and method of its fabrication

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008139694A RU2008139694A (en) 2010-04-20
RU2394315C2 true RU2394315C2 (en) 2010-07-10

Family

ID=42684808

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008139694/09A RU2394315C2 (en) 2008-10-08 2008-10-08 Solid-oxide fuel element electrode and method of its fabrication

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2394315C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008139694A (en) 2010-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Uda et al. Thin-membrane solid-acid fuel cell
Lu et al. Hierarchical nanoarray materials for advanced nickel–zinc batteries
Verbraeken et al. Evaluation of Ca doped La0. 2Sr0. 7TiO3 as an alternative material for use in SOFC anodes
JPH05211059A (en) Battery using ceramic film
Chen et al. A Janus protein-based nanofabric for trapping polysulfides and stabilizing lithium metal in lithium–sulfur batteries
US8017270B2 (en) Electrochemical cell fabricated via liquid crystal templating
TWI239114B (en) Fuel cell and manufacturing method thereof
JPH05506122A (en) A collection of modular fuel cells
Leung et al. Rechargeable organic–air redox flow batteries
Noack et al. A comparison of materials and treatment of materials for vanadium redox flow battery
KR20100132369A (en) Super capacitor and method of fabricating the same
JP2011210420A (en) Electrochemical cell
JP4390530B2 (en) Electrolyte / electrode assembly and method for producing the same
US7691770B2 (en) Electrode structure and methods of making same
CN102354604B (en) Composite electrode super capacitor and method for preparing same
JP2014216059A (en) Secondary battery having graphene oxide as solid electrolyte
RU2394315C2 (en) Solid-oxide fuel element electrode and method of its fabrication
JP6501779B2 (en) Arrangement of active layer / membrane for hydrogen production apparatus, and conjugate comprising said arrangement suitable for porous current collector, and method of making the arrangement
Zou et al. Development of the 40 V hybrid super-capacitor unit
CN206134858U (en) Double -polarity lead -acid storage battery
KR101220739B1 (en) Saperator for planer solid oxide fuel cell and fuel cell comprising the same
Li et al. Advanced Architectures of Air Electrodes in Zinc–Air Batteries and Hydrogen Fuel Cells
Zhan et al. Nanostructure electrodes for metal-supported solid oxide fuel cells
JPH10255832A (en) Composite air electrode material for solid fuel cell for low temperature operation
JP2018500725A5 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20120724

PD4A Correction of name of patent owner