RU2625460C2 - Tube element of electrochemical device with thin-layer solid-oxide electrolyte (versions) and method of its manufacture - Google Patents

Tube element of electrochemical device with thin-layer solid-oxide electrolyte (versions) and method of its manufacture Download PDF

Info

Publication number
RU2625460C2
RU2625460C2 RU2015148292A RU2015148292A RU2625460C2 RU 2625460 C2 RU2625460 C2 RU 2625460C2 RU 2015148292 A RU2015148292 A RU 2015148292A RU 2015148292 A RU2015148292 A RU 2015148292A RU 2625460 C2 RU2625460 C2 RU 2625460C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrolyte
thin
end thickenings
layers
electrodes
Prior art date
Application number
RU2015148292A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015148292A (en
Inventor
Алексей Викторович Спирин
Александр Сергеевич Липилин
Сергей Николаевич Паранин
Алексей Викторович Никонов
Владимир Рудольфович Хрустов
Виктор Владимирович Иванов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН)
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 бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН)
Priority to RU2015148292A priority Critical patent/RU2625460C2/en
Publication of RU2015148292A publication Critical patent/RU2015148292A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2625460C2 publication Critical patent/RU2625460C2/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0252Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form tubular
    • 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
    • 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
    • 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
    • H01M8/124Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/126Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing cerium oxide
    • 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

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: proposed tubular fuel cell with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers is made with monolithic end bosses that have a smooth transition to the electrolyte. Reducing the thickness of the carrier solid electrolyte is achieved due to end thickenings and/or of carcass in the working area, as well as by increasing the thickness of one or both current electrode collectors. The cylindrical or weakly cone tube of the carrier electrolyte is made of ceramics with an average crystallite size of less than 500 nm, has a wall thickness of less than 0.3 mm With end thickenings up to 0.5 mm and thin-layered 15-20 mcm electrodes located on the lateral surface of the electrolyte in the interval between the end thickenings. The method for manufacturing a tubular element includes the use of nanoscale solid electrolyte powders, micro-sized and nanoscale powders of electrode materials and interface layers prepared in the form of films with a polymeric binder, from which a multilayer preform of the element is formed by winding the films onto a rod, laminating layers of the preform, for example, by magnetic pulse method and at least two-stage sintered together at temperatures below 1300°C.
EFFECT: improvement of manufacturability of production of solid oxide element, reduction of mass and dimensions characteristics and increase of electrical and resource characteristics of fuel cell.
8 cl, 7 dwg

Description

Область использованияArea of use

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам (ЭХУ), таким как электрохимические генераторы тока на топливных элементах, кислородные насосы, электролизеры, конвертеры, и т.п., на основе твердооксидных элементов (ТОЭ) - элементов с твердым оксидным электролитом. Точнее, к конструкции твердооксидного элемента этих устройств и способу его изготовления.The invention relates to high-temperature electrochemical devices (ECUs), such as electrochemical current generators on fuel cells, oxygen pumps, electrolyzers, converters, etc., based on solid oxide cells (TOE) - cells with solid oxide electrolyte. More precisely, to the design of the solid oxide element of these devices and the method of its manufacture.

Уровень техникиState of the art

Высокая рабочая температура ЭХУ на твердооксидных элементах, до 1000°С, необходимая для обеспечения высоких электрических и электрохимических характеристик устройства, определяет ряд требований и ограничений к конструкции и материалам его составных компонентов: твердого электролита, электродов, токосъемов, токопроходов, токоподводов, а также других конструкционных частей, которые все находятся в зоне повышенной температуры. Известные ЭХУ содержат ТОЭ - аналоги, например, топливные элементы, с твердым электролитом чаще всего на основе диоксида циркония, имеющие трубчатую, планарную или блочную (монолитную) конструкции электролита с нанесенными газодиффузионными анодом и катодом. Аналоги элемента и способа его изготовления, подробно описаны в монографии [Перфильев М.В. Высокотемпературный электролиз газов / М.В. Перфильев, А.К. Демин, Б.Л. Кузин, А.С. Липилин. - М.: Наука, 1988. - 232 с.].The high operating temperature of ECC on solid oxide elements, up to 1000 ° C, necessary to ensure high electrical and electrochemical characteristics of the device, determines a number of requirements and restrictions on the design and materials of its component components: solid electrolyte, electrodes, current collectors, current passages, current leads, as well as others structural parts, which are all in an elevated temperature zone. Known ECUs contain TOE - analogues, for example, fuel cells, with a solid electrolyte most often based on zirconium dioxide, having a tubular, planar or block (monolithic) electrolyte structure with a gas diffusion anode and cathode deposited. Analogues of the element and the method of its manufacture are described in detail in the monograph [Perfilyev M.V. High-temperature electrolysis of gases / M.V. Perfiliev, A.K. Demin, B.L. Kuzin, A.S. Lipilin. - M .: Nauka, 1988. - 232 p.].

В конструкциях с несущим электролитом его целесообразно рассматривать основным компонентом. Сам по себе твердый электролит, часто используемый и наиболее прочный, на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ) или скандия (ScSZ), и альтернативные - на основе оксидов церия, галлия или висмута - это керамика, которая по своей природе при высоких температурах имеет довольно низкую прочность. При этом в устройствах с разделенными газовыми пространствами, будь то топливная и окислительная камеры в топливном элементе или воздушная и кислородная камеры кислородного насоса, твердооксидный элемент в интервале рабочих температур, 800-1000°С, должен обеспечивать межполостную герметичность: в твердом электролите не допускается наличие сквозной пористости и трещин. До настоящего времени в конструкциях с несущим электролитом в виде трубы (пробирки) ее использовали с толщиной стенки не менее 0,5 мм, что обусловлено, в первую очередь, возможностями существующих технологий (экструзии, шликерного литья и т.д.), а также необходимостью обеспечения ее газоплотности и механической прочности. При этом большая толщина твердого электролита обуславливает, во-первых, повышенный расход материала твердого электролита, во-вторых, потери на омическом сопротивлении элемента, снижающие его электроэффективность и возрастающие прямо пропорционально его толщине. Снижение толщины твердого электролита является важной технической задачей, особенно в конструкциях, где он является несущим компонентом системы.In constructions with a supporting electrolyte, it is advisable to consider it as the main component. The solid electrolyte itself, often used and the most durable, based on zirconia stabilized with yttrium oxide (YSZ) or scandium (ScSZ), and alternative ones based on cerium, gallium or bismuth oxides, is a ceramic that by its nature temperatures has a fairly low strength. Moreover, in devices with separated gas spaces, whether it is a fuel and an oxidizing chamber in a fuel cell or an air and oxygen chamber of an oxygen pump, a solid oxide cell in the temperature range of 800-1000 ° C must ensure inter-cavity tightness: in a solid electrolyte, the presence of through porosity and cracks. Until now, in structures with a supporting electrolyte in the form of a pipe (test tube), it has been used with a wall thickness of at least 0.5 mm, which is primarily due to the capabilities of existing technologies (extrusion, slip casting, etc.), as well as the need to ensure its gas tightness and mechanical strength. Moreover, the large thickness of the solid electrolyte causes, firstly, an increased consumption of material of the solid electrolyte, and secondly, losses on the ohmic resistance of the element, which reduce its electrical efficiency and increase in direct proportion to its thickness. Reducing the thickness of a solid electrolyte is an important technical task, especially in structures where it is a supporting component of the system.

Описание аналоговDescription of analogues

Аналогами элемента электрохимического устройства с несущим твердым электролитом авторы считают, например, патент РФ №2178560 [Ячейка высокотемпературного элемента электрохимического устройства с твердым электролитом, G01N 27/406, Востротин В.А., Гречко М.В., Закутнев А.Д., Крылова О.Е., Кулаев В.В., Лукашенко И.Г., Устюгов А.В., Чухарев В.Ф., дата подачи заявки: 17.09.1998, дата публ. формулы: 27.06.2000 г.]. В аналоге использован элемент электрохимического устройства в виде пробирки из твердого электролита с равномерно нанесенными газодиффузионными электродами и организованным токосъемом и транспортом тока через гранулированную засыпку (например, из электродного материала) вдоль элемента с выводом к торцевой(ым) части(ям) пробирки внутренним и внешним металлическими токоотводами. При этом внутренний токоотвод выполняет функцию газоввода. В этом смысле следует понимать элемент электрохимического устройства, не имеющий токопрохода по образующей трубы. Недостатком этого элемента следует считать повышенные внутренние потери на элементе (толстостенная пробирка), неэффективную схему токосъема использованием засыпного коллектора(ов) и большую для засыпного токового коллектора длину (рабочую площадь) элемента, а следовательно, низкую электроэффективность.The authors consider, for example, RF patent No. 2178560 [Cell of a high-temperature element of an electrochemical device with a solid electrolyte, G01N 27/406, Vostrotin VA, Grechko MV, Zakutnev AD, as analogues of an element of an electrochemical device with a supporting solid electrolyte, Krylova O.E., Kulaev V.V., Lukashenko I.G., Ustyugov A.V., Chukharev V.F., application filing date: 09/17/1998, publication date. formulas: 06/27/2000]. The analogue used an element of an electrochemical device in the form of a test tube made of a solid electrolyte with uniformly applied gas diffusion electrodes and organized current collection and current transport through granular filling (for example, from electrode material) along the element with the internal and external tubes leading to the end part (s) of the tube metal down conductors. In this case, the internal down conductor performs the function of a gas outlet. In this sense, one should understand an element of an electrochemical device that does not have a current passage along the generatrix of the pipe. The disadvantage of this element should be considered increased internal losses on the element (thick-walled tube), an inefficient current collection scheme using the charge collector (s) and the length (working area) of the element, which is large for the charge current collector, and, therefore, low electrical efficiency.

К аналогам способа изготовления элемента электрохимического устройства, точнее его электрохимической части - структуры «токовый коллектор - электрод - электролит - электрод - токовый коллектор», авторы относят известные технологии [Minh N.Q. Science and technology of ceramic fuel cells / N.Q. Minh, T. Takahasi. - Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1995. - 366 p.], которые заключаются в предварительном изготовлении несущей основы в виде трубы электролита или одного из внутренних электродов чаще всего методом экструзии (термо)пластичной массы из керамического крупнодисперсного порошка и полимерного связующего, либо другими методами: инжекцией под давлением в форму, шликерным литьем суспензии из порошка в форму с последующей сушкой, напылением или "намораживанием" на стержень, прессованием и др. После чего производят полное или частичное спекание основы при высокой температуре и последующее нанесение следующих слоев известными из уровня техники способами.To the analogues of the method of manufacturing an element of an electrochemical device, more precisely its electrochemical part - structure "current collector - electrode - electrolyte - electrode - current collector", the authors attribute the known technologies [Minh N.Q. Science and technology of ceramic fuel cells / N.Q. Minh, T. Takahasi. - Amsterdam: Elsevier Science BV, 1995. - 366 p.], Which consist in the preliminary manufacture of the supporting base in the form of an electrolyte pipe or one of the internal electrodes most often by extrusion of a (thermo) plastic mass from a ceramic coarse powder and a polymer binder, or other methods: injection under pressure into the mold, slip casting the suspension from the powder into the mold, followed by drying, spraying or “freezing” on the core, pressing, etc. Then, the base is sintered completely or partially at high temperature temperature and subsequent application of the following layers by methods known from the prior art.

К недостаткам аналогов следует отнести большое количество операций нанесения функциональных слоев и термообработки при высокой температуре, до 1600°С. Высокая температура, необходимая для обеспечения, например, газоплотного состояния слоя твердого электролита или высокой электропроводности и прочности одного из несущих электродов, обуславливает высокие затраты на производство, затрудняет или делает невозможным совместное спекание функциональных слоев элемента, а также приводит к снижению электрохимической активности электродов. Кроме того, указанные способы оказываются непригодными для изготовления трубчатых элементов с тонкослойным твердым электролитом в качестве несущего компонента. Отметим, что снижение количества операций при изготовлении элемента и температуры технологических отжигов будет способствовать снижению себестоимости изделий.The disadvantages of analogues include a large number of operations of applying functional layers and heat treatment at high temperature, up to 1600 ° C. The high temperature necessary to ensure, for example, the gas-tight state of the solid electrolyte layer or high conductivity and strength of one of the supporting electrodes, causes high production costs, complicates or makes it impossible to sinter the functional layers of the cell together, and also leads to a decrease in the electrochemical activity of the electrodes. In addition, these methods are unsuitable for the manufacture of tubular elements with a thin-layer solid electrolyte as a supporting component. Note that reducing the number of operations in the manufacture of an element and the temperature of technological annealing will help reduce the cost of products.

Наиболее близким аналогом - прототипом элемента, а также способа его изготовления авторы считают патент [US 6974516 В2, С03В 29/00, H01M 8/00, «Method of making laminate thin-wall ceramic tubes and said tubes with electrodes, particulary for solid oxide fuel cells», Alan Devoe, Mary Trinh, дата подачи заявки: 23.02.2004, дата публ. формулы: 06.01.2005], в котором описан элемент электрохимического устройства трубчатой конструкции с несущим тонкостенным, несколько сотен микрон, твердооксидным электролитом и газодиффузионными электродами, имеющий утолщенные торцевые части по отношению к средней части элемента для обеспечения механической прочности.The authors consider patent [US 6974516 B2, C03B 29/00, H01M 8/00, "Method of making laminate thin-wall ceramic tubes and said tubes with electrodes, particulary for solid oxide, the closest analogue to the prototype of the element, as well as the method for its manufacture. fuel cells ”, Alan Devoe, Mary Trinh, application filing date: 02/23/2004, publ. formulas: January 6, 2005], which describes an element of an electrochemical device of a tubular structure with a thin-walled carrier, several hundred microns, a solid oxide electrolyte and gas diffusion electrodes, having thickened end parts with respect to the middle part of the element to ensure mechanical strength.

К недостаткам элемента электрохимического устройства прототипа следует отнести большую длину (рабочую площадь) трубчатого элемента электрохимического устройства, которая согласно описанию составляет 20-100 см при диаметре менее 6 мм, что в условиях транспорта тока с единичного элемента через его торец(ы) является нерациональным техническим решением, снижающим его электроэффективность. Утолщенные торцевые части элемента выполняют, скорее всего, функцию упрочнения для механической фиксации к газовому или токовому коллектору, например, зажимом. Кроме того, утолщения по торцам, выполненные из материала электролита, располагаются поверх структуры самого элемента, т.е. поверх внешнего одного из пористых электродов, и, таким образом, отсутствует интегральная целостность утолщения и несущей трубы электролита. При этом электродные слои выходят в торец элемента, и существует возможность их замыкания.The disadvantages of the element of the electrochemical device of the prototype include the large length (working area) of the tubular element of the electrochemical device, which, according to the description, is 20-100 cm with a diameter of less than 6 mm, which is an irrational technical condition for transporting current from a single element through its end (s) a solution that reduces its electrical efficiency. The thickened end parts of the element most likely fulfill the function of hardening for mechanical fixation to a gas or current collector, for example, by a clamp. In addition, thickenings at the ends made of electrolyte material are located on top of the structure of the element itself, i.e. on top of the outer one of the porous electrodes, and, thus, there is no integrated integrity of the thickening and the supporting pipe of the electrolyte. In this case, the electrode layers exit to the end face of the element, and there is the possibility of their closure.

Способ изготовления элемента электрохимического устройства (прототип), предложенный в патенте US 6974516 В2, заключается в формировании части или всей структуры этого элемента (по слоям) последовательной навивкой на стержень пленок из компонентов ТОТЭ с полимерным связующим, ламинировании заготовки в водном гидростате при давлении 20-35 МПа, извлечении стержня и последующем спекании. Предполагается использование в пленках крупнодисперсных порошков, что становится понятным по указанным величинам давления ламинирования, а также линейной усадки при спекании материала. Пленки на основе поливинилбутираля (ПВБ) из крупнодисперсных порошков, хотя и являются достаточно пластичными, тем не менее, требуют использования более высокого давления для получения монолитных преформ, свободных от слоевых дефектов и микропористости. К тому же, при использовании крупнодисперсного порошка электролита, содержание которого в пленке не превышает по объему 55-60%, при температурах совместного спекания компонентов твердооксидного элемента без существенного твердофазного взаимодействия, т.е. не более 1250-1300°С, практически невозможно получить плотный тонкий слой твердого электролита без открытой пористости. Авторы прототипа используют, предположительно, частично стабилизированный диоксид циркония (порядка 3 мол. % оксида иттрия) в тетрагональной модификации. Только это позволяет говорить о возможности реализации предложенной ими конструкции элемента указанным способом. Использование же, например, наиболее предпочтительного диоксида циркония в кубической модификации или других материалов, обладающих повышенной в разы ионной проводимостью, но меньшей прочностью и технологичностью по сравнению с диоксидом циркония в тетрагональной модификации является более сложной и актуальной задачей.A method of manufacturing an element of an electrochemical device (prototype), proposed in patent US 6974516 B2, consists in forming part or all of the structure of this element (in layers) by sequentially winding films of SOFC components with a polymer binder onto the rod, laminating the workpiece in an aqueous hydrostat at a pressure of 20- 35 MPa, removing the rod and subsequent sintering. Coarse powders are supposed to be used in films, which becomes clear from the indicated values of lamination pressure, as well as linear shrinkage during sintering of the material. Films based on polyvinyl butyral (PVB) from coarse powders, although they are sufficiently plastic, nevertheless, they require the use of higher pressure to obtain monolithic preforms free of layer defects and microporosity. In addition, when using coarse-grained electrolyte powder, the content of which in the film does not exceed 55-60% in volume, at the temperatures of joint sintering of the components of the solid oxide element without significant solid-phase interaction, i.e. no more than 1250-1300 ° C, it is almost impossible to get a dense thin layer of solid electrolyte without open porosity. The prototype authors use, presumably, partially stabilized zirconia (about 3 mol.% Yttrium oxide) in tetragonal modification. Only this allows us to talk about the possibility of implementing their proposed element design in this way. The use, for example, of the most preferred zirconia in cubic modification or other materials having many times the ionic conductivity, but less strength and processability compared to zirconia in tetragonal modification is a more complex and urgent task.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Целью настоящего изобретения является создание трубчатого элемента электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, лишенного большей части недостатков прототипа.The aim of the present invention is to provide a tubular element of an electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, devoid of most of the disadvantages of the prototype.

Технической задачей является конструкция и способ изготовления ТОЭ, а именно: предложить конструкцию трубчатого элемента электрохимического устройства на основе тонкослойного, менее 0,3 мм, несущего твердого электролита с газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, конструктивно обладающего необходимой прочностью и регулярностью торцевых частей, улучшенными электрохимическими характеристиками, а также способ его изготовления.The technical challenge is the design and method of manufacturing SOE, namely: to propose the design of a tubular element of an electrochemical device based on a thin-layer, less than 0.3 mm, supporting solid electrolyte with gas diffusion electrodes, interface and collector layers, structurally possessing the necessary strength and regularity of the end parts, improved electrochemical characteristics, as well as the method of its manufacture.

Указанная цель достигается за счет конструкции трубчатого элемента электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющего утолщения по торцам, в котором необходимая механическая прочность обеспечивается консолидировано всеми его компонентами, причем дополнительное снижение толщины твердого электролита в рабочей части достигается благодаря утолщениям по торцам и/или каркасу в рабочей зоне с плавным переходом к тонкому электролиту.This goal is achieved due to the design of the tubular element of the electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers, having thickenings at the ends, in which the necessary mechanical strength is ensured by all its components, and an additional decrease in the thickness of the solid electrolyte in the working part is achieved due to thickening at the ends and / or frame in the working area with a smooth transition to a thin electrolyte.

Цилиндрическую или слабоконусную трубу несущего электролита целесообразно изготавливать из керамики со средним размером кристаллитов менее 500 нм с толщиной стенки рабочей части твердого электролита 0,03-0,3 мм и утолщений по торцам трубы около 0,2-0,4 мм с тонкослойными, 15-20 мкм, электродами, расположенными на боковых внутренней и наружной поверхностях твердого электролита в промежутке между торцевыми утолщениями, включающими дополнительно интерфейсные и коллекторные слои. Длину элемента целесообразно иметь небольшой, не более 100 мм, для формирования батареи последовательным соединением элементов торец в торец. Торцевые части элемента электрохимического устройства свободны от электродов, длина которых меньше длины элемента на величину суммарной ширины торцевых утолщений. Это полностью исключает возможность их замыкания и повышает технологичность сборки при использовании высокотемпературных клеев (например, стеклогерметиков). Дополнительно, на границе каждого электрода с электролитом могут быть расположены тонкие, не более 5 мкм, интерфейсные слои различного назначения: каталитические, барьерные и т.д. Использование твердого электролита с тонкой кристаллической структурой (в субмикронном диапазоне) обеспечивает ему стабильные улучшенные электрические и механические характеристики, по сравнению с традиционным крупнокристаллическим материалом того же состава [см., например, A. Spirin, V. Ivanov, A. Nikonov, et al. Scandia-stabilized zirconia doped with yttria: synthesis, properties, and ageing behavior, Solid State Ionics, 225 (2012), P. 448-452], а также в большей степени гарантирует отсутствие открытой пористости слоя твердого электролита малой толщины, который не должен быть меньше 0,03 мм из соображений отсутствия сквозной пористости и обеспечения прочности. При этом верхний предел толщины стенки трубы электролита обусловлен существующим уровнем техники. Утолщения по торцам трубы твердого электролита служат для обеспечения стабильной цилиндрической геометрии торцевых частей элемента электрохимического устройства в процессе его изготовления, т.е. минимизируют их деформацию (образование эллипсности), которая реализуется по различным причинам при спекании тонкостенных изделий. Кроме того, торцевые утолщения обеспечивают необходимую механическую прочность уже спеченному тонкостенному керамическому элементу и, следовательно, технологичность при сборке элементов в батарею, а также повышают стойкость торцов в условиях герметизации высокотемпературными герметиками. Толщина и ширина торцевых утолщений выбираются таким образом, чтобы удовлетворить указанным требованиям при конкретных геометрических размерах элемента электрохимического устройства, соотношении длины и диаметра, а также используемого материала. При этом торцевые утолщения могут быть сформированы из материала, обладающего повышенной прочностью по сравнению с материалом твердого электролита, при условии их химического сродства и близости коэффициентов теплового расширения. Такими материалами могут быть, например, частично стабилизированный диоксид циркония или композит на основе материала твердого электролита. Для минимизации напряжений, обычно возникающих при спекании керамических деталей с уступами, переход от конструкционных торцевых утолщений к рабочей тонкостенной части трубы электролита выполнен плавным, в отличие от элемента электрохимического устройства прототипа. Диаметры противоположных торцов трубчатого элемента могут отличаться на величину технологического конуса, обусловленного способом изготовления. При этом слабая конусность твердооксидного элемента обеспечивает более плотное прилегание сопряженных деталей токовой коммутации.It is advisable to produce a cylindrical or slightly conical carrier electrolyte pipe from ceramics with an average crystallite size of less than 500 nm with a wall thickness of the working part of the solid electrolyte of 0.03-0.3 mm and thickenings at the ends of the pipe about 0.2-0.4 mm with thin layers, 15 -20 μm, with electrodes located on the lateral inner and outer surfaces of the solid electrolyte in the interval between the end thickenings, which additionally include interface and collector layers. It is advisable to have a cell length of small, not more than 100 mm, to form a battery by a series connection of the end-to-end elements. The end parts of the element of the electrochemical device are free of electrodes whose length is less than the length of the element by the total width of the end thickenings. This completely eliminates the possibility of their closure and increases the manufacturability of the assembly when using high-temperature adhesives (for example, glass sealants). Additionally, at the interface of each electrode with the electrolyte, thin, no more than 5 microns, interface layers for various purposes can be located: catalytic, barrier, etc. The use of a solid electrolyte with a fine crystalline structure (in the submicron range) provides it with stable improved electrical and mechanical characteristics compared to traditional coarse-grained material of the same composition [see, for example, A. Spirin, V. Ivanov, A. Nikonov, et al . Scandia-stabilized zirconia doped with yttria: synthesis, properties, and aging behavior, Solid State Ionics, 225 (2012), P. 448-452], and also to a greater extent guarantees the absence of open porosity of a layer of solid electrolyte of small thickness, which should not be less than 0.03 mm for reasons of lack of through porosity and ensuring strength. Moreover, the upper limit of the wall thickness of the electrolyte pipe is due to the existing level of technology. The thickenings at the ends of the solid electrolyte pipe serve to ensure stable cylindrical geometry of the end parts of the element of the electrochemical device during its manufacture, i.e. minimize their deformation (the formation of ellipse), which is realized for various reasons during sintering of thin-walled products. In addition, end thickenings provide the necessary mechanical strength to the already sintered thin-walled ceramic element and, therefore, manufacturability when assembling the elements into the battery, and also increase the resistance of the ends under conditions of sealing with high-temperature sealants. The thickness and width of the end thickenings are selected in such a way as to satisfy the specified requirements for specific geometric dimensions of the element of the electrochemical device, the ratio of length and diameter, as well as the material used. In this case, the end thickenings can be formed from a material having increased strength in comparison with the solid electrolyte material, provided that they have chemical affinity and the thermal expansion coefficients are close. Such materials may be, for example, partially stabilized zirconia or a composite based on solid electrolyte material. To minimize stresses that usually occur during sintering of ceramic parts with ledges, the transition from structural end thickenings to the working thin-walled part of the electrolyte pipe is made smooth, in contrast to the prototype electrochemical device. The diameters of the opposite ends of the tubular element may differ by the size of the technological cone, due to the manufacturing method. In this case, the weak taper of the solid oxide element provides a more snug fit of the mating parts of the current switching.

Варианты конструкции ТОЭ поясняются чертежами на Фиг. 1-5, где схематично представлены продольные разрезы трубчатого ТОЭ (10) с тонкослойным твердым электролитом (11), упрочненными цилиндрическими торцами (12) и тонкослойными электродами (13, 14). ТОЭ может быть реализован, как с несущим электролитом (11) толщиной 0,03-0,3 мм (Фиг. 1), так и с несущим одним из электродов (13) или (14) (Фиг. 2, 3), точнее, их токовым коллектором (15) или (16), или несущими обоими электродами, точнее, их токовыми коллекторами (15 и 16) (Фиг. 4). Между слоями (11) и (13), (11) и (14) могут располагаться дополнительные интерфейсные слои различного назначения (на чертежах не показаны). Варианты конструкции последних отличаются от исходной уменьшенной толщиной электролита (11) в средней рабочей части элемента за счет увеличения толщины одного или обоих электродов, точнее, их токовых коллекторов. Использование в качестве несущего компонента токового коллектора вместо электрода является более рациональным техническим решением, поскольку электродные слои из материалов со смешанным типом проводимости необходимы для осуществления электрохимической реакции, которая протекает на границе раздела фаз - трехфазной границе "электролит-электрод-газ". Поэтому толщину этой реакционной области не целесообразно делать более 50 мкм, предпочтительно 10-20 мкм. Кроме того, материалы токовых коллекторов обладают большей электронной проводимостью, по сравнению с электродными, и, следовательно, могут быть изготовлены более пористыми для снижения затруднений доставки реагентов к соответствующей трехфазной границе.The design options for the TOE are illustrated by the drawings in FIG. 1-5, where longitudinal sections of tubular SOE (10) with a thin-layer solid electrolyte (11), hardened cylindrical ends (12) and thin-layer electrodes (13, 14) are schematically presented. A TOE can be implemented both with a carrier electrolyte (11) with a thickness of 0.03-0.3 mm (Fig. 1), and with a carrier one of the electrodes (13) or (14) (Fig. 2, 3), more precisely , their current collector (15) or (16), or supporting both electrodes, more precisely, their current collectors (15 and 16) (Fig. 4). Between layers (11) and (13), (11) and (14), additional interface layers for various purposes (not shown in the drawings) may be located. The design options of the latter differ from the initial one by a reduced thickness of the electrolyte (11) in the middle working part of the cell due to an increase in the thickness of one or both electrodes, more precisely, of their current collectors. The use of a current collector instead of an electrode as a supporting component is a more rational technical solution, since electrode layers of materials with a mixed type of conductivity are necessary for the implementation of an electrochemical reaction that proceeds at the phase boundary — the three-phase electrolyte-electrode-gas interface. Therefore, the thickness of this reaction region is not advisable to make more than 50 microns, preferably 10-20 microns. In addition, the materials of current collectors have higher electronic conductivity compared to electrode ones, and, therefore, can be made more porous to reduce difficulties in the delivery of reagents to the corresponding three-phase boundary.

В вариантах конструкции ТОЭ с одним из токовых коллекторов в качестве несущего более предпочтительно использовать тот, который вносит в полное сопротивление элемента больший вклад, например, керамический катод ТОТЭ на основе манганитов, кобальтитов и хромитов вместо металлокерамического анода, например, на основе Ni с добавкой материала твердого электролита на основе стабилизированного ΖrO2 (Y2O3-ZrO2, Sc2O3), допированного СеО2 (Gd2O3-СеО2, Sm2O3-CeO2 и др.).In variants of the design of a SOFC with one of the current collectors as a carrier, it is more preferable to use one that makes a greater contribution to the total resistance of the element, for example, a ceramic SOFC based on manganites, cobaltites and chromites instead of a cermet anode, for example, based on Ni with the addition of material solid electrolyte based on stabilized ΖrO 2 (Y 2 O 3 —ZrO 2 , Sc 2 O 3 ), doped with CeO 2 (Gd 2 O 3 —CeO 2 , Sm 2 O 3 —CeO 2 , etc.).

Также возможна конструкция ТОЭ (Фиг. 5) с несущим твердым электролитом и тонкослойными электродами, отличающаяся от исходной тем, что в средней рабочей части труба электролита изготовлена с углублениями - ячейками, имеющими до нескольких раз меньшую толщину стенки по отношению к толщине стенки основной трубы электролита, которую теперь можно рассматривать, как каркас (17). При этом сохраняется несущая способность трубы электролита и обеспечивается снижение внутренних потерь на ячейках и элементе электрохимического устройства в целом. Ячейки трубчатого каркаса электролита могут иметь симметричную форму, т.е. быть прямоугольными, треугольными, круглыми, шестигранными и т.д. или иметь произвольную форму при условии высокого коэффициента заполнения поверхности трубы.It is also possible to design a TOE (Fig. 5) with a supporting solid electrolyte and thin-layer electrodes, which differs from the initial one in that in the middle working part the electrolyte pipe is made with recesses - cells having up to several times smaller wall thickness relative to the wall thickness of the main electrolyte pipe , which can now be considered as a frame (17). At the same time, the bearing capacity of the electrolyte pipe is preserved and the internal losses on the cells and element of the electrochemical device as a whole are reduced. The cells of the tubular frame of the electrolyte may have a symmetrical shape, i.e. be rectangular, triangular, round, hexagonal, etc. or have any shape under the condition of a high fill factor of the pipe surface.

Суть изобретения поясняется чертежами на Фиг. 1-7.The essence of the invention is illustrated by drawings in FIG. 1-7.

На Фиг. 1 приведено схематичное изображение трубчатого элемента электрохимического устройства 10 (вариант 1) с несущим тонкослойным твердым электролитом, который имеет: 11 - рабочий слой твердого электролита, 12 - конструкционное утолщение трубы электролита, 13 - газодиффузионный внутренний электрод, 14 - газодиффузионный внешний электрод (между слоями 11-13, 11-14 расположены интерфейсные слои, непоказанные на чертежах).In FIG. 1 shows a schematic illustration of a tubular element of an electrochemical device 10 (option 1) with a supporting thin-layer solid electrolyte, which has: 11 - a working layer of solid electrolyte, 12 - structural thickening of the electrolyte pipe, 13 - gas diffusion internal electrode, 14 - gas diffusion external electrode (between layers 11-13, 11-14 are interface layers, not shown in the drawings).

На Фиг. 2 приведено схематичное изображение трубчатого элемента электрохимического устройства 10 (вариант 2) с тонкослойным твердым электролитом и несущим токовым коллектором внутреннего электрода, который имеет: 11 - рабочий слой твердого электролита, 12 - конструкционное утолщение трубы электролита, 13 - газодиффузионный внутренний электрод, 14 - газодиффузионный внешний электрод, 15 - газодиффузионный токовый коллектор внутреннего электрода (между слоями 11-13, 11-14 расположены интерфейсные слои, непоказанные на чертежах).In FIG. 2 shows a schematic illustration of a tubular element of an electrochemical device 10 (option 2) with a thin layer solid electrolyte and a supporting current collector of the internal electrode, which has: 11 - a working layer of solid electrolyte, 12 - structural thickening of the electrolyte pipe, 13 - gas diffusion internal electrode, 14 - gas diffusion external electrode, 15 - gas diffusion current collector of the internal electrode (between layers 11-13, 11-14 there are interface layers not shown in the drawings).

На Фиг. 3 приведено схематичное изображение трубчатого элемента электрохимического устройства 10 (вариант 3) с тонкослойным твердым электролитом и несущим токовым коллектором внешнего электрода, который имеет: 11 - рабочий слой твердого электролита, 12 - конструкционное утолщение трубы электролита, 13 - газодиффузионный внутренний электрод, 14 - газодиффузионный внешний электрод, 16 - газодиффузионный токовый коллектор внешнего электрода (между слоями 11-13, 11-14 расположены интерфейсные слои, непоказанные на чертежах).In FIG. 3 shows a schematic illustration of a tubular element of an electrochemical device 10 (option 3) with a thin layer solid electrolyte and a supporting current collector of the external electrode, which has: 11 - a working layer of solid electrolyte, 12 - structural thickening of the electrolyte pipe, 13 - gas diffusion internal electrode, 14 - gas diffusion external electrode, 16 - gas diffusion current collector of the external electrode (between layers 11-13, 11-14 there are interface layers not shown in the drawings).

На Фиг. 4 приведено схематичное изображение трубчатого элемента электрохимического устройства 10 (вариант 4) с тонкослойным твердым электролитом и несущих обоих токовых коллекторах, который имеет: 11 - рабочий слой твердого электролита, 12 - конструкционное утолщение трубы электролита, 13 - газодиффузионный внутренний электрод, 14 - газодиффузионный внешний электрод, 15 - газодиффузионный токовый коллектор внутреннего электрода, 16 - газодиффузионный токовый коллектор внешнего электрода (между слоями 11-13, 11-14 расположены интерфейсные слои, непоказанные на чертежах).In FIG. 4 shows a schematic illustration of a tubular element of an electrochemical device 10 (option 4) with a thin layer solid electrolyte and supporting both current collectors, which has: 11 - a working layer of solid electrolyte, 12 - structural thickening of the electrolyte pipe, 13 - gas diffusion internal electrode, 14 - gas diffusion external electrode, 15 - gas diffusion current collector of the internal electrode, 16 - gas diffusion current collector of the external electrode (between layers 11-13, 11-14 are interface layers, not shown in the drawings).

На Фиг. 5 приведено схематичное изображение трубчатого элемента электрохимического устройства 10 (вариант 5) с несущим тонкослойным твердым электролитом в виде каркаса, который имеет: 11 - рабочий слой твердого электролита, 12 - конструкционное утолщение трубы электролита, 13 - газодиффузионный внутренний электрод, 14 - газодиффузионный внешний электрод, 15 - газодиффузионный токовый коллектор внутреннего электрода, 16 - газодиффузионный токовый коллектор внешнего электрода, 17 - сеточный каркас трубы твердого электролита с ячейками 11; Фиг. 5 также содержит изометрическое изображение трубы твердого электролита без электродов.In FIG. 5 shows a schematic illustration of a tubular element of an electrochemical device 10 (option 5) with a supporting thin-layer solid electrolyte in the form of a frame, which has: 11 - a working layer of solid electrolyte, 12 - structural thickening of the electrolyte pipe, 13 - gas diffusion internal electrode, 14 - gas diffusion external electrode 15 - gas diffusion current collector of the internal electrode, 16 - gas diffusion current collector of the external electrode, 17 - mesh frame of a solid electrolyte pipe with cells 11; FIG. 5 also contains an isometric image of a solid electrolyte tube without electrodes.

На Фиг. 6 показана схема радиального магнитно-импульсного прессования в индукторе, в которой: 1 - спиральный однослойный индуктор, 2 - металлическая оболочка (например, медная), 3 - формообразующий стержень, 4 - многослойная заготовка из пленки, 5 - буферный слой порошка, 6 - герметичная заглушка (элементы 2-6 составляют пресс-форму).In FIG. 6 shows a diagram of radial magnetic pulse pressing in an inductor, in which: 1 - a spiral single-layer inductor, 2 - a metal sheath (for example, copper), 3 - a forming core, 4 - a multilayer blank from a film, 5 - a buffer layer of powder, 6 - sealed plug (elements 2-6 make up the mold).

На Фиг. 7 приведен внешний вид трубчатых твердооксидных элементов электрохимического устройства с трехслойной структурой, электрод-электролит-электрод, на основе несущего твердого электролита YSZ толщиной около 150-200 мкм.In FIG. Figure 7 shows the appearance of tubular solid oxide elements of an electrochemical device with a three-layer structure, an electrode-electrolyte-electrode, based on a YSZ supporting solid electrolyte with a thickness of about 150-200 μm.

В общем случае материалом твердого электролита для предлагаемых вариантов ТОЭ может быть тонко структурированная керамика на основе стабилизированного ΖrO2, с общей формулой (AyB1-y)xZr1-xO2-δ (А, В-Nd, Gd, Dy, Но, Y, Er, Tm, Yb, Lu, Se, Ca, Mg и др.), где 0,05≤x≤0,20, 0≤y≤1; на основе диоксида церия со структурой типа флюорита, LnxCe1-xO2-δ или (Ln0,95-ySryBa0,05)xCe1-xO2-δ (Ln-Sm, Gd, La), где 0,15≤x, y≤0,20; на основе галлата лантана с перовскито-подобной структурой, (La1-xSrx)(Ga1-yMgy)O3-δ, где 0,12≤х≤0,20, 0,10≤у≤0,20 и др., с выбором толщины стенки трубы в рабочей части в диапазоне 0,03-0,3 мм, исходя из обеспечения для выбранного материала несущей способности трубы электролита.In the general case, the solid electrolyte material for the proposed TOE options can be a finely structured ceramic based on stabilized ΖrO 2 , with the general formula (A y B 1-y ) x Zr 1-x O 2-δ (A, B-Nd, Gd, Dy, But, Y, Er, Tm, Yb, Lu, Se, Ca, Mg, etc.), where 0.05≤x≤0.20, 0≤y≤1; based on cerium dioxide with a fluorite-type structure, Ln x Ce 1-x O 2-δ or (Ln 0.95-y Sr y Ba 0.05 ) x Ce 1-x O 2-δ (Ln-Sm, Gd, La), where 0.15≤x, y≤0.20; based on lanthanum gallate with a perovskite-like structure, (La 1-x Sr x ) (Ga 1-y Mg y ) O 3-δ , where 0.12≤x≤0.20, 0.10≤y≤0, 20 and others, with the choice of the wall thickness of the pipe in the working part in the range of 0.03-0.3 mm, based on the provision for the selected material of the carrying capacity of the electrolyte pipe.

В зависимости от типа используемых материалов электродов предложенные варианты ТОЭ согласно настоящему изобретению могут иметь различное применение: топливный элемент (электролизный элемент), кислородный насос, конвертер и др. При этом электроды обычно изготавливают из композиционных материалов со смешанной ионно-электронной проводимостью, один из которых устойчив в окислительной атмосфере, например, композит La1-xSrxMnO3-δ (LSM)-YSZ, другой - в восстановительной атмосфере, например, кермет Ni-YSZ, причем для первых применений анод или катод из вышеназванных материалов расположен на внутренней или на внешней поверхности элемента. В случае кислородного насоса элемент имеет оба электрода устойчивых в окислительной атмосфере, а в случае конвертера элемент имеет оба электрода устойчивых в восстановительной атмосфере.Depending on the type of electrode materials used, the proposed TOE variants according to the present invention can have various applications: a fuel cell (electrolysis cell), an oxygen pump, a converter, etc. In this case, the electrodes are usually made of composite materials with mixed ion-electron conductivity, one of which is stable in an oxidizing atmosphere, e.g., a composite La 1-x Sr x MnO 3-δ (LSM) -YSZ, other - in a reducing atmosphere, e.g., cermet Ni-YSZ, wherein the first applications for the anode or cathode of yshenazvannyh materials located on the inner or on the outer surface of the element. In the case of an oxygen pump, the element has both electrodes stable in an oxidizing atmosphere, and in the case of a converter, the element has both electrodes stable in a reducing atmosphere.

Задача технического исполнения вариантов ТОЭ решается благодаря формированию гетероструктуры всего элемента или его большей части (например, полуэлемента) с функциональными слоями и конструкционными частями, отличающимися как по составу (компоненты элемента ЭХУ), так и по морфологии (плотные, пористые), из ультрадисперсных и наноразмерных порошков за одну операцию формования и последующего совместного спекания слоев керамического элемента при пониженной до 1100-1250°С температуре.The task of the technical performance of the TOE options is solved by forming a heterostructure of the entire element or its majority (for example, a semi-element) with functional layers and structural parts that differ both in composition (components of the ECM element) and in morphology (dense, porous), from ultrafine and nanoscale powders in one molding operation and subsequent joint sintering of layers of a ceramic element at a temperature lowered to 1100-1250 ° C.

Согласно настоящему изобретению способ включает использование слабо агрегированных нанопорошков твердого электролита, например, на основе ZrO2 (8,5-10 мол. % Y2O3, Sc2O3), с размером частиц 10-20 нм и удельной поверхностью не ниже 55 м2/г, что при температуре порядка 1100-1250°С и начальной относительной плотности порошка около 50-55% позволяет получать тонкие газоплотные (по водороду) слои керамики с относительной плотностью не менее 97% с сохранением малого размера кристаллитов в диапазоне 100-500 нм. Оставшуюся долю в объеме керамики (~3%) занимают закрытые поры с характерным размером в десятки нанометров. Как известно, тонкая структура керамики, реализующаяся при низкотемпературном спекании в диапазоне 1050-1300°С, обуславливает улучшенные эксплуатационные характеристики керамики: электрические, механические и теплофизические. Кроме того, пониженная температура спекания существенно расширяет возможности для совместного спекания слоев электролита с электродными слоями, например, на основе манганитов, кобальтитов и хромитов лантана-стронция. Использование ультрадисперсных порошков электродных материалов позволяет получать электроды с высокой электрохимической активностью, не уступающей активности электродов из Pt. Использование пленок для изготовления заготовки трубчатого электрохимического элемента, например, навивкой (намоткой) функциональных слоев на стержень в требуемой последовательности, позволяет воспроизводимо формировать слои заданной геометрии и толщины, вплоть до 5-10 мкм. Благодаря наличию в пленке органической связки, например, ПВБ, и их малой толщине, пленки являются достаточно пластичными. Более пластичное состояние реализуется при подогреве до температуры 70-120°С, что можно выгодно использовать при ламинировании слоев. Управление усадочными характеристиками компонентов элемента, электролита, электродов и т.д., что является одной из главных задач для осуществления совместного спекания, производится варьированием содержания активного порошка в пленке, варьированием дисперсности частиц порошков, а также введением в пленки, например, из электродных материалов, различных пассивных компонентов, например, порошка углерода в качестве порообразователя. Использование магнитно-импульсной техники для ламинирования многослойной заготовки из пленок рассматривается весьма перспективным способом. Ламинирование слоев заготовки осуществляется радиальным сжатием тонкостенной металлической трубы, внутри которой концентрично размещена многослойная заготовка из пленок на стержне (все вместе - пресс-форма), под действием внешнего импульсного давления на оболочку. Давление на оболочку оказывает импульсное магнитное поле индуктора, например, спирального однослойного соленоида, по виткам которого протекает импульсный ток при разряде на соленоид батареи конденсаторов. Длительность импульса тока (поля) варьируется в диапазоне 50-200 мкс, амплитуда давления магнитного поля - до 300 МПа [см., например, S. Paranin, V. Ivanov, A. Nikonov, et al. Densification of Nano-Sized Alumina Powders under Radial Magnetic Pulsed Compaction, Advances in Science and Technology, 45 (2006), pp. 899-904]. Пресс-форма помещается в цилиндрический канал индуктора (Фиг. 6), при этом воздействие на металлическую трубу оказывается бесконтактно, что существенно упрощает автоматизацию процесса. Ламинирование может быть произведено с обеспечением разряжения внутри пресс-формы (или без него), а также с предварительным подогревом (или без него). В пресс-форме зазор между металлической трубой и стержнем, на котором сформирована многослойная заготовка, целесообразно заполнять буферным порошком, например, крупнодисперсным порошком YSZ. Это обеспечивает однородность давления сжатия заготовки, мультипликацию давления за счет инерционных эффектов, присущих динамическим методам, и упрощает извлечение спрессованной компактной заготовки из пленки, например, механическим способом. Кроме того, использование крупнодисперсного порошка позволяет создавать на поверхности прессуемой заготовки дополнительную макрошероховатость, развивающую площадь контакта электрода с электролитом и увеличивающую адгезионное сцепление электродных слоев со слоем электролита в компактной заготовке элемента электрохимического устройства. Для упрощения извлечения внутреннего формообразующего стержня его изготавливают с небольшим конусом.According to the present invention, the method involves the use of weakly aggregated solid electrolyte nanopowders, for example, based on ZrO 2 (8.5-10 mol.% Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 ), with a particle size of 10-20 nm and a specific surface area of at least 55 m 2 / g, which at a temperature of about 1100-1250 ° C and an initial relative density of the powder of about 50-55% allows you to get thin gas-tight (hydrogen) ceramic layers with a relative density of at least 97% while maintaining a small crystallite size in the range of 100 -500 nm. The remaining fraction in the ceramic volume (~ 3%) is occupied by closed pores with a characteristic size of tens of nanometers. As you know, the fine structure of ceramics, which is realized during low-temperature sintering in the range of 1050–1300 ° C, determines the improved ceramic performance: electrical, mechanical, and thermophysical. In addition, the reduced sintering temperature significantly expands the possibilities for joint sintering of electrolyte layers with electrode layers, for example, based on manganites, cobaltites and lanthanum-strontium chromites. The use of ultrafine powders of electrode materials allows one to obtain electrodes with high electrochemical activity, not inferior to the activity of electrodes from Pt. The use of films for the manufacture of a tubular electrochemical cell, for example, by winding (winding) functional layers on a rod in the required sequence, allows reproducibly forming layers of a given geometry and thickness, up to 5-10 microns. Due to the presence of an organic binder in the film, for example, PVB, and their small thickness, the films are sufficiently plastic. A more plastic state is realized when heated to a temperature of 70-120 ° C, which can be advantageously used when laminating layers. The shrinkage characteristics of the components of the cell, electrolyte, electrodes, etc., which is one of the main tasks for joint sintering, are controlled by varying the content of active powder in the film, varying the dispersion of powder particles, and also introducing into films, for example, from electrode materials , various passive components, for example, carbon powder as a blowing agent. The use of magnetic-pulse technology for laminating a multilayer billet of films is considered a very promising way. Lamination of the blanks is carried out by radial compression of a thin-walled metal pipe, inside which a multilayer blank of films on a rod (collectively a mold) is concentrically placed, under the influence of an external pulsed pressure on the shell. The pressure on the shell is exerted by the pulsed magnetic field of the inductor, for example, a spiral single-layer solenoid, along the turns of which a pulsed current flows when it is discharged onto the solenoid of a capacitor bank. The duration of the current pulse (field) varies in the range of 50-200 μs, the amplitude of the magnetic field pressure is up to 300 MPa [see, for example, S. Paranin, V. Ivanov, A. Nikonov, et al. Densification of Nano-Sized Alumina Powders under Radial Magnetic Pulsed Compaction, Advances in Science and Technology, 45 (2006), pp. 899-904]. The mold is placed in the cylindrical channel of the inductor (Fig. 6), while the impact on the metal pipe is non-contact, which greatly simplifies the automation of the process. Lamination can be done with a vacuum inside the mold (or without it), as well as with preheating (or without it). In the mold, the gap between the metal pipe and the rod on which the multilayer preform is formed, it is advisable to fill the buffer powder, for example, coarse powder YSZ. This ensures the uniformity of the compression pressure of the workpiece, the multiplication of pressure due to the inertial effects inherent in dynamic methods, and simplifies the extraction of the compacted compact workpiece from the film, for example, mechanically. In addition, the use of coarse powder makes it possible to create additional macro roughness on the surface of the pressed workpiece, which develops the contact area of the electrode with the electrolyte and increases the adhesion adhesion of the electrode layers to the electrolyte layer in a compact blank of an element of an electrochemical device. To simplify the extraction of the inner forming core it is made with a small cone.

Спекание полученной заготовки производится в атмосфере воздуха в резистивной печи, например, в несколько стадий, отличающихся скоростью нагрева и выдержкой, с обеспечением оптимальных условий удаления органических наполнителей и последующей совместной усадки компонентов элемента.Sintering of the obtained billet is carried out in an atmosphere of air in a resistive furnace, for example, in several stages that differ in heating speed and aging, providing optimal conditions for the removal of organic fillers and subsequent joint shrinkage of the components of the element.

Согласно настоящему изобретению способ включает:According to the present invention, the method includes:

- Формирование тонких пленок твердого электролита, например, на основе диоксида циркония или альтернативного материала, толщиной 5-30 мкм, с термопластичным связующим, например, поливинилбутиралем, по технологии, например, литья пленок на лавсановую подложку или экструзии с последующим каландрованием, используя для шликеров слабо агрегированные наноразмерные порошки (размер частиц не более 20 нм);- Formation of thin films of solid electrolyte, for example, based on zirconia or an alternative material, 5-30 μm thick, with a thermoplastic binder, for example, polyvinyl butyral, according to the technology, for example, casting films on a lavsan substrate or extrusion followed by calendaring, using for slip weakly aggregated nanosized powders (particle size no more than 20 nm);

- Формирование тонких пленок из композиционных электродных материалов, например, из LSM-YSZ, Ni-YSZ или альтернативных материалов, толщиной 5-30 мкм, с термопластичным связующим, например, поливинилбутиралем, указанными технологиями, используя для приготовления шликеров активные порошки различной дисперсности (наноразмерные и микроразмерные) и при необходимости пассивные компоненты - порообразователи, в количестве 10-50 об. % по отношению к активному материалу;- Formation of thin films from composite electrode materials, for example, from LSM-YSZ, Ni-YSZ or alternative materials, with a thickness of 5-30 μm, with a thermoplastic binder, for example, polyvinyl butyral, using the indicated technologies, using active powders of various dispersion (nanoscale for preparing slips) and micro-sized) and, if necessary, passive components - blowing agents, in an amount of 10-50 vol. % in relation to the active material;

- Формирование (при необходимости) тонких пленок интерфейсных, переходных слоев, например, из (Gd2O3)x(CeO2)1-x или альтернативного материала, толщиной около 5 мкм, с термопластичным связующим, например, поливинилбутиралем, указанными технологиями, используя для шликеров наноразмерные порошки;- Formation (if necessary) of thin films of interface, transition layers, for example, of (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x or an alternative material, about 5 μm thick, with a thermoplastic binder, for example, polyvinyl butyral, using the specified technologies, using nano-sized powders for slip;

- Изготовление из пленок выкроек в виде полос. При этом ширина полос (эквивалент длины элемента электрохимического устройства) из электродных материалов и интерфейсных слоев изготавливается меньше на величину общей ширины торцевых утолщений элемента. Длина выкроек выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую толщину функционального слоя и приблизительно равняется произведению π⋅D⋅Δ/δ, где D - диаметр формообразующего стержня, на котором формируют элемент, Δ - требуемая толщина стенки заготовки трубы, δ - толщина пленки, а их отношение Δ/δ определяет требуемое количество слоев пленки. При этом для более точного регулирования толщины следует вводить поправку для диаметра D, возрастающего с намоткой слоев;- Production of film patterns in the form of stripes. Moreover, the width of the strips (equivalent to the length of the element of the electrochemical device) from electrode materials and interface layers is made less by the value of the total width of the end thickenings of the element. The length of the patterns is chosen in such a way as to provide the necessary thickness of the functional layer and approximately equals the product π⋅D⋅Δ / δ, where D is the diameter of the forming core on which the element is formed, Δ is the required wall thickness of the pipe blank, δ is the film thickness, and their Δ / δ ratio determines the required number of film layers. In this case, for a more precise control of the thickness, a correction should be introduced for the diameter D increasing with the winding of the layers;

- Формирование многослойной заготовки элемента намоткой (навивкой) пленок необходимых компонентов на жесткий стержень, например, из конструкционной стали, включающее формирование намоткой первого электродного слоя(ев), формирование поверх первого электрода первого интерфейсного слоя (при необходимости), формирование несущей трубы электролита намоткой требуемого числа слоев (оборотов) таким образом, чтобы намотка электролита симметрично перекрывала первый электродный слой, оставляя по торцам трубы участки, свободные от электродов, формирование второго интерфейсного слоя (при необходимости), формирование внешнего электрода, расположенного симметрично с первым (внутренним) электродом и формирование узкими полосами, например, из пленки электролита торцевых утолщений, с обеспечением необходимой толщины. Для изготовления конструкции элемента с несущим электролитом в виде каркаса с ячейками стадию формирования трубы электролита можно разделить на две, первая из которых заключается в намотке цельных полос пленки до толщины, соответствующей толщине ячеек каркаса, а вторая - в укладке, например, в один слой утолщенной выкройки с изготовленными ячейками, например, методом вырубки;- Formation of a multilayer element blank by winding (winding) the films of the necessary components onto a rigid rod, for example, of structural steel, including winding the first electrode layer (s) by winding, forming the first interface layer (if necessary) over the first electrode, forming the required electrolyte pipe by winding the number of layers (revolutions) so that the winding of the electrolyte symmetrically overlaps the first electrode layer, leaving sections free of electrodes at the ends of the pipe, mation second interface layer (if necessary), the formation of the outer electrode, disposed symmetrically with the first (inner) electrode and the formation of narrow bands, e.g., the electrolyte film of the end bosses, with providing the required thickness. To fabricate the design of a cell with a supporting electrolyte in the form of a frame with cells, the stage of formation of the electrolyte pipe can be divided into two, the first of which consists in winding whole stripes of film to a thickness corresponding to the thickness of the cells of the frame, and the second in laying, for example, in one thickened layer patterns with manufactured cells, for example, by cutting down;

- Ламинирование всех компонентов трубчатого элемента требуемой конструкции давлением всестороннего сжатия, например, реализующегося при сжатии металлической трубы магнитно-импульсным способом, при условиях, обеспечивающих омоноличивание слоев пленок и удаление микропористости из пленки электролита: при подогреве до температуры, например, для ПВБ - 70-120°С (или без него), при разряжении в прессующей трубе (или без него), и давлении магнитного поля 150-250 МПа с последующим извлечением компактной заготовки, например, механическим способом;- Lamination of all components of the tubular element of the required design with all-round pressure, for example, realized by compressing a metal pipe with a magnetic pulse method, under conditions that ensure the monolithic layers of the films and remove microporosity from the electrolyte film: when heated to a temperature, for example, for PVB - 70- 120 ° C (or without it), when discharged in a pressing tube (or without it), and a magnetic field pressure of 150-250 MPa, followed by extraction of a compact workpiece, for example, by mechanical means;

- Совместное спекание многослойной структуры элемента, которое производят при условиях, обеспечивающих получение газоплотного слоя твердого электролита и пористых газодиффузионных электродов, например, двухстадийным нагревом заготовки в атмосфере воздуха до температуры 400-600°С со скоростью 0,05-1°С/мин и выдержкой 0-30 мин, необходимой для удаления органических наполнителей, и заключительным спеканием при нагреве со скоростью 5-10°С/мин до температуры 1100-1250°С с выдержкой 1-10 ч и охлаждении со скоростью 5-10°С/мин.- Joint sintering of the multilayer structure of the element, which is carried out under conditions providing a gas-tight layer of solid electrolyte and porous gas diffusion electrodes, for example, by two-stage heating of a workpiece in an atmosphere of air to a temperature of 400-600 ° C at a rate of 0.05-1 ° C / min and holding 0-30 min, necessary to remove organic fillers, and final sintering when heated at a speed of 5-10 ° C / min to a temperature of 1100-1250 ° C with a holding time of 1-10 hours and cooling at a speed of 5-10 ° C / min .

Пример исполнения элементаElement execution example

Методом литья на лавсановую подложку (пленку) шликеров на основе поливинилбутираля (10-14 масс. %) была отлита пленка толщиной около 15 мкм из слабо агрегированного нанопорошка твердого электролита YSZ (8,5 мол. % Y2O3) с удельной поверхностью порядка 55-60 м2/г. Из композиционного порошка электродного материала LSM-YSZ с объемным соотношением LSM:YSZ=50:50, подобранным гранулометрическим составом материала LSM и добавкой порообразователя - сажи (30 об. % к активному материалу), была отлита пленка толщиной около 25 мкм (12-16% масс. ПВБ). Из порошковых пленок, отделенных от лавсановой ленты, были вырезаны выкройки (полосы) всех компонентов элемента требуемой ширины и длины, чтобы сформировать электроды одинарными, при этом полосы указанных компонентов имели ширину полосы меньше полосы из материала электролита на величину ширины двух торцевых утолщений. Длину полос из пленки электролита выбирали такой, чтобы на стержне пресс-формы сформировать 6, 12 и 18-ти слойную трубу несущего электролита с толщиной слоя электролита около 90, 180 и 270 мкм, соответственно. Полосы наматывали на стержень в необходимой последовательности. На завершающем этапе на торцевые части заготовки трубы, свободные от электродов, укладывали (наматывали) узкими полосами из пленки материала электролита шириной порядка 2-3 мм утолщения. Затем после установки стержня с намоткой в медную трубу, засыпки буферного порошка, вакуумирования и подогрева до 100°С было произведено магнитно-импульсное прессование (омоноличивание термопластичных слоев) при давлении импульсного магнитного поля около 200 МПа, причем амплитуда давления порошка на заготовку было минимум в 2 раза выше магнитного. Извлечение компакта из трубы и съем со стержня производили механическим способом. Спекание компактной заготовки проводили в атмосфере воздуха в две стадии: нагрев со скоростью 0,5°/мин до 600°С с последующим нагревом до 1150°С со скоростью 5°/мин с выдержкой на максимальной температуре 4 часа.A polyvinyl butyral-based slip (10-14 wt.%) Of slips based on polyvinyl butyral (10-14 wt.%) Was cast by casting a film about 15 microns thick from a weakly aggregated nanopowder of YSZ solid electrolyte (8.5 mol.% Y 2 O 3 ) with a specific surface area of about 55-60 m 2 / g. From a composite powder of electrode material LSM-YSZ with a volume ratio of LSM: YSZ = 50: 50, selected by the particle size distribution of the LSM material and the addition of a pore former - carbon black (30 vol.% To the active material), a film with a thickness of about 25 μm was cast (12-16 % wt. PVB). Patterns (strips) of all components of the element of the required width and length were cut from powder films separated from the mylar ribbon to form single electrodes, while the strips of these components had a strip width less than the strip of electrolyte material by the width of two end thickenings. The length of the strips from the electrolyte film was chosen such that a 6, 12, and 18-layer carrier electrolyte pipe with an electrolyte layer thickness of about 90, 180, and 270 μm, respectively, was formed on the mold core. The bands were wound around the rod in the required sequence. At the final stage, on the end parts of the billet, free of electrodes, were laid (wound) with narrow strips of a film of electrolyte material with a width of about 2-3 mm thickening. Then, after installing the rod with the winding in a copper pipe, backfilling the buffer powder, evacuating and heating to 100 ° C, magnetic pulse pressing (monolithic thermoplastic layers) was performed at a pressure of a pulsed magnetic field of about 200 MPa, and the amplitude of the pressure of the powder on the workpiece was at least 2 times higher than magnetic. The compact was removed from the pipe and removed from the rod mechanically. The compact billet was sintered in an atmosphere of air in two stages: heating at a speed of 0.5 ° / min to 600 ° C, followed by heating to 1150 ° C at a speed of 5 ° / min with exposure at a maximum temperature of 4 hours.

В результате были получены ТОЭ с трехслойной структурой «электрод-электролит-электрод» (элементы кислородного насоса), диаметром около 12 мм с газоплотным слоем твердого электролита 8,5YSZ с относительной плотностью не ниже 97%, с размером зерна керамики твердого электролита около 300 нм и толщиной слоя электролита соответственно 70, 140 и 215 мкм в средней части и толщиной торцевых утолщений 300-400 мкм, с эллипсностью торцов элемента не более 5% (определяется как разность большего и меньшего диаметров утолщенного торца элемента, отнесенная к их среднему значению), с тонкослойными, 15-20 мкм, электродами, характеризующихся открытой пористостью порядка 25-30 об. % (Фиг. 7). Испытания полученных элементов кислородного насоса при температуре 800°С не выявили наличия диффузионных затруднений доставки газов вплоть до плотностей тока около 2 А/см2. При этом по оценкам при плотности тока 1,5 А/см2 перенапряжение композиционных LSM-YSZ электродов (их поляризация) не превышала 30% от приложенного к элементу напряжения.As a result, a SOE with a three-layer electrode-electrolyte-electrode structure (elements of an oxygen pump) with a diameter of about 12 mm and a gas-tight layer of solid electrolyte 8.5YSZ with a relative density of at least 97%, and a grain size of solid electrolyte ceramics of about 300 nm were obtained and the thickness of the electrolyte layer, respectively 70, 140 and 215 μm in the middle part and the thickness of the end thickenings of 300-400 μm, with an ellipse of the ends of the element not more than 5% (defined as the difference between the larger and smaller diameters of the thickened end of the element, referred to their average th value), with lamella, 15-20 microns, the electrodes characterized by an open porosity of 25-30 vol. % (Fig. 7). Tests of the obtained elements of the oxygen pump at a temperature of 800 ° C did not reveal the presence of diffusion difficulties in the delivery of gases up to current densities of about 2 A / cm 2 . Moreover, according to estimates, at a current density of 1.5 A / cm 2, the overvoltage of composite LSM-YSZ electrodes (their polarization) did not exceed 30% of the voltage applied to the cell.

Техническим результатом предложенных вариантов ТОЭ и способа их изготовления следует считать повышение удельных характеристик (снижение внутренних потерь), улучшение эксплуатационной стабильности ТОЭ, снижение материалоемкости, улучшение технологичности при изготовлении и соединении ТОЭ в батарею, а также снижение энергозатрат на изготовление.The technical result of the proposed TOE options and the method of their manufacture should be considered as the increase in specific characteristics (reduction of internal losses), improvement of the operational stability of the TOE, reduction of material consumption, improvement of manufacturability in the manufacture and connection of the TOE into the battery, as well as a reduction in energy costs for manufacturing.

Claims (11)

1. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, причем снижение толщины несущего твердого электролита достигается за счет торцевых утолщений и/или каркаса в рабочей зоне.1. A tubular element of an electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers, having end thickenings, characterized in that the end thickenings are made integrally with a smooth transition to the electrolyte, and the decrease in the thickness of the supporting solid electrolyte is achieved due to the end thickenings and or frame in the working area. 2. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, а цилиндрическая или слабоконусная труба несущего электролита выполнена из керамики со средним размером кристаллитов менее 500 нм, имеет толщину стенки меньше 0,3 мм с торцевыми утолщениями до 0,5 мм и тонкослойные электроды 15-20 мкм, расположенные на боковой поверхности электролита в промежутке между торцевыми утолщениями, включающие дополнительно интерфейсные и коллекторные слои.2. A tubular element of an electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers, having end thickenings, characterized in that the end thickenings are made in one piece with a smooth transition to the electrolyte, and the cylindrical or slightly conical supporting electrolyte is made of ceramic with medium size crystallites less than 500 nm, has a wall thickness of less than 0.3 mm with end thickenings of up to 0.5 mm and thin-layer electrodes of 15-20 microns located on the side the surface of the electrolyte in the interval between the end thickenings, including additional interface and collector layers. 3. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, а цилиндрическая или слабоконусная труба твердого электролита выполнена из керамики со средним размером кристаллитов менее 500 нм, имеет толщину стенки меньше 0,3 мм с торцевыми утолщениями до 0,5 мм и тонкослойные электроды 15-20 мкм, расположенные на боковой поверхности электролита в промежутке между торцевыми утолщениями, включающие дополнительно интерфейсные и коллекторные слои, и толщина трубы твердого электролита в рабочей части элемента снижена за счет увеличения толщины одного или обоих токовых электродных коллекторов.3. A tubular element of an electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers, having end thickenings, characterized in that the end thickenings are made in one piece with a smooth transition to the electrolyte, and the cylindrical or slightly conical solid electrolyte pipe is made of medium-sized ceramic. crystallites less than 500 nm, has a wall thickness of less than 0.3 mm with end thickenings of up to 0.5 mm and thin-layer electrodes of 15-20 microns located on the side the surface of the electrolyte in the interval between the end thickenings, including additional interface and collector layers, and the thickness of the pipe of the solid electrolyte in the working part of the cell is reduced by increasing the thickness of one or both of the current electrode collectors. 4. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, а цилиндрическая или слабоконусная труба электролита выполнена из керамики со средним размером кристаллитов менее 500 нм и имеет в рабочей части элемента каркас с ячейками, имеющими форму N-угольника (например, треугольника, прямоугольника и т.д.), круга и др., в которых толщина электролита в несколько раз меньше толщины стенки каркаса, и содержит функциональные по толщине газодиффузионные электроды, расположенные по всей боковой поверхности элемента в промежутке между торцевыми утолщениями.4. A tubular element of an electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers, having end thickenings, characterized in that the end thickenings are made in one piece with a smooth transition to the electrolyte, and the cylindrical or slightly conical electrolyte pipe is made of ceramic with an average crystalline size less than 500 nm and has a frame in the working part of the element with cells having the shape of an N-gon (for example, a triangle, a rectangle, etc.), a circle and others, in which the thickness of the electrolyte is several times less than the thickness of the wall of the frame, and contains functional thickness gas diffusion electrodes located along the entire side surface of the cell in the interval between the end thickenings. 5. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, а цилиндрическая или слабоконусная труба твердого электролита выполнена из тонкоструктурированной со средним размером кристаллитов менее 500 нм керамики:5. A tubular element of an electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers, having end thickenings, characterized in that the end thickenings are made in one piece with a smooth transition to the electrolyte, and a cylindrical or slightly conical solid electrolyte pipe is made of thin-structured crystallites of less than 500 nm ceramics: на основе диоксида циркония с общей формулой (AyB1-y)xZr1-xO2-δ (А, В-Nd, Gd, Dy, Но, Y, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, Ca, Mg и др.), где 0,05≤x≤0,20, 0≤y≤1;based on zirconium dioxide with the general formula (A y B 1-y ) x Zr 1-x O 2-δ (A, B-Nd, Gd, Dy, But, Y, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, Ca , Mg, etc.), where 0.05≤x≤0.20, 0≤y≤1; на основе диоксида церия с общей формулой LnxCe1-xO2-δ или (Ln0,95-ySryBa0,05)xCe1-xO2-δ (Ln-Sm, Gd, La), где 0,15≤x, у≤0,20, с кристаллической структурой типа флюорита;based on cerium dioxide with the general formula Ln x Ce 1-x O 2-δ or (Ln 0.95-y Sr y Ba 0.05 ) x Ce 1-x O 2-δ (Ln-Sm, Gd, La) where 0.15 x x, y 0 0.20, with a crystal structure such as fluorite; на основе галлата лантана с общей формулой (La1-xSrx)(Ga1-yMgy)O3-δ, где 0,12≤x≤0,20, 0,10≤y≤0,20, с перовскитоподобной кристаллической структурой, имеет толщину стенки меньше 0,3 мм с торцевыми утолщениями до 0,5 мм и тонкослойные электроды 15-20 мкм, расположенные на боковой поверхности электролита в промежутке между торцевыми утолщениями и выполненные из композиционных материалов со смешанной ионно-электронной проводимостью, один из которых устойчив в окислительной атмосфере, например композит LSM-YSZ, другой - в восстановительной атмосфере, например кермет Ni-YSZ, причем трубчатый элемент с электродами, анодом и катодом из вышеназванных материалов, один из которых расположен на внутренней или на внешней поверхности элемента, другой - на противоположной, позволяет использовать его в электрохимическом устройстве типа топливного элемента (электролизного элемента), а трубчатый элемент с обоими устойчивыми в окислительной среде электродами - в электрохимическом устройстве типа кислородного насоса, а трубчатый элемент с обоими устойчивыми в восстановительной среде электродами - в электрохимическом устройстве типа конвертера.based on lanthanum gallate with the general formula (La 1-x Sr x ) (Ga 1-y Mg y ) O 3-δ , where 0.12≤x≤0.20, 0.10≤y≤0.20, s perovskite-like crystalline structure, has a wall thickness of less than 0.3 mm with end thickenings up to 0.5 mm and thin-layer electrodes of 15-20 μm located on the side surface of the electrolyte in the interval between the end thickenings and made of composite materials with mixed ion-electron conductivity, one of which is stable in an oxidizing atmosphere, for example, LSM-YSZ composite, the other in a reducing atmosphere, for example, Ni-YSZ, and a tubular cell with electrodes, anode and cathode of the above materials, one of which is located on the inner or outer surface of the cell, the other on the opposite, allows it to be used in an electrochemical device such as a fuel cell (electrolysis cell), and a tubular element with both electrodes stable in an oxidizing medium - in an electrochemical device such as an oxygen pump, and a tubular element with both electrodes stable in a reducing environment - in electrodes nical device type converter. 6. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, причем снижение толщины твердого электролита в рабочей зоне достигается за счет торцевых утолщений и/или каркаса, которые выполнены из материала дисперсионно-упрочненного твердого электролита, или из совместимого с твердым электролитом материала, обладающего большей механической прочностью.6. A tubular element of an electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers, having end thickenings, characterized in that the end thickenings are made integrally with a smooth transition to the electrolyte, and the decrease in the thickness of the solid electrolyte in the working area is achieved due to the end thickenings and / or frame, which is made of a dispersion hardened solid electrolyte material, or of a material compatible with a solid electrolyte, o possessing greater mechanical strength. 7. Способ изготовления трубчатого элемента электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющего торцевые утолщения трубы твердого электролита, включающий намотку полос пленок из компонентов элемента, сформированных литьем спиртовой или водной суспензии на основе полимера с последующим компактированием и спеканием, отличающийся тем, что пленки твердого электролита и торцевых утолщений изготавливают из слабоагрегированных нанопорошков с размером частиц 15-20 нм и удельной поверхностью не менее 50 м2/г, пленки электродов и интерфейсных слоев - из смеси микроразмерных и наноразмерных порошков, входящих в состав компонентов, которые в виде полос необходимой ширины и длины наматывают в нужной последовательности на конусный (0,3-0,5°) стержень для получения требуемого количества слоев и взаимного расположения компонентов, помещают заготовку элемента на стержне в металлическую трубу, а в зазор между трубой и заготовкой засыпают промежуточный буферный слой порошка, например, из материала электролита с размером частиц 1-30 мкм, дегазируют внутреннее пространство трубы с одновременным подогревом до 70-120°С, производят ламинирование (омоноличивание) слоев магнитно-импульсным способом в индукторе при давлении импульсного магнитного поля амплитудой 150-250 МПа и длительностью 50-200 мкс, извлекают компактную заготовку элемента из пресс-формы, производят совместное, по меньшей мере, двухстадийное спекание многослойной заготовки элемента из полимер-керамики на воздухе с нагревом до температуры 400-600°С со скоростью 0,05-1°/мин с выдержкой 0-30 мин и продолжением нагрева со скоростью 5-10°/мин до температуры 1100-1250°С с выдержкой 1-10 ч.7. A method of manufacturing a tubular element of an electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers, having end thickenings of the solid electrolyte pipe, including winding stripes of films from component components formed by casting an alcohol or aqueous suspension based on a polymer, followed by compacting and sintering characterized in that the films of solid electrolyte and end thickenings are made of weakly aggregated nanopowders s having a particle size of 15-20 nm and a surface area of at least 50 m 2 / g, the electrode films and interface layers - of a mixture of micro and nanoscale powders comprising the components that are in the form of strips required width and length is wound in a desired sequence a conical (0.3-0.5 °) rod to obtain the required number of layers and the relative positions of the components, place the blank of the element on the rod in a metal pipe, and in the gap between the tube and the workpiece, an intermediate buffer layer of powder is filled, for example, from an electrolyte material with a particle size of 1-30 μm, the pipe’s internal space is degassed with simultaneous heating to 70-120 ° С, the layers are laminated (monolithic) in a magnetically pulsed manner in an inductor at a pulsed magnetic field pressure with an amplitude of 150-250 MPa and a duration of 50- 200 μs, the compact blank of the element is removed from the mold, at least two-stage joint sintering of the multilayer blank of the polymer-ceramic element in air is carried out with heating to a temperature of 400-600 ° C at a rate of 0.05-1 ° / min 0-30 min exposure and continued heating at a speed of 5-10 ° / min to a temperature of 1100-1250 ° C with 1-10 hours delay. 8. Способ изготовления трубчатого элемента электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями по п. 4, включающий намотку полос пленок из компонентов элемента, сформированных литьем спиртовой или водной суспензии на основе полимера с последующим компактированием и спеканием, отличающийся тем, что пленки твердого электролита и торцевых утолщений изготавливают из слабоагрегированных нанопорошков с размером частиц 15-20 нм и удельной поверхностью не менее 50 м2/г, пленки электродов и интерфейсных слоев - из смеси микроразмерных и наноразмерных порошков, входящих в состав компонентов, которые в виде полос необходимой ширины и длины наматывают в нужной последовательности на конусный (0,3-0,5°) стержень для получения требуемого количества слоев и взаимного расположения компонентов, причем для изготовления каркаса трубы электролита на тонкий сплошной слой (слои) из пленки электролита наматывают требуемое количество слоев несущего каркаса с ячейками выбранной формы, изготовленными, например, методом вырубки, помещают заготовку элемента на стержне в металлическую трубу, а в зазор между трубой и заготовкой засыпают промежуточный буферный слой порошка, например, из материала электролита с размером частиц 1-30 мкм, дегазируют внутреннее пространство трубы с одновременным подогревом до 70-120°С, производят ламинирование (омоноличивание) слоев магнитно-импульсным способом в индукторе при давлении импульсного магнитного поля амплитудой 150-250 МПа и длительностью 50-200 мкс, извлекают компактную заготовку элемента из пресс-формы, производят совместное, по меньшей мере, двухстадийное спекание многослойной заготовки элемента из полимер-керамики на воздухе с нагревом до температуры 400-600°С со скоростью 0,05-1°/мин с выдержкой 0-30 мин и продолжением нагрева со скоростью 5-10°/мин до температуры 1100-1250°С с выдержкой 1-10 ч.8. A method of manufacturing a tubular element of an electrochemical device with a thin-layer solid oxide electrolyte, gas diffusion electrodes, interface and collector layers according to claim 4, comprising winding strip of films from the components of the element formed by casting an alcohol or aqueous suspension based on a polymer with subsequent compacting and sintering, characterized in that that films of solid electrolyte and end thickenings are made of weakly aggregated nanopowders with a particle size of 15-20 nm and a specific surface not less than 50 m 2 / g, film of electrodes and interface layers - from a mixture of micro-sized and nanosized powders that are part of the components, which are wound in the desired sequence in the form of strips of the necessary width and length on a conical (0.3-0.5 °) a rod to obtain the required number of layers and the relative positions of the components, and for the manufacture of the frame of the electrolyte pipe on a thin continuous layer (s) of the electrolyte film, the required number of layers of the supporting frame with the cells of the selected shape made an example, by cutting down a method, place the element’s billet on a rod in a metal pipe, and put an intermediate buffer layer of powder, for example, from an electrolyte material with a particle size of 1-30 μm, into the gap between the pipe and the workpiece, degenerate the inner space of the pipe while heating to 70- 120 ° С, lamination (homologation) of the layers is carried out by the magnetic pulse method in the inductor at a pressure of a pulsed magnetic field with an amplitude of 150-250 MPa and a duration of 50-200 μs, a compact element blank is removed from the mold, joint at least two-stage sintering of a multilayer billet of a polymer-ceramic element in air is heated with heating to a temperature of 400-600 ° C at a speed of 0.05-1 ° / min with a shutter speed of 0-30 min and continued heating at a speed of 5- 10 ° / min to a temperature of 1100-1250 ° C with an exposure of 1-10 hours.
RU2015148292A 2015-11-10 2015-11-10 Tube element of electrochemical device with thin-layer solid-oxide electrolyte (versions) and method of its manufacture RU2625460C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015148292A RU2625460C2 (en) 2015-11-10 2015-11-10 Tube element of electrochemical device with thin-layer solid-oxide electrolyte (versions) and method of its manufacture

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015148292A RU2625460C2 (en) 2015-11-10 2015-11-10 Tube element of electrochemical device with thin-layer solid-oxide electrolyte (versions) and method of its manufacture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015148292A RU2015148292A (en) 2017-05-15
RU2625460C2 true RU2625460C2 (en) 2017-07-14

Family

ID=58715187

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015148292A RU2625460C2 (en) 2015-11-10 2015-11-10 Tube element of electrochemical device with thin-layer solid-oxide electrolyte (versions) and method of its manufacture

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2625460C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2777425C1 (en) * 2021-08-02 2022-08-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» Multifunctional base for a membrane electrode assembly of a solid oxide fuel cell

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6974516B2 (en) * 2001-04-05 2005-12-13 Presidio Components, Inc. Method of making laminate thin-wall ceramic tubes and said tubes with electrodes, particularly for solid oxide fuel cells
RU2310256C2 (en) * 2005-12-16 2007-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" Tubular cell (alternatives) for batteries of high-temperature electrochemical devices using thin-layer solid electrolyte and method for its manufacture
RU2310952C2 (en) * 2005-12-16 2007-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" Tubular cell (alternatives), tubular-cell battery with current passage over generating line, and method for its manufacture
RU2332754C1 (en) * 2007-05-22 2008-08-27 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") Tubular solid-oxide fuel element with metallic support, its tubular metallic porous basic layer and methods of their production
JP2009289573A (en) * 2008-05-29 2009-12-10 Toyota Motor Corp Composite type electrolyte film, and fuel cell equipped with the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6974516B2 (en) * 2001-04-05 2005-12-13 Presidio Components, Inc. Method of making laminate thin-wall ceramic tubes and said tubes with electrodes, particularly for solid oxide fuel cells
RU2310256C2 (en) * 2005-12-16 2007-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" Tubular cell (alternatives) for batteries of high-temperature electrochemical devices using thin-layer solid electrolyte and method for its manufacture
RU2310952C2 (en) * 2005-12-16 2007-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" Tubular cell (alternatives), tubular-cell battery with current passage over generating line, and method for its manufacture
RU2332754C1 (en) * 2007-05-22 2008-08-27 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") Tubular solid-oxide fuel element with metallic support, its tubular metallic porous basic layer and methods of their production
JP2009289573A (en) * 2008-05-29 2009-12-10 Toyota Motor Corp Composite type electrolyte film, and fuel cell equipped with the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2777425C1 (en) * 2021-08-02 2022-08-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» Multifunctional base for a membrane electrode assembly of a solid oxide fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015148292A (en) 2017-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11502306B2 (en) Cathode layer including ionic conductor material and electronic conductor material
US9070946B2 (en) Electrolyte-electrode joined assembly and method for producing the same
EP2717368B1 (en) Solid oxide fuel cell, fuel cell stack system, fuel cell module, and fuel cell system
JP5746399B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP4511122B2 (en) Fuel cell
JP6152171B2 (en) Powder mixture for layers in solid oxide fuel cells
KR101866852B1 (en) Cell, cell stack device, module, and module storage device
US9178243B2 (en) Porous support for electrochemical reaction cell high-density integration, and electrochemical reaction cell stack and electrochemical reaction system comprising the porous support for electrochemical reaction cell high-density integration
US7550221B2 (en) Gas delivery substrate
RU2625460C2 (en) Tube element of electrochemical device with thin-layer solid-oxide electrolyte (versions) and method of its manufacture
CN110088965B (en) Single cell, single cell stack device, module, and module housing device
Pikalova et al. Recent advances in electrophoretic deposition of thin-film electrolytes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells
JP4456822B2 (en) Fuel cell
JP4748971B2 (en) Fuel cell and fuel cell
Nagamori et al. Densification and Cell Performance of Gadolinium‐Doped Ceria (GDC) Electrolyte/NiO–GDC anode Laminates
JP2006127973A (en) Fuel battery cell
KR101052739B1 (en) Tubular solid oxide fuel cell and its manufacturing method
KR102109730B1 (en) Method for fabricating solid oxide fuel cell
JPH09129245A (en) Cell for solid electrolyte fuel cell
JPH06283178A (en) Manufacture of electrolytic film for solid electrolytic fuel cell
KR101582743B1 (en) Porous support body and method for manufacturing the same
US20100297527A1 (en) Fast Ion Conducting Composite Electrolyte for Solid State Electrochemical Devices
US20240014407A1 (en) Monolithic Electrode Supported Electro-Chemical Device Stack
JP4502665B2 (en) Method for manufacturing rod-shaped body and method for manufacturing rod-shaped fuel cell
JP2016072214A (en) Solid oxide fuel cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201111