RU2754352C1 - Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора - Google Patents

Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора Download PDF

Info

Publication number
RU2754352C1
RU2754352C1 RU2020144070A RU2020144070A RU2754352C1 RU 2754352 C1 RU2754352 C1 RU 2754352C1 RU 2020144070 A RU2020144070 A RU 2020144070A RU 2020144070 A RU2020144070 A RU 2020144070A RU 2754352 C1 RU2754352 C1 RU 2754352C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cathode
cathode electrode
current collector
tubular
powder
Prior art date
Application number
RU2020144070A
Other languages
English (en)
Inventor
Илья Алексеевич Гвоздков
Егор Александрович Левченко
Александр Владимирович Сивак
Руслан Сергеевич Тимербулатов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ")
Priority to RU2020144070A priority Critical patent/RU2754352C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2754352C1 publication Critical patent/RU2754352C1/ru
Priority to MX2023007916A priority patent/MX2023007916A/es
Priority to PCT/RU2021/000618 priority patent/WO2022146188A1/ru
Priority to KR1020237025520A priority patent/KR20230134506A/ko
Priority to CN202180074899.XA priority patent/CN116508181A/zh
Priority to EP21915938.1A priority patent/EP4273971A1/en
Priority to ZA2023/07162A priority patent/ZA202307162B/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/122Corrugated, curved or wave-shaped MEA
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • 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
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232Metals or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605Porous electrodes
    • H01M4/8621Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605Porous electrodes
    • H01M4/8626Porous electrodes characterised by the form
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8878Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882Heat treatment, e.g. drying, baking
    • H01M4/8885Sintering or firing
    • H01M4/8889Cosintering or cofiring of a catalytic active layer with another type of layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/004Cylindrical, tubular or wound
    • 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
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0236Glass; Ceramics; Cermets
    • 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
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241Composites
    • H01M8/0243Composites in the form of mixtures
    • 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
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8689Positive electrodes
    • 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
    • H01M2008/1293Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • 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

Landscapes

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

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к высокотемпературным твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ) трубчатой конструкции с анодным несущим электродом, в частности к микротрубчатым ТОТЭ, и предназначено для создания единичных трубчатых ТОТЭ с эффективным катодным токовым коллектором для последующей коммутации топливных элементов в батарее. Катодный токовый коллектор выполнен из материала на основе металлического порошка и/или порошка оксидов металла и/или интерметаллидов, в виде, как минимум, одной полосы, нанесенной на поверхность внешней стороны катодного электрода, или с внутренней стороны катодного электрода, обращенной к электролиту, при этом токовый коллектор неразъемно связан с поверхностью, на которую он нанесен, и имеет пористую структуру с объемной пористостью 10-70%. Предложен способ формирования катодного коллектора трубчатого ТОТЭ, который включает подготовку состава на основе металлического порошка и/или порошка оксидов металла и/или интерметаллидов с размером частиц 0,5-50 мкм, который наносят на поверхность катодного электрода в виде полос или на поверхность смежного с ним слоя, обращенную к катодному электроду, после чего проводят отжиг при температуре спекания катодного электрода. Снижение электрических потерь, увеличение удельной мощности единичных трубчатых ТОТЭ является техническим результатом изобретения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к области электрохимических источников тока, точнее к высокотемпературным твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ) трубчатой конструкции с анодным несущим электродом, в частности к микротрубчатым ТОТЭ, и предназначено для создания единичных трубчатых ТОТЭ с эффективным катодным токовым коллектором для последующей коммутации топливных элементов в батарее.
Трубчатым и микротрубчатым ТОТЭ уделяется большое внимание, так как данная конструкция, по сравнению с планарными ТОТЭ, позволяет упростить герметизацию ячеек в батарее, снизить материалоемкость за счет отказа от металлических биполярных пластин, а также существенно сократить время нагрева батареи до рабочей температуры с часов до нескольких минут. Однако в трубчатых ТОТЭ на первый план выходят проблемы, связанные с организацией эффективных токосъемов на электродах ячеек и коммутацией ячеек в батарее, так как значительно возрастают длины путей распространения электрического тока. Для рассматриваемых трубчатых ТОТЭ с анодным несущим электродом, данная проблема сводится к поиску способа организации эффективного катодного токового коллектора, на что и направленно данное изобретение.
Известны способы организации катодных токовых коллекторов для трубчатых твердооксидных топливных элементов, заключающиеся в наматывании на катодную поверхность проволоки. В патенте US 7887975 предлагается использовать медную проволоку с коррозионностойким покрытием, в патенте US 9190672 предлагается использовать серебряную или никелевую проволоку. Главный недостаток данных способов заключается в технологической сложности процесса наматывания проволоки на хрупкие тонкостенные трубчатые ТОТЭ. Также, пятно контакта проволоки и цилиндрической поверхности ТОТЭ является тонкой линией, что обуславливает высокое контактное сопротивление и низкую эффективность токосъема.
В патенте US 8343689 предложен способ организации токосъемов, аналогичный рассмотренному выше, но с использованием проволоки из золота, платины или палладия - благородных металлов с температурой плавления выше 1000°С. Помимо технологической сложности наматывания проволоки на трубчатые ТОТЭ малого диаметра, использование проволоки из драгоценных металлов является дорогостоящим и неприменимым для крупносерийного промышленного применения.
Известна конструкция трубчатых ТОТЭ с анодным интерконнектором, выведенным в катодную область (US 2003148160). При этом токосъем и коммутация ячеек реализуется посредством металлических коннекторных пластин. Известное решение значительно усложняет конструкцию и технологию изготовления трубчатых ТОТЭ, так как необходимо формировать сегментированный электролитный слой на анодном несущем электроде, с последующим нанесением газоплотного интерконнекторного слоя на участок анода, не покрытого электролитом. При этом необходимо обеспечить электрическую изоляцию интерконнектора от катодного электрода.
Известны способы организации катодных токосъемов посредством пористой матрицы из материала с электронной или смешанной электронно-ионной проводимостью, в которую помещаются единичные трубчатые ТОТЭ (US 7736772, US2009214919). Авторы предлагают изготавливать пористую матрицу из катодных материалов (манганат лантана стронция, хромит лантана), губки из нержавеющей стали, Ni или Cu керметов, серебряных сплавов и других высокотемпературных материалов. Недостатком данных способов является их высокая материалоемкость, что делает их неэффективными с точки зрения промышленного применения и коммерциализации.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности конструкции за счет снижения материалоемкости, а также за счет снижения электрических потерь, увеличения удельной мощности единичных трубчатых ТОТЭ, при одновременном упрощении технологического процесса изготовления единичных элементов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что трубчатый твердооксидный топливный элемент, включает анодный электрод, электролит, катодный электрод с катодным токовым коллектором, при этом катодный токовый коллектор выполнен из материала на основе металлического порошка и/или порошка оксидов металла и/или интерметаллидов, в виде, как минимум, одной полосы, нанесенной на поверхность внешней стороны катодного электрода, или с внутренней стороны катодного электрода, обращенной к электролиту. При этом полоса катодного коллектора имеет пористую структуру с объемной пористостью 10-70% и неразъемно связана с поверхностью, на которую она нанесена.
Полоса (токопроводная шина) электрически и механически соединена с катодным электродом.
В качестве основы материала катодного токового коллектора для ТОТЭ как правило подбирается материала на основе металлического порошка с температурой плавления выше эксплуатируемой температуры ТОТЭ, например, сплав серебра или других благородных металлов с платиной и/или палладием, что позволяет снизить скорость деградации токового коллектора. В качестве добавок можно использовать связующее и/или дисперсант, а также, например, спекающие добавки, которые повышают адгезию и спекаемость частиц металлического порошка с слоем структуры катодного электрода. В структуру катодного электрода в контексте данной заявки входят, при их наличии, функциональные слои (буферный, барьерный и др.), размещенные между электролитом и собственно катодным электродом, включая слой катодного электрода. Интерметаллиды используются преимущественно с высокой электронной проводимостью.
Токовый коллектор может быть расположен на ТОТЭ вдоль катодного электрода по прямой или по спирали в виде, например, непрерывной полосы. Также токовый коллектор может быть выполнен в виде колец с перемычками между ними.
В качестве основы материала катодного токового коллектора используют порошок со средним размером частиц 0,5-50 мкм.
Способ формирования токового коллектора трубчатого ТОТЭ, заключается в том, что готовят состав на основе металлического порошка и/или порошка оксидов металла и/или интерметаллидов со средним размером частиц 0,5-50 мкм, который в виде, по меньшей мере, одной полосы наносят на поверхность (внешнюю или внутреннюю) катодного электрода или на поверхность смежного с ним катодного слоя, обращенную к катодному электроду, или наносят совместно с катодным электродом, после чего трубчатый ТОТЭ с нанесенным токовым коллектором подвергают отжигу при температуре спекания катодного электрода (около 900-1200°С).
В состав на основе металлического порошка и/или порошка оксидов металла и/или интерметаллидов могут вводить спекающие добавки на основе соединений титана, вольфрама, меди, ванадия, марганца или висмута.
Состав может представлять собой пасту, содержащую связующее и/или дисперсант.
Объемное соотношение порошка и связующего в пасте может лежать в диапазоне от 2:1 до 3:1, а объемная доля дисперсанта в пасте, как правило, составляет от 0,5% до 3%.
Пасту наносят путем экструзии при помощи шприца с гибким наконечником со срезанным под углом, открытым концом.
По сравнению с известными техническими решениями, в предложенном за счет использования в трубчатом ТОТЭ катодного токового коллектора, описанного выше, а именно в виде полосы (дорожки), нанесенной из материала определенного состава и определенным образом, стало возможным повысить эффективность трубчатого ТОТЭ за счет снижения материалоемкости конструкции, снижения электрических потерь в катодном электроде ТОТЭ, увеличения удельной мощности при одновременном упрощении процесса нанесения катодного токового коллектора и, как следствие, процесса изготовления трубчатого ТОТЭ в целом.
Таким образом, именно совокупность существенных признаков, отраженная в заявленной формуле изобретения, в частности, в независимых пунктах, обеспечивает достижение технического результата, указанного выше.
Заявленное изобретение иллюстрируется графическими материалами.
На Фиг. 1 приведена схематическая конструкция трубчатого ТОТЭ с катодным токовым коллектором.
На Фиг. 2 приведена схема процесса нанесения полос катодного токового коллектора (токопроводных шин) на трубчатые ТОТЭ.
На Фиг. 3 приведена микрофотография поперечного сечения трубчатого ТОТЭ с катодным токовым коллектором.
На Фиг. 4 приведены вольтамперные и ваттамперные кривые единичных трубчатых ТОТЭ с катодным токовым коллектором и без катодного токового коллектора, рабочая температура 750°С, расход водорода 240 мл/мин, расход воздуха 480 мл/мин.
Согласно заявленному изобретению трубчатый ТОТЭ помимо базовых компонентов, таких как несущий анодный трубчатый электрод 1, твердый электролит 2, и катодный электрод 3, содержит катодный токовый коллектор 4, представляющий собой одну или несколько, преимущественно продольных токопроводных шин.
Конструкция трубчатого ТОТЭ с анодным несущим электродом предусматривает наличие катодного токового коллектора, состоящего из, как минимум, одной продольной токопроводной шины, спеченной на поверхности катодного электрода. Для упрощения технологического процесса изготовления единичных трубчатых ТОТЭ, катодные токовые коллекторы (шины) наносятся равномерно в виде непрерывной полосы/дорожки на поверхность катодного электрода или одного из катодных слоев (если таковые имеются в предпочтительном исполнении). Дорожки (полосы) наносятся из материала, на основе металлического порошка и/или порошка оксидов металла и/или интерметаллидов. В состав материала, как правило, входит также связующее и дисперсант. В предпочтительном варианте исполнения дополнительно вводят спекающие добавки и готовят пасту для нанесения дорожек. Процесс нанесения автоматизирован.
Схема процесса нанесения токопроводных шин на поверхность катодного электрода приведена на Фиг. 2. На данной схеме шаговый двигатель 5 вращает спиральный вал 6, на котором закреплен толкатель 7, что приводит в плавное и контролируемое перемещение поршня 8 для выдавливания пасты из шприца 9. Все перечисленные узлы закреплены на кронштейне 10, который перемещается на платформе 11. Паста по гибкому наконечнику 12 выдавливается в виде токопроводной дорожки 13 на поверхность катодного электрода трубчатого ТОТЭ 14.
При этом токовый коллектор (шина) наносится, как правило, на наружную поверхность катодного электрода. Но возможно расположение токового коллектора и с внутренней стороны катодного электрода: либо непосредственно на внутреннюю поверхность катодного электрода, либо на поверхность смежного с ним слоя. Таким слоем может быть, например, твердый электролит или один из катодных функциональных слоев (буферный, барьерный). Также возможно совместное нанесение материала токового коллектора с материалом катодного электрода, например, одновременным напылением из двух сопел, одно из которых формирует шину, другое - структуру катодного электрода.
Катодный токовый коллектор неразъемно связан с той поверхностью, на которую он нанесен. Такое совместное соединение обеспечивается за счет того, что нанесенный катодный коллектор в процессе изготовления, предусматривающего отжиг, спекается вместе со слоем, на который он помещен или со слоями, между которыми он помещен.
Катодный токовый коллектор в виде токопроводной шины в предпочтительном варианте исполнения состоит из сплава серебра с платиной или палладием, с содержанием серебра от 50 до 95%. Серебро является материалом с высокой электропроводностью и удовлетворительной окислительной стойкостью, однако характеризуется высокой склонностью к миграции и испарению при рабочих температурах ТОТЭ в диапазоне 700-850°С, что может привести к деградации ТОТЭ при долговременной работе. Поэтому для изготовления токопроводных шин используются сплавы серебра с платиной или палладием, для стабилизации серебра и повышения температуры плавления сплава.
Материал катодного токового коллектора может представлять собой пасту, которую наносят тонким, предпочтительно равномерным, слоем перед отжигом.
В отдельных случаях исполнения катодный токовый коллектор может представлять собой стержень или мягкую ленту, предварительно изготовленные из пасты или порошка с добавлением связующего.
Для лучшего спекания и предотвращения последующего отслаивания катодного токового коллектора при эксплуатации трубчатых ТОТЭ в составе электрохимического генератора (ЭХГ) возможно использование в составе материала катодного коллектора спекающих добавок, например, таких как TiH2, CuO, Bi2O3, V2O5, WO3, MnO и др.
В одном из предпочтительных исполнений нанесение полосы катодного коллектора на внешнюю поверхность катодного электрода осуществляется из материала в виде пасты, содержащей порошок серебряного сплава с палладием, связующее и дисперсант. Порошок серебряного сплава характеризуется средним размером частиц от 0,8 мкм до 15 мкм. В качестве связующего могут использоваться глицерин, терпинеол, этиленгликоль, толуол, растворы поливинилбутираля и метилцеллюлозы, а также аналогичные носители. В качестве дисперсанта могут использоваться диспергирующие агенты, например DISPERBYK-111. Для повышения адгезии при спекании токопроводной полосы (дорожки) катодного коллектора с пористым керамическим катодным электродом, в пасту вводят спекающую добавку. Объемное соотношение порошка серебряного сплава и связующего в пасте лежит в диапазоне от 2:1 до 3:1. Объемная доля дисперсанта в пасте от 0,5 до 3%. Массовая доля спекающей добавки от 0,5-2,5%, по отношению к массе порошка серебряного сплава в пасте. Компоненты для приготовления пасты гомогенно перемешиваются, например, в центробежном миксере или шаровой мельнице, после паста дегазируется. Подготовленная паста загружается в шприц для нанесения полосы (токопроводной шины) катодного токового коллектора.
Нанесение полосы токового катодного коллектора (токопроводной шины) на поверхность катодного электрода трубчатых ТОТЭ осуществляется путем экструзии пасты из шприца с перемещением шприца вдоль продольной оси трубчатого ТОТЭ, в том числе наконечник шприца может быть гибким для нивелирования различий по высоте от поверхности катодного электрода до иглы шприца, определяемые неравномерностью поверхности трубчатого ТОТЭ. В свою очередь угловой срез гибкого наконечника формирует высоту зазора для подачи пасты от 0,2 до 0,5 мм.
Возможно нанесение полосы катодного коллектора способом трафаретной печати или погружения в пасту небольшой поверхности вдоль образующей трубчатого ТОТЭ. В процессе нанесения полосы/дорожки, паста приводится в касание с поверхностью катодного электрода трубчатого ТОТЭ.
На каждый трубчатый ТОТЭ наносят как минимум один катодный коллектор (токопроводную шину). Количество токопроводных полос (шин) зависит от диаметра трубчатого ТОТЭ, оптимальное расстояние между катодными коллекторами на одном трубчатом ТОТЭ, измеренное по длине дуги между катодными коллекторами в поперечном сечении ТОТЭ, как правило, лежит в диапазоне от 3 до 10 мм.
После нанесения полосы катодного токового коллектора (токопроводной шины), трубчатые ТОТЭ отжигаются для спекания катодных токовых коллекторов при температуре от 900 до 1200°С.
Согласно данному изобретению возможно нанесение токопроводных шин на неспеченный катодный электрод и последующее совместное спекание катодного электрода и катодного токового коллектора. Спекание осуществляют при температуре спекания катодного электрода, как правило, при температуре 900-1200°С.
Спеченный токовый коллектор в изготовленном образце согласно данному изобретению характеризуется толщиной от 0,1 до 0,5 мм, шириной от 0,5 до 2,0 мм, пористостью от 10 до 70% (Фиг. 3). Высокая пористость токопроводных шин, во-первых, обеспечивает компенсацию разницы коэффициентов термического расширения материалов катодного электрода и токового коллектора, что необходимо для предотвращения отслаивания токового коллектора при эксплуатации трубчатых ТОТЭ в составе электрохимического генератора (ЭХГ) и достижения высоких скоростей нагрева и охлаждения ЭХГ, а во-вторых, обеспечивает газовую проницаемость окислителя (кислорода) к поверхности катодного электрода.
Катодный токовый коллектор обеспечивает эффективное распределение плотности тока по всей поверхности катодного электрода и снижает омические потери при распространении тока вдоль катодного электрода, что обеспечивает кратное повышение удельных характеристики трубчатых ТОТЭ (Фиг. 4).
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет повысить эффективность конструкции за счет снижения материалоемкости, а также за счет снижения электрических потерь, увеличения удельной мощности единичных трубчатых ТОТЭ, при одновременном упрощении технологического процесса изготовления единичных элементов.

Claims (10)

1. Трубчатый твердооксидный топливный элемент, включающий анодный электрод, электролит, катодный электрод с катодным токовым коллектором, при этом катодный токовый коллектор выполнен из материала на основе металлического порошка и/или порошка оксидов металла и/или интерметаллидов, в виде, как минимум, одной полосы, нанесенной на поверхность внешней стороны катодного электрода, или с внутренней стороны катодного электрода, обращенной к электролиту, причем токовый коллектор неразъемно связан с поверхностью, на которую он нанесен, и имеет пористую структуру с объемной пористостью 10-70%.
2. Трубчатый ТОТЭ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве основы материала катодного коллектора использован сплав серебра с платиной и/или палладием.
3. Трубчатый ТОТЭ по п. 1, отличающийся тем, что используемый в качестве основы материала катодного коллектора порошок имеет средний размер частиц 0,5-50 мкм.
4. Трубчатый ТОТЭ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что используемый материал содержит спекающие добавки.
5. Трубчатый ТОТЭ по п. 1, отличающийся тем, что токовый коллектор расположен вдоль катодного электрода.
6. Способ формирования токового катодного коллектора трубчатого ТОТЭ, заключающийся в том, что готовят состав на основе металлического порошка и/или порошка оксидов металла и/или интерметаллидов с размером частиц 0,5-50 мкм, который в виде по меньшей мере одной полосы наносят на поверхность катодного электрода, или на поверхность смежного с ним слоя, обращенную к катодному электроду, или наносят совместно с катодным электродом, после чего трубчатый ТОТЭ с нанесенным токовым коллектором подвергают отжигу при температуре спекания катодного электрода.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в состав вводят спекающие добавки на основе соединений титана, вольфрама, меди, ванадия, марганца или висмута.
8. Способ по любому из пп. 6, 7, отличающийся тем, что состав представляет собой пасту, содержащую связующее и/или дисперсант.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что объемное соотношение порошка и связующего в пасте лежит в диапазоне от 2:1 до 3:1, а объемная доля дисперсанта в пасте от 0,5 до 3%.
10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что пасту наносят путем экструзии при помощи шприца с гибким наконечником со срезанным под углом открытым концом.
RU2020144070A 2020-12-30 2020-12-30 Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора RU2754352C1 (ru)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020144070A RU2754352C1 (ru) 2020-12-30 2020-12-30 Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора
MX2023007916A MX2023007916A (es) 2020-12-30 2021-12-29 Sofc tubular con colector de corriente de catodo y metodo para formar colector de combustible de catodo.
PCT/RU2021/000618 WO2022146188A1 (ru) 2020-12-30 2021-12-29 Трубчатый твердооксидный топливный элемент с катодным коллектором и способ его формирования
KR1020237025520A KR20230134506A (ko) 2020-12-30 2021-12-29 캐소드 집전체를 구비하는 관형 고체 산화물 연료 전지및 이를 형성하는 방법
CN202180074899.XA CN116508181A (zh) 2020-12-30 2021-12-29 具有阴极集流体的管状固体氧化物燃料电池及其形成方法
EP21915938.1A EP4273971A1 (en) 2020-12-30 2021-12-29 Tubular solid oxide fuel cell with a cathode collector and method for forming same
ZA2023/07162A ZA202307162B (en) 2020-12-30 2023-07-17 Tubular sofc with cathode current collector and method for forming cathode fuel collector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020144070A RU2754352C1 (ru) 2020-12-30 2020-12-30 Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2754352C1 true RU2754352C1 (ru) 2021-09-01

Family

ID=77670112

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020144070A RU2754352C1 (ru) 2020-12-30 2020-12-30 Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора

Country Status (7)

Country Link
EP (1) EP4273971A1 (ru)
KR (1) KR20230134506A (ru)
CN (1) CN116508181A (ru)
MX (1) MX2023007916A (ru)
RU (1) RU2754352C1 (ru)
WO (1) WO2022146188A1 (ru)
ZA (1) ZA202307162B (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778334C1 (ru) * 2021-12-03 2022-08-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Способ электрофоретического осаждения слоя твердого электролита на непроводящих подложках
WO2023128807A1 (ru) * 2021-12-29 2023-07-06 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") Трубчатый твердооксидный топливный элемент и способ его изготовления

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030148160A1 (en) * 2002-02-04 2003-08-07 Korea Institute Of Energy Research Anode-supported tubular solid oxide fuel cell stack and method of fabricating the same
RU2236069C1 (ru) * 2003-06-10 2004-09-10 Мятиев Ата Атаевич Электрод-электролитная пара на основе окиси висмута, способ ее изготовления и органогель
US20050214613A1 (en) * 2002-02-14 2005-09-29 Partho Sarkar Tubular solid oxide fuel cell stack
EP1760818A2 (en) * 2002-05-23 2007-03-07 Alberta Research Council, Inc. Solid oxide fuel cell system
US20090214919A1 (en) * 2008-02-27 2009-08-27 National Institute Of Adv Industrial Sci And Tech Electrochemical reactor bundles, stacks, and electrochemical reactor systems consisting of these components
RU196629U1 (ru) * 2019-12-13 2020-03-10 Публичное акционерное общество "КАМАЗ" Мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента с контактными слоями

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8343689B2 (en) 2003-11-17 2013-01-01 Adaptive Materials, Inc. Solid oxide fuel cell with improved current collection
WO2008109817A1 (en) 2007-03-07 2008-09-12 Adaptive Materials Inc. Clad copper wire having environmentally isolating alloy
KR101252975B1 (ko) 2011-06-30 2013-04-15 삼성에스디아이 주식회사 연료전지

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030148160A1 (en) * 2002-02-04 2003-08-07 Korea Institute Of Energy Research Anode-supported tubular solid oxide fuel cell stack and method of fabricating the same
US20050214613A1 (en) * 2002-02-14 2005-09-29 Partho Sarkar Tubular solid oxide fuel cell stack
EP1760818A2 (en) * 2002-05-23 2007-03-07 Alberta Research Council, Inc. Solid oxide fuel cell system
RU2236069C1 (ru) * 2003-06-10 2004-09-10 Мятиев Ата Атаевич Электрод-электролитная пара на основе окиси висмута, способ ее изготовления и органогель
US20090214919A1 (en) * 2008-02-27 2009-08-27 National Institute Of Adv Industrial Sci And Tech Electrochemical reactor bundles, stacks, and electrochemical reactor systems consisting of these components
RU196629U1 (ru) * 2019-12-13 2020-03-10 Публичное акционерное общество "КАМАЗ" Мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента с контактными слоями

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778334C1 (ru) * 2021-12-03 2022-08-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Способ электрофоретического осаждения слоя твердого электролита на непроводящих подложках
RU2781046C1 (ru) * 2021-12-29 2022-10-04 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") Способ изготовления трубчатых твердооксидных топливных элементов и твердооксидный топливный элемент, полученный этим способом
WO2023128807A1 (ru) * 2021-12-29 2023-07-06 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") Трубчатый твердооксидный топливный элемент и способ его изготовления
RU2786776C1 (ru) * 2022-09-07 2022-12-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук Способ изготовления композитного материала твердоэлектролитной мембраны ячейки среднетемпературного топливного элемента

Also Published As

Publication number Publication date
CN116508181A (zh) 2023-07-28
WO2022146188A1 (ru) 2022-07-07
MX2023007916A (es) 2023-07-13
KR20230134506A (ko) 2023-09-21
EP4273971A1 (en) 2023-11-08
ZA202307162B (en) 2024-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5184731B2 (ja) 固体酸化物燃料電池用可撓性電極/電解質構造体、燃料電池装置、およびその作成方法
EP1641062A1 (en) Solid oxide fuel cell and method for producing same
US20110269047A1 (en) Metal-supported, segmented-in-series high temperature electrochemical device
KR20070085914A (ko) 집전기 및 그 제조 방법
WO2001091218A2 (en) Electrode-supported solid state electrochemical cell
JPH03184268A (ja) セラミック高温燃料電池の電流伝導のための部品配置
RU2754352C1 (ru) Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора
JP3924772B2 (ja) 固体電解質型燃料電池の空気極集電体
JP4399698B2 (ja) 空気極集電体およびその空気極集電体を組み込んだ固体電解質形燃料電池
JP2003123773A (ja) 固体電解質型燃料電池用空気極およびそれを用いた燃料電池
JP3218555B2 (ja) 保護層付きセリア系固体電解質
JP2010533941A (ja) 全平面内の熱勾配に対処するsofcスタック中のセル材料の変動
JP4352447B2 (ja) 導電性に優れた固体電解質型燃料電池用セパレータ
JP3259756B2 (ja) 固体燃料電池用多層型固体電解質
JP6160386B2 (ja) 燃料電池
JPH0381959A (ja) 固体電解質型燃料電池
JP2947495B2 (ja) 固体電解質型燃料電池の燃料電極作製法
JP3894103B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池用集電体材料
JP5273584B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セルと固体酸化物形燃料電池セルユニット、及びそれを備える燃料電池モジュール
RU2790543C1 (ru) Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов и способ её изготовления
JP2870126B2 (ja) 固体電解質型燃料電池
KR100215598B1 (ko) 고체 전해질 연료전지의 전기 인출 단자의 제조방법
RU2322730C2 (ru) Активный двухслойный электрод для электрохимических устройств с твердым электролитом
RU2781046C1 (ru) Способ изготовления трубчатых твердооксидных топливных элементов и твердооксидный топливный элемент, полученный этим способом
RU2779038C1 (ru) Способ изготовления батареи трубчатых твердооксидных топливных элементов и батарея, изготовленная заявленным способом