RU2735412C1 - Единичная твердооксидная ячейка с протонпроводящим электролитом - Google Patents

Единичная твердооксидная ячейка с протонпроводящим электролитом Download PDF

Info

Publication number
RU2735412C1
RU2735412C1 RU2019141661A RU2019141661A RU2735412C1 RU 2735412 C1 RU2735412 C1 RU 2735412C1 RU 2019141661 A RU2019141661 A RU 2019141661A RU 2019141661 A RU2019141661 A RU 2019141661A RU 2735412 C1 RU2735412 C1 RU 2735412C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cell
solid oxide
proton
anode
cathode
Prior art date
Application number
RU2019141661A
Other languages
English (en)
Inventor
Лиана Раисовна Тарутина
Артём Павлович Тарутин
Анна Олеговна Руденко
Юлия Георгиевна Лягаева
Геннадий Константинович Вдовин
Дмитрий Андреевич Медведев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук
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 высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук
Priority to RU2019141661A priority Critical patent/RU2735412C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2735412C1 publication Critical patent/RU2735412C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

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

Abstract

Изобретение относится к формированию единичных многослойных ячеек, которые могут быть использованы в качестве основы твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) или твердооксидных электролизеров (ТОЭ). Согласно изобретению, на слой электролита ячейки с противоположных сторон нанесены слои катода и анода из одного и того же железосодержащего оксидного материала, при этом слои анода и катода выполнены из материала состава Nd0.6Ba0.4Fe0.9Cu0.1O3–δ. Ячейка получена с применением функциональных материалов двух составов с высокой электрохимической активностью, при этом достигается приемлемое значение поляризационного сопротивления электродов. Техническим результатом является сокращение количества технологических операций при формировании ячейки с протонпроводящим электролитом. 3 ил.

Description

Изобретение относится к формированию единичных многослойных ячеек, которые могут быть использованы в качестве основы твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) или твердооксидных электролизеров (ТОЭ).
Известно, что ТОТЭ или ТОЭ представляют собой высокоэффективные электрохимические устройства, способные конвертировать химическую энергию топлива в электроэнергии и наоборот. Наличие большого числа разнородных материалов приводит к их возможному взаимодействию в условиях длительных испытаний ТОТЭ и ТОЭ, оказывая сильное влияние на степень деградации электрохимических характеристик. Уменьшение числа функциональных материалов является возможным направлением, способствующим снижению деградации, что важно для коммерциализации твердооксидных устройств.
Большинство ячеек ТОТЭ и ТОЭ получают с использованием нескольких функциональных материалов, наиболее часто – трех-пяти: электролита, функционального анода, функционального катода, а также несущей анодной подложки и коллектора. Количество функциональных материалов обусловливается их свойствами, главным образом, устойчивостью в окислительных или восстановительных атмосферах, а также уровнем ионной и электронной проводимости.
Известна единичная твердооксидная ячейка, в которой на слой традиционного циркониевого электролита с добавкой иттрия (YSZ) с противоположных сторон нанесены слои катода и анода из одного и того же материала состава Pr6O11-инфильтрованного PrBaMn2O5+δ (PBM) [1]. Для такой ячейки поляризационное сопротивление электродов PBM при 650°С составляет 4.3 и 5.0 Ом см2 для воздушной и водородной атмосферы соответственно. Поэтому оценочная величина поляризационного сопротивления соответствующих ТОТЭ и ТОЭ будет находиться на уровне (9.3 Ом см2 при 650°С).
Известна также единичная твердооксидная ячейка, принятая в качестве прототипа, в которой на слой электролита состава La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3–δ (LGSM) с противоположных сторон нанесены слои катода и анода из одного и того же железосодержащего оксидного материала состава BaFe0.9Zr0.1O3–δ (BFZ) [2]. Поляризационное сопротивление электродов BFZ в такой ячейке при 650°С составляет 0.05 Ом см2 при ее аттестации в воздушной атмосфере и 7.5 Ом см2 – при использовании водородной атмосферы. Хотя для воздуха получены очень низкое значение поляризационного сопротивления, разница между ним и тем, что достигнуто в водороде составляет 2 порядка величины. Из этого следует, что оценочное значение общего поляризационного сопротивления ТОТЭ или ТОЭ, сформированных на основе такой ячейки (~7.5 Ом см2 при 650°С), будет определяться свойствами топливного электрода.
Таким образом, из уровня техники известны конструкции так называемых симметричных многослойных ячеек, сформированных из материалов двух составов, один из которых одновременно выступает в качестве анода и катода, при этом материал электролита в этих ячейках относится к кислородионным проводникам. Замена последних на протонпроводящие электролиты является эффективным направлением за счет их более высокой ионной проводимости в среднетемпературном диапазоне (400–700°С). Соответственно, электрохимические устройства на основе протонпроводящих электролитов способны демонстрировать при этих температурах приемлемые мощностные характеристики.
Задача настоящего изобретения заключается в разработке симметричных многослойных ячеек с протонпроводящим электролитом, сформированных из материалов двух составов, один из которых одновременно выступает в качестве анода и катода.
Для этого предложена ячейка, представляющая собой три слоя, два из которых (анод и катод) выполнены из одного и того же материала: NBFC|BCZYYb|NBFC, где NBFC = Nd0.6Ba0.4Fe0.9Cu0.1O3–δ, а BCZYYb = BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3–δ. Изобретение позволяет сократить количество материалов, используемых при формировании ячейки с протонпроводящим электролитом, что обуславливает сокращение количества операций по отжигу до одного.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в сокращении количества технологических операций при формировании ячейки с протонпроводящим электролитом.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображены температурные зависимости проводимости NBFC в воздушной и водородной атмосфере; на фиг.2 – температурные зависимости поляризационного сопротивления электродов симметричной ячейки NBFC|BCZYYb|NBFC, аттестованной во влажном воздухе и водороде; на фиг.3 – принципиальная схема восстановления NBFC с формированием наноразмерных металлических частиц на поверхности матрицы оксидной фазы.
Для формирования ячейки использовали новый железосодержащий оксидный материал Nd0.6Ba0.4Fe0.9Cu0.1O3–δ (NBFC) в качестве катодного и анодного электрода, полученный с помощью цетрат-нитратного метода синтеза по схеме, приведенной в работе [3]. Температура и время синтеза составляли 1100°С и 5 ч. Из синтезированного порошка формировали суспензию (спиртовой раствор с α-терпинолом, этилцеллюлозой и дибутилфталлатом), которую наносили на противоположные поверхности электролита состава BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3–δ (BCZYYb) и затем припекали при 1000°С в течение 1 ч. Помимо этого из порошка NBFC формировали брусок, который спекали при 1350°С в течение 5 ч для измерения общей проводимости материала.
Материал NBFC обладает приемлемыми уровнями проводимости как в воздушной атмосфере (50 См/см при 600°С), так и в водородной (2.9 См/см при 900°С, см. фиг. 1). Поляризационное сопротивление электродов на его основе при 650°С равно 0.62 Ом см2 для влажного воздуха и 5.8 Ом см2 для влажного водорода. Разница между этими значениями составляет примерно 1 порядок величины как при 650°С, так и при других исследованных температурах (см. фиг. 2). Оценочное значение общего поляризационного сопротивления ТОТЭ на основе этой ячейки достигает наименьшее значение (~6.4 Ом см2) с приведенными аналогами. Электрохимическая активность NBFC в воздушной атмосфере объясняется наличием ионов с переходной степенью окисления (железа, меди), а в восстановительной – формированием электрокаталитических наночастиц (твердые растворы железа с медью переменного состава), активирующих электрохимические процессы, см. фиг. 3.
Таким образом, единичная твердооксидная трехслойная ячейка с протонпроводящим электролитом получена с применением функциональных материалов двух составов с высокой электрохимической активностью; при этом достигается приемлемое значение поляризационного сопротивления электродов.
Источники информации
1. W. He, J. Fan, H. Zhang, M. Chen, Z. Sun, M. Ni. Zr doped BaFeO3-δ as a robust electrode for symmetrical solid oxide fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. V. 44. P. 32164–32169.
2. Y. Gu, Y. Zhang, Y. Zheng, H. Chen, L. Ge, L. Guo. PrBaMn2O5+δ with praseodymium oxide nano-catalyst as electrode for symmetrical solid oxide fuel cells // Applied Catalysis B: Environmental. 2019. V. 257. No. 117868.
3. J. Lyagaeva, N. Danilov, A. Tarutin, G. Vdovin, D. Medvedev, A. Demin, P. Tsiakaras. Designing a protonic ceramic fuel cell with novel electrochemically active oxygen electrodes based on doped Nd0.5Ba0.5FeO3−δ // Dalton Transactions. 2018. V. 47. P. 8149–8157.

Claims (1)

  1. Единичная твердооксидная ячейка с протонпроводящим электролитом, в которой на слой электролита с противоположных сторон нанесены слои катода и анода из одного и того же железосодержащего оксидного материала, отличающаяся тем, что слои анода и катода выполнены из материала состава Nd0.6Ba0.4Fe0.9Cu0.1O3–δ.
RU2019141661A 2019-12-16 2019-12-16 Единичная твердооксидная ячейка с протонпроводящим электролитом RU2735412C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141661A RU2735412C1 (ru) 2019-12-16 2019-12-16 Единичная твердооксидная ячейка с протонпроводящим электролитом

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141661A RU2735412C1 (ru) 2019-12-16 2019-12-16 Единичная твердооксидная ячейка с протонпроводящим электролитом

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2735412C1 true RU2735412C1 (ru) 2020-11-02

Family

ID=73398506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019141661A RU2735412C1 (ru) 2019-12-16 2019-12-16 Единичная твердооксидная ячейка с протонпроводящим электролитом

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2735412C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113667998A (zh) * 2021-09-15 2021-11-19 北京思伟特新能源科技有限公司 一种可逆型固体氧化物电解池及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0492851A (ja) * 1990-08-06 1992-03-25 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 酸化物超イオン伝導材料
RU2003130079A (ru) * 2001-03-19 2005-04-27 Энергиеондерзоек Сентрум Недерланд (Nl) Ззддинение, имеющее высокую электронную проводимость, электрод для электрохимической ячейки, содержащей это соединение, способ изготовления электрода и электрохимическая ячейка
JP2005166397A (ja) * 2003-12-02 2005-06-23 Central Res Inst Of Electric Power Ind 層状コバルト酸化物を用いた酸素イオン伝導体およびこれを用いた燃料電池
RU2276430C2 (ru) * 2001-06-12 2006-05-10 Энергиеондерзоек Сентрум Недерланд Активный материал из смешанного оксида, электрод, способ изготовления электрода и электрохимическая ячейка, содержащая этот электрод

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0492851A (ja) * 1990-08-06 1992-03-25 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 酸化物超イオン伝導材料
RU2003130079A (ru) * 2001-03-19 2005-04-27 Энергиеондерзоек Сентрум Недерланд (Nl) Ззддинение, имеющее высокую электронную проводимость, электрод для электрохимической ячейки, содержащей это соединение, способ изготовления электрода и электрохимическая ячейка
RU2276430C2 (ru) * 2001-06-12 2006-05-10 Энергиеондерзоек Сентрум Недерланд Активный материал из смешанного оксида, электрод, способ изготовления электрода и электрохимическая ячейка, содержащая этот электрод
JP2005166397A (ja) * 2003-12-02 2005-06-23 Central Res Inst Of Electric Power Ind 層状コバルト酸化物を用いた酸素イオン伝導体およびこれを用いた燃料電池

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113667998A (zh) * 2021-09-15 2021-11-19 北京思伟特新能源科技有限公司 一种可逆型固体氧化物电解池及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. A composite cathode based on scandium-doped chromate for direct high-temperature steam electrolysis in a symmetric solid oxide electrolyzer
Kawada et al. Characteristics of slurry‐coated nickel zirconia cermet anodes for solid oxide fuel cells
Chen et al. Direct application of cobaltite-based perovskite cathodes on the yttria-stabilized zirconia electrolyte for intermediate temperature solid oxide fuel cells
Li et al. Electrolysis of H2O and CO2 in an oxygen-ion conducting solid oxide electrolyzer with a La0. 2Sr0. 8TiO3+ δ composite cathode
Zhang et al. Properties of A-site nonstoichiometry (Pr0. 4) xSr0. 6Co0. 2Fe0. 7Nb0. 1O3− σ (0.9≤ x≤ 1.1) as symmetrical electrode material for solid oxide fuel cells
Sun et al. In-situ formed Ce0. 8Sm0. 2O2− δ@ Ba (Ce, Zr) 1− x (Sm, Y) xO3− δ core/shell electron-blocking layer towards Ce0. 8Sm0. 2O2− δ-based solid oxide fuel cells with high open circuit voltages
Zhang et al. Mixed ionic-electronic conductor membrane based fuel cells by incorporating semiconductor Ni0. 8Co0. 15Al0. 05LiO2− δ into the Ce0. 8Sm0. 2O2− δ-Na2CO3 electrolyte
Li et al. Smart utilization of cobaltite-based double perovskite cathodes on barrier-layer-free zirconia electrolyte of solid oxide fuel cells
Xu et al. Composite cathode based on Fe-loaded LSCM for steam electrolysis in an oxide-ion-conducting solid oxide electrolyser
Chen et al. Effect of A site deficiency of LSM cathode on the electrochemical performance of SOFCs with stabilized zirconia electrolyte
Qin et al. Perovskite titanate cathode decorated by in-situ grown iron nanocatalyst with enhanced electrocatalytic activity for high-temperature steam electrolysis
Yang et al. An efficient and prospective self-assembled hybrid electrocatalyst for symmetrical and reversible solid oxide cells
Guo et al. Significant impact of the current collection material and method on the performance of Ba0. 5Sr0. 5Co0. 8Fe0. 2O3− δ electrodes in solid oxide fuel cells
Nadeem et al. Effect of NiO addition on oxygen reduction reaction at lanthanum strontium cobalt ferrite cathode for solid oxide fuel cell
Yu et al. Performance of Ni-Fe bimetal based cathode for intermediate temperature solid oxide electrolysis cell
Fung et al. Cathode-supported SOFC using a highly conductive lanthanum aluminate-based electrolyte
Lou et al. Preparation and electrochemical characterization of Ruddlesden–Popper oxide La 4 Ni 3 O 10 cathode for IT-SOFCs by sol–gel method
Zhen et al. Evaluation of strontium-site-deficient Sr2Fe1. 4Co0. 1Mo0. 5O6− δ-based perovskite oxides as intermediate temperature solid oxide fuel cell cathodes
Bi et al. Behavior of lanthanum-doped ceria and Sr-, Mg-doped LaGaO3 electrolytes in an anode-supported solid oxide fuel cell with a La0. 6Sr0. 4CoO3 cathode
Osinkin et al. Symmetrical solid oxide fuel cell with strontium ferrite-molybdenum electrodes
Ju et al. Improvement in thermal cycling durability of SOFCs using LaGaO3-based electrolyte by inserting convex Sm0. 5Sr0. 5CoO3 interlayer
Jiang et al. Compositionally continuously graded cathode layers of (Ba0. 5Sr0. 5)(Fe0. 91Al0. 09) O3− δ–Gd0. 1Ce0. 9O2 by wet powder spraying technique for solid oxide fuel cells
Yan et al. Preparation of LaGaO3-based perovskite oxide film by a pulsed-laser ablation method and application as a solid oxide fuel cell electrolyte
Li et al. Fabrication of anode supported solid oxide electrolysis cell with the co-tape casting technique and study on co-electrolysis characteristics
RU2735412C1 (ru) Единичная твердооксидная ячейка с протонпроводящим электролитом