RU2543071C1 - Способ изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом - Google Patents
Способ изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом Download PDFInfo
- Publication number
- RU2543071C1 RU2543071C1 RU2014110600/07A RU2014110600A RU2543071C1 RU 2543071 C1 RU2543071 C1 RU 2543071C1 RU 2014110600/07 A RU2014110600/07 A RU 2014110600/07A RU 2014110600 A RU2014110600 A RU 2014110600A RU 2543071 C1 RU2543071 C1 RU 2543071C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- praseodymium
- electrodes
- solution
- solid electrolyte
- Prior art date
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
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- 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
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом. Снижение поляризационного сопротивления электрода, а также улучшение протекания электродных реакций газообмена является техническим результатом предложенного изобретения. Способ включает пропитку электрода раствором азотнокислого празеодима с его последующей термообработкой, при этом электрод однократно пропитывают раствором азотнокислого празеодима в этиловом спирте с концентрацией 0.3-2.0 мас.% PrO1.83, после чего термообработку электрода ведут при нагреве со скоростью не более 50°С/час до температуры образования пленки оксида празеодима на границе «электрод/электролит». 1 табл.
Description
Изобретение относится к области электрохимической энергетики и может быть использовано при изготовлении электродов, работающих в окислительной атмосфере, применяемых в различных электрохимических устройствах с твердым электролитом, таких как топливные элементы, электролизеры, электрохимические насосы, датчики и т.п.
Важнейшее требование к электродам вышеуказанных устройств состоит в том, что они должны иметь малое поляризационное сопротивление, чтобы обеспечивать эффективную работу устройства. Один из способов уменьшения поляризационного сопротивления - активация электродов путем введения в него электрохимически активных добавок - активаторов.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ изготовления электродов, работающих в окислительной атмосфере, применяемых для электрохимических устройств с твердым электролитом, известный из RU 2322730, опубл. 20.04.2008. Согласно этому способу, в сформированном двухслойном электроде распределен высокодисперсный нанопорошок PrO2-δ в количестве 7-10 масс.% по отношению к массе электрода.
Таким образом, необходимое уменьшение поляризационного сопротивления электродов для электрохимических устройств, достигается большим количеством активатора по отношению к массе электрода. Для введения в электрод большого количества активатора в процессе, включающем пропитку и прокаливание, нужно осуществлять неоднократную пропитку насыщенными концентрированными (около 40 масс.% в случае нитрата празеодима) растворами активатора, что нетехнологично. Ситуация усугубляется тем, что при пропитке электрода большими количествами активатора на его внешней поверхности образуется слой активатора, который затрудняет коммутацию электродов и который, в ряде случаев, нужно счищать, чтобы присоединить токоподвод. Кроме того, активатор, введенный в электрод в большом количестве, заполняет поры электрода, ухудшая газообмен, который важен для протекания электродных реакций с участием газов (кислород, водяной пар, CO2, водород, метан и т.д.) в устройствах с твердым электролитом. Таким образом, известный способ по прототипу нетехнологичен и отрицательно влияет на газообмен.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке технологичного способа изготовления электродов в устройствах с твердым электролитом, позволяющим изготавливать малополяризуемые электроды, свободные от вышеперечисленных недостатков.
Для решения поставленной задачи способ изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом включает пропитку электрода раствором азотнокислого празеодима с последующей термообработкой, при этом электрод однократно пропитывают раствором азотнокислого празеодима в этиловом спирте с концентраций 0.3-2.0 масс.% в пересчете на оксид празеодима, термообработку ведут при нагреве со скоростью не более 50°С/час до температуры образования пленки оксида празеодима.
Введение в электрод в качестве активатора пленкообразующего спиртового раствора азотнокислого празеодима с последующей термообработкой при заявленных режимах, приводит к образованию на границе «электрод/электролит» пленки оксида празеодима, которая способствует резкому снижению поляризационного сопротивления электрода. При этом способ характеризуется повышенной технологичностью, обусловленной однократным нанесением раствора азотнокислого празеодима и позволяет избежать недостатков, вызванных введением в электрод большого количества активатора. Выбор интервала концентраций раствора азотнокислого празеодима (0.3-2.0 масс.% в пересчете на PrO1.83) обусловлен тем, что именно в этом интервале на границе «электрод/электролит» образуется пленка оксида празеодима с нужными характеристиками. При использовании раствора азотнокислого празеодима с концентрацией, меньшей 0.3 масс.% PrO1.83, образующаяся пленка слабо активирует электрод, а при концентрации раствора азотнокислого празеодима, превышающей 2.0 масс.% PrO1.83, пленка не образуется - покрытие распадается на отдельные кристаллики - порошинки и также слабо активирует электрод. Пропитанный в соответствии с заявленным способом, термически обработанный электрод содержит оксид празеодима в количестве 0.3-2.0 масс.%, что существенно меньше, чем в способе по прототипу.
Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в снижении поляризационного сопротивления электрода при однократном введении в электролит малых количеств активатора, улучшении протекания электродных реакций газообмена, упрощении коммутации электродов.
Предлагаемый способ апробирован в лабораторных условиях в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН. Эксперименты были проведены в одних и тех же условиях на электрохимических ячейках с твердым электролитом состава 0.9ZrO2+0.1Y2O3 (далее YSZ), на который были нанесены платиновые электроды. Для нанесения электродов использовали тонкоизмельченный порошок чистой платины в виде взвеси в спирте. Платиновые порошковые электроды наносили методом окрашивания на обе стороны круглых пластинок твердого электролита YSZ диаметром 10 мм и толщиной около 0.5 мм. Нанесенные электроды припекали на воздухе при температуре 1100°С. Операцию нанесения электродов на твердый электролит проводили дважды, результирующий электрод содержал количество платины около 15 мг/см2.
Активирование платиновых электродов производили, смачивая их пленкообразующим спиртовым раствором нитрата празеодима, с последующей термообработкой.
Эксперименты с использованием электронной микроскопии (растровый электронный микроскоп JSM 5900LV с энергодисперсионным спектрометром INCA ENERGY) показали, что пленки оксидов получаются только из пленкообразующих растворов, предельное содержание соли в которых (в пересчете на оксид празеодима) не превышает ~ 2.0 масс.%. При использовании насыщенных спиртовых растворов нитратов, указанных в прототипе, пленка на границе «электрод/электролит» не образуется ни при каких условиях термообработки электрода; покрытие распадается на отдельные кристаллики-порошинки.
Платиновые электроды, пропитанные спиртовым раствором нитратов празеодима, с концентрацией активатора 0.3-2.0 масс.% в пересчете на оксид празеодима, прокаливали на воздухе в двух режимах - при быстром нагреве (200°С/час), при котором пленка оксида-активатора не образуется, и при медленном нагреве (50°С/час), при котором пленка оксида-активатора образуется. Нагрев в обоих случаях вели до температуры 850°С, время выдержки при максимальной температуре составляло 1 час.
Сравнительные характеристики электродов изучали с помощью импедансметра «PARSTAT 2273» в области частот 0.1÷1 МГц при амплитуде сигнала 30 мВ. Измерения проводили в атмосфере воздуха в интервале температур 700÷500°С, который соответствует средним рабочим температурам электрохимических устройств с данными материалами.
В таблице приведены результаты сравнительных испытаний платиновых электродов:
1) неактивированных;
2) активированных растворами нитрата празеодима в режиме термообработки электрода, не образующим пленку активатора на границе «электрод/электролит»;
3) активированных растворами нитрата празеодима в режиме термообработки электрода, при котором образуется пленка активатора на границе «электрод/электролит»;
Испытания показали, что в интервале температур 700÷500°С неактивированный электрод имеет высокое поляризационное сопротивление, составляющее 700÷52000 Ом. Электрод, однократно пропитанный раствором азотнокислого празеодима в этиловом спирте с концентрацией, меньшей 0.3 масс.%, в пересчете на оксид празеодима с последующей термообработкой в интервале температур 700-500°С при медленном нагреве со скоростью 50°С/час, содержит оксид празеодима в количестве, меньшем 0.05 мг/см2. Пленка активатора при этом не образуется, улучшение характеристик электрода не происходит. Электрод, однократно пропитанный раствором азотнокислого празеодима в этиловом спирте с оптимальной концентрацией 0.3-2.0 масс.% PrO1.83 с последующей термообработкой в этом же интервале температур с такой же скоростью нагрева, содержит оксид празеодима в количестве 0.05-0.30 мг оксида празеодима на 1 см2 поверхности электрода. В этом случае на границе «электрод/электролит» образуется пленка активатора, и поляризационное сопротивление электрода резко уменьшается.
Из результатов этих испытаний следует, что предлагаемый способ имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом. По этому способу достаточно однократного введения в электролит малых количеств активатора для образования на 1 см2 поверхности электрода 0.05-0.30 мг оксида празеодима, достаточного, чтобы при термообработке электрода нагревом со скоростью не более 50°С/час до температуры образования на границе «электрод/электролит» пленки оксида празеодима, достичь резкого снижения поляризационного сопротивления электрода. Малое количество введенного в электрод активатора меньше забивает его поры, что способствует лучшему протеканию электродных реакций газообмена. При этом на внешней поверхности электрода не образуется изолирующий слой, затрудняющий коммутацию электродов.
Таким образом, заявленный способ позволяет более технологично изготавливать малополяризуемые электроды, способствует лучшему протеканию электродных реакций газообмена и упрощению коммутации электродов.
Таблица | |||
Температура, °С | Поляризационное сопротивление электрода, Ом·см2 | ||
без активации | с активацией 0.2 мг оксида/см2 | ||
без образования пленки | с образованием пленки | ||
700 | 0.7·103 | 1.2·103 | 0.5 |
600 | 7.8·103 | 8.3·103 | 1.7 |
500 | 52.0·103 | 75.0·103 | 18.0 |
Claims (1)
- Способ изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом, включающий пропитку электрода раствором азотнокислого празеодима с его последующей термообработкой, отличающийся тем, что электрод однократно пропитывают раствором азотнокислого празеодима в этиловом спирте с концентрацией 0.3-2.0 масс.% PrO1.83, термообработку электрода ведут при нагреве со скоростью не более 50°C/час до температуры образования пленки оксида празеодима на границе «электрод/электролит».
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110600/07A RU2543071C1 (ru) | 2014-03-19 | 2014-03-19 | Способ изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110600/07A RU2543071C1 (ru) | 2014-03-19 | 2014-03-19 | Способ изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2543071C1 true RU2543071C1 (ru) | 2015-02-27 |
Family
ID=53290045
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014110600/07A RU2543071C1 (ru) | 2014-03-19 | 2014-03-19 | Способ изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2543071C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2760430C1 (ru) * | 2021-05-28 | 2021-11-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Способ активации электродов электрохимических устройств на твердых электролитах |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2232737A1 (en) * | 1997-03-31 | 1998-09-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Solid electrolytes as well as fuel cells, hydrogen pumps, oxygen concentration sensors, and steam concentration sensors using the solid electrolytes |
US6548203B2 (en) * | 1995-11-16 | 2003-04-15 | The Dow Chemical Company | Cathode composition for solid oxide fuel cell |
DE60204441T2 (de) * | 2001-03-19 | 2006-03-16 | Energieonderzoek Centrum Nederland | Hochleitendes elektron-material, elektrode für eine elektrochemische zelle, verfahren zur herstellung dieser elektrode und elektrochemische zelle |
RU2322730C2 (ru) * | 2006-04-10 | 2008-04-20 | Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук | Активный двухслойный электрод для электрохимических устройств с твердым электролитом |
RU2361332C1 (ru) * | 2007-12-12 | 2009-07-10 | "ГОУ ВПО Уральский государственный университет им. А.М. Горького" | Топливный элемент |
RU2460178C1 (ru) * | 2011-07-06 | 2012-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Материал для кислородного электрода электрохимических устройств |
-
2014
- 2014-03-19 RU RU2014110600/07A patent/RU2543071C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6548203B2 (en) * | 1995-11-16 | 2003-04-15 | The Dow Chemical Company | Cathode composition for solid oxide fuel cell |
CA2232737A1 (en) * | 1997-03-31 | 1998-09-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Solid electrolytes as well as fuel cells, hydrogen pumps, oxygen concentration sensors, and steam concentration sensors using the solid electrolytes |
DE60204441T2 (de) * | 2001-03-19 | 2006-03-16 | Energieonderzoek Centrum Nederland | Hochleitendes elektron-material, elektrode für eine elektrochemische zelle, verfahren zur herstellung dieser elektrode und elektrochemische zelle |
RU2322730C2 (ru) * | 2006-04-10 | 2008-04-20 | Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук | Активный двухслойный электрод для электрохимических устройств с твердым электролитом |
RU2361332C1 (ru) * | 2007-12-12 | 2009-07-10 | "ГОУ ВПО Уральский государственный университет им. А.М. Горького" | Топливный элемент |
RU2460178C1 (ru) * | 2011-07-06 | 2012-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Материал для кислородного электрода электрохимических устройств |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2760430C1 (ru) * | 2021-05-28 | 2021-11-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Способ активации электродов электрохимических устройств на твердых электролитах |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20220209289A1 (en) | Stabilized solid garnet electrolyte and methods thereof | |
JP7290745B2 (ja) | ラジカルスカベンジャー、その製造方法、及びそれを含む膜電極組立体 | |
KR20160008192A (ko) | 촉매 전극 및 그의 제조 방법 | |
EA201490860A1 (ru) | Высокоэффективный топливный электрод для твердооксидного электрохимического элемента | |
Zhang et al. | Evaluation of performances of solid oxide fuel cells with symmetrical electrode material | |
Folquer et al. | Study of copper dissolution and passivation processes by electrochemical impedance spectroscopy | |
US3645894A (en) | Free-flowing plasma spray powder | |
US20020155227A1 (en) | Method for the manufacture of a functional ceramic layer | |
RU2543071C1 (ru) | Способ изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом | |
JP2016026987A (ja) | プロトン伝導性酸化物 | |
KR20110139126A (ko) | 전해에 의한 염소 제조용 전극 | |
JP6369848B2 (ja) | 金属ナノ粒子担持炭素材料およびその製造方法、官能化剥離炭素材料の製造方法 | |
CN108110286A (zh) | 一种质子传导氧化物电解质薄膜的制备方法 | |
Taei et al. | Electrocatalytic oxidation of ethanol on a glassy carbon electrode modified with a gold nanoparticle-coated hydrolyzed CaFe–Cl layered double hydroxide in alkaline medium | |
RU2570509C1 (ru) | Способ получения тонкоплёночного твердого электролита для электрохимических устройств | |
CN106145898B (zh) | 一种银-镍酸镧复合导电薄膜材料的制备方法 | |
US9755245B2 (en) | Catalyst material for fuel cell | |
JP6366054B2 (ja) | 複合層構造体の製造方法及び固体酸化物形燃料電池のカソード製造方法 | |
Kasian et al. | Electrochemical properties of heat-treated platinized titanium | |
KR20180078460A (ko) | 탄소에 담지된 다공성 백금-구리 합금 촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 촉매 | |
Hiraldo et al. | Surface decorations to abrupt change performance, robustness, and stability of electrodes for solid oxide cells | |
JP4747365B2 (ja) | 高プロトン伝導性複合体 | |
JP2016136481A (ja) | 燃料電池セル | |
JPH06394A (ja) | イオン選択膜の製造方法 | |
RU2643032C1 (ru) | Электрохимический способ нанесения электропроводящего оксидного защитного покрытия интерконнектора |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190320 |