RU2782433C1 - Method for electrophoretic deposition of a solid electrolyte layer on nonconducting substrates - Google Patents
Method for electrophoretic deposition of a solid electrolyte layer on nonconducting substrates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782433C1 RU2782433C1 RU2021139411A RU2021139411A RU2782433C1 RU 2782433 C1 RU2782433 C1 RU 2782433C1 RU 2021139411 A RU2021139411 A RU 2021139411A RU 2021139411 A RU2021139411 A RU 2021139411A RU 2782433 C1 RU2782433 C1 RU 2782433C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polypyrrole
- conductive
- synthesis
- substrate
- conductive layer
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 51
- 238000001652 electrophoretic deposition Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 claims abstract description 52
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 31
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 29
- JOXIMZWYDAKGHI-UHFFFAOYSA-N P-Toluenesulfonic acid Chemical compound CC1=CC=C(S(O)(=O)=O)C=C1 JOXIMZWYDAKGHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N Ammonium persulfate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N pyrrole Chemical compound C=1C=CNC=1 KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims abstract description 11
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 claims abstract description 11
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 12
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 3
- 238000007792 addition Methods 0.000 claims description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 5
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 4
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 description 11
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- YZMHQCWXYHARLS-UHFFFAOYSA-N naphthalene-1,2-disulfonic acid Chemical compound C1=CC=CC2=C(S(O)(=O)=O)C(S(=O)(=O)O)=CC=C21 YZMHQCWXYHARLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000002612 dispersion media Substances 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910021526 gadolinium-doped ceria Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001965 increased Effects 0.000 description 2
- 239000006194 liquid suspension Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 238000007447 staining method Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 2
- YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N Acetylacetone Chemical compound CC(=O)CC(C)=O YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002439 Ce0.8Sm0.2O1.9 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000004040 coloring Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002119 nickel–yttria stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HHAVHBDPWSUKHZ-UHFFFAOYSA-N propan-2-ol;propan-2-one Chemical compound CC(C)O.CC(C)=O HHAVHBDPWSUKHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001340 slower Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрофоретического осаждения слоя твердого электролита на непроводящую пористую подложку через нанесение подслоя полипиррола на ее поверхность и может быть использовано для изготовления твердооксидных топливных элементов с тонкопленочным электролитом.The invention relates to the field of electrophoretic deposition of a solid electrolyte layer on a non-conductive porous substrate through the deposition of a polypyrrole sublayer on its surface and can be used to manufacture solid oxide fuel cells with a thin-film electrolyte.
Область техникиTechnical field
Электрофоретическое осаждение (ЭФО) применяется для формирования тонкопленочных слоев твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), осуществляется в жидкой суспензии под действием внешнего электрического поля и возникает за счет движения частиц, имеющих избыточный электрический заряд по направлению к электроду, погруженному в суспензию.Electrophoretic deposition (EPD) is used to form thin-film layers of solid oxide fuel cells (SOFC), is carried out in a liquid suspension under the action of an external electric field and occurs due to the movement of particles with an excess electric charge towards an electrode immersed in the suspension.
Известен способ осаждения слоя электролита на основе диоксида циркония на непроводящую пористую керметную анодную подложку, содержащую оксид никеля и диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (NiO-YSZ), осуществляемый путем размещения стальной пластины на стороне анода-подложки, на которой не происходит осаждения. Процесс ЭФО в этом способе реализуется за счет наличия «проводящих каналов» в пористой подложке [1].A method is known for depositing a zirconia-based electrolyte layer on a non-conductive porous cermet anode substrate containing nickel oxide and yttria-stabilized zirconia (NiO-YSZ) by placing a steel plate on the anode-substrate side on which no deposition occurs. The ESP process in this method is implemented due to the presence of "conductive channels" in the porous substrate [1].
Известен аналогичный способ формирования проводящего покрытия на оборотной стороне пористой подложки путем спрей-распыления из суспензии слоя графита толщиной 0.6-1 мкм. [2]. Для осуществления процесса ЭФО на фронтальной поверхности пористой подложки за счет наличия проводящего слоя на ее оборотной стороне, необходима развитая и открытая пористость подложки, что ограничивает применение данного способа в случае формирования двухслойных структур, а также при проведении повторных циклов ЭФО для обеспечения необходимой суммарной толщины электролита и его газоплотности, поскольку эффективность осаждения в этом случае снижается.A similar method is known for forming a conductive coating on the reverse side of a porous substrate by spraying a layer of graphite with a thickness of 0.6-1 μm from a suspension. [2]. To carry out the ESP process on the front surface of the porous substrate due to the presence of a conductive layer on its reverse side, a developed and open porosity of the substrate is required, which limits the use of this method in the case of the formation of two-layer structures, as well as during repeated ESP cycles to ensure the required total electrolyte thickness and its gas density, since the deposition efficiency in this case decreases.
Недостатком метода спрей-распыления суспензии графита на фронтальную сторону пористой подложки для последующего проведения ЭФО является сложность контроля толщины полученного покрытия графита, его неравномерность и достаточно большая толщина, порядка 1 мкм, что приводит к возникновению отслоения слоя электролита от подложки при проведении высокотемпературного спекания.A disadvantage of the method of spraying a suspension of graphite onto the front side of a porous substrate for subsequent ESP is the difficulty in controlling the thickness of the resulting graphite coating, its unevenness, and a rather large thickness, on the order of 1 μm, which leads to delamination of the electrolyte layer from the substrate during high-temperature sintering.
Низкая воспроизводимость толщины слоя графита также характерна для применения метода окрашивания при нанесении слоя графита [3].The low reproducibility of the thickness of the graphite layer is also typical for the application of the staining method when applying the graphite layer [3].
Помимо низкой воспроизводимости, метод окрашивания имеет сложности с масштабированием данной технологии в условиях промышленного производства. Также к недостаткам вышеописанного способа окрашивания подложек графитом относится ограничение на форму подложек. Применение данного способа возможно только для плоских подложек, что не позволяет его использовать для формирования слоев электролита на элементах трубчатой формы.In addition to low reproducibility, the staining method has difficulties in scaling this technology in industrial production. Also, the limitation on the shape of the substrates belongs to the disadvantages of the above described method of coloring substrates with graphite. The application of this method is possible only for flat substrates, which does not allow it to be used to form electrolyte layers on tubular elements.
Наиболее близким к заявляемому является способ электрофоретического осаждения трехслойного покрытия электролита на аноде состава NiO-YSZ, покрытым слоем полипиррола [4].Closest to the claimed is a method of electrophoretic deposition of a three-layer electrolyte coating on the anode composition NiO-YSZ, coated with a layer of polypyrrole [4].
В соответствии с данным способом синтез пленок полипиррола проводят следующим образом. В водный раствор окислителя - персульфата аммония (NH4)2SiO8 концентрацией 0.01 М и допанта - 2,6-динатриевой соли нафталиндисульфокислоты, относящейся к натриевым солям арилсульфокислоты концентрацией 0.01 М, охлажденный до 0°С, погружают подложку, затем добавляют пиррол (мономер) до концентрации в растворе 0.001 М. Синтез пленок полипиррола проводят в течение 12 ч, получают пленку полипиррола толщиной 0.5 мкм. Недостатком вышеописанного способа химической полимеризации пиррола является длительность процесса ввиду большого размера молекулы допанта 2,6- динатриевой соли нафталиндисульфокислоты, что замедляет встраивание молекул допанта в цепь между молекулами полипиррола, вследствие чего снижается скорость процесса полимеризации, а толщина и проводимость пленки полипиррола имеет неоднородное значение в плоскости подложки. Определенные препятствия по созданию однородной пленки полипиррола создает пористая структура поверхности подложки, в результате чего полипиррол проникает в поры подложки, а скорость синтеза в поверхностных порах лимитируется диффузионными потоками реагентов. Усложняет технологию и необходимость поддерживания температуры 0°С на протяжении всего процесса синтеза пленки полипиррола. Добавление мономера (пиррола) в ранее приготовленный раствор окислителя персульфата аммония (NH4)2S2O8 и допанта 2,6-динатриевой соли нафталиндисульфокислоты, в который уже помещена подложка, затрудняет равномерное распределение мономера по объему реакционной смеси, что также усиливает неравномерный рост пленки полипиррола на поверхности подложки.In accordance with this method, the synthesis of polypyrrole films is carried out as follows. In an aqueous solution of an oxidizing agent - ammonium persulfate (NH 4 ) 2 SiO 8 with a concentration of 0.01 M and a dopant - 2,6-disodium salt of naphthalenedisulfonic acid, related to sodium salts of arylsulfonic acid with a concentration of 0.01 M, cooled to 0 ° C, immerse the substrate, then add pyrrole ( monomer) to a concentration in the solution of 0.001 M. The synthesis of polypyrrole films is carried out for 12 hours, a polypyrrole film 0.5 μm thick is obtained. The disadvantage of the above method of chemical polymerization of pyrrole is the duration of the process due to the large size of the dopant molecule of 2,6-disodium salt of naphthalenedisulfonic acid, which slows down the incorporation of dopant molecules into the chain between polypyrrole molecules, as a result of which the rate of the polymerization process decreases, and the thickness and conductivity of the polypyrrole film has a non-uniform value in substrate plane. Certain obstacles to the formation of a homogeneous polypyrrole film are created by the porous structure of the substrate surface, as a result of which polypyrrole penetrates into the pores of the substrate, and the rate of synthesis in the surface pores is limited by diffusion flows of reagents. Complicates the technology and the need to maintain a temperature of 0°C throughout the process of synthesizing a film of polypyrrole. The addition of the monomer (pyrrole) to the previously prepared ammonium persulfate (NH 4 ) 2 S 2 O 8 oxidizing agent solution and the
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощении технологии синтеза полипиррола при изготовлении твердооксидных электрохимических устройств с тонкопленочным электролитом при электрофоретическом осаждении слоя твердого электролита на непроводящих подложках.The problem to be solved by the invention is to simplify the technology of polypyrrole synthesis in the manufacture of solid oxide electrochemical devices with a thin-film electrolyte by electrophoretic deposition of a solid electrolyte layer on non-conductive substrates.
Для этого предложен способ электрофоретического осаждения слоя твердого электролита на непроводящих подложках, в котором, как и в прототипе, слой твердого электролита осаждают на непроводящую подложку с проводящим слоем полипиррола, при этом синтез проводящего слоя полипиррола осуществляют химической полимеризацией полипиррола в водном растворе окислителя - персульфата аммония, допанта - из класса натриевых солей арилсульфокислоты, а также мономера пиррола. Новый способ отличается тем, что в качестве допанта используют соль пара- толуолсульфокислоты, синтез проводящего слоя полипиррола осуществляют на поверхности непроводящей подложки в водном растворе содержащем 98%-ный персульфат аммония концентрацией 0.03 М и 97.5%-ную натриевую соль пара- толуолсульфокислоты концентрацией 0.03 М, в который при постоянном перемешивании при 0°С добавляют 98% - ный мономер пиррола концентрацией 0.03 М, после начала синтеза проводящего слоя полипиррола в полученный раствор погружают подложку, синтез проводящего слоя полипиррола проводят при комнатной температуре в течение 3 - 3.5 ч.For this, a method for electrophoretic deposition of a solid electrolyte layer on non-conductive substrates is proposed, in which, as in the prototype, a solid electrolyte layer is deposited on a non-conductive substrate with a conductive layer of polypyrrole, while the synthesis of a conductive layer of polypyrrole is carried out by chemical polymerization of polypyrrole in an aqueous solution of an oxidizing agent - ammonium persulfate , dopant - from the class of sodium salts of arylsulfonic acid, as well as pyrrole monomer. The new method differs in that a salt of p-toluenesulfonic acid is used as a dopant, the synthesis of a conductive layer of polypyrrole is carried out on the surface of a non-conductive substrate in an aqueous solution containing 98% ammonium persulfate with a concentration of 0.03 M and 97.5% sodium salt of p-toluenesulfonic acid with a concentration of 0.03 M , into which, with constant stirring at 0 ° C, 98% pyrrole monomer with a concentration of 0.03 M is added, after the start of the synthesis of the conductive layer of polypyrrole, the substrate is immersed in the resulting solution, the synthesis of the conductive layer of polypyrrole is carried out at room temperature for 3 - 3.5 hours.
В отличие от прототипа, в заявленном способе в качестве допанта используют натриевую соль пара-толуолсульфокислоты, при этом в водный раствор окислителя -персульфата аммония и допанта - натриевой соли пара - толуолсульфокислоты при температуре 0°С вносят пиррол, а затем в полученный раствор погружают подложку. Способ отличается также повышенной концентрацией реагентов, комнатной температурой синтеза пленки полипиррола и длительностью процесса (3-3.5 часа). Меньший размер молекулы натриевой соли пара-толуолсульфокислоты в сравнении с 2,6-динатриевой солью нафталиндисульфокислоты, используемой в прототипе, позволяет быстрее встраиваться молекулам допанта в цепь между молекулами полипиррола, что ускоряет, как непосредственно процесс синтеза полипиррола, так и диффузию реагентов вблизи поверхности подложки и в поверхностных порах.Unlike the prototype, in the claimed method, the sodium salt of para-toluenesulfonic acid is used as a dopant, while pyrrole is added to the aqueous solution of the oxidizing agent - ammonium persulfate and the dopant - the sodium salt of para-toluenesulfonic acid at a temperature of 0 ° C, and then the substrate is immersed in the resulting solution . The method is also characterized by an increased concentration of reagents, room temperature for the synthesis of a polypyrrole film, and the duration of the process (3-3.5 hours). The smaller size of the molecule of the sodium salt of p-toluenesulfonic acid in comparison with the 2,6-disodium salt of naphthalenedisulfonic acid used in the prototype allows the dopant molecules to quickly integrate into the chain between the polypyrrole molecules, which accelerates both the process of polypyrrole synthesis itself and the diffusion of reagents near the substrate surface and in surface pores.
Последовательность проведения процесса синтеза полипирола, в котором проводится первичное интенсивное перемешивание реагентов при 0°С в водном растворе персульфата аммония, натриевой соли пара-толуолсульфокислоты с добавлением мономера пиррола, позволяет получить гомогенную реакционную смесь, в которую сразу же после начала синтеза погружают подложку. Дальнейший синтез проводят при комнатной температуре, что устраняет необходимость поддерживать низкую температуру на протяжении всего процесса синтеза и упрощает технологию.The sequence of the polypyrole synthesis process, in which the primary intensive mixing of the reagents at 0°C in an aqueous solution of ammonium persulfate, sodium salt of p-toluenesulfonic acid with the addition of a pyrrole monomer, makes it possible to obtain a homogeneous reaction mixture, into which the substrate is immersed immediately after the start of synthesis. Further synthesis is carried out at room temperature, which eliminates the need to maintain a low temperature throughout the synthesis process and simplifies the technology.
Более высокая концентрация пиррола и допанта - натриевой соли пара-толуолсульфокислоты по сравнению с прототипом увеличивает однородность и проводимость пленки полипиррола, что улучшает качество получаемого методом ЭФО слоя твердого электролита. Создание проводящего подслоя полипиррола позволяет проводить управляемый технологический процесс ЭФО отдельных слоев электролита, при этом полипиррол полностью выгорает без остатка при проведении спекания и обеспечивает адгезию отдельных слоев электролита.A higher concentration of pyrrole and dopant - sodium salt of p-toluenesulfonic acid compared with the prototype increases the uniformity and conductivity of the polypyrrole film, which improves the quality of the solid electrolyte layer obtained by ESP. The creation of a conductive sublayer of polypyrrole makes it possible to carry out a controlled technological process of ESP of individual electrolyte layers, while polypyrrole completely burns out without residue during sintering and ensures adhesion of individual electrolyte layers.
Новый технический результат, достигаемый использованием изобретения, заключается в ускорении процесса синтеза полипиррола на непроводящих подложках, повышении однородности проводящих свойств полипиррола, а также качества слоя твердого электролита, осажденного электрофорезом через нанесение подслоя полипиррола на поверхность подложек.A new technical result achieved by using the invention consists in accelerating the synthesis of polypyrrole on non-conductive substrates, increasing the uniformity of the conductive properties of polypyrrole, as well as the quality of the solid electrolyte layer deposited by electrophoresis through the deposition of a polypyrrole sublayer on the surface of the substrates.
Кратное описание чертежейBrief description of the drawings
Изобретение иллюстрируется рисунком, где на фиг. представлена схема проведения процесса ЭФО на нанесенный слой полипиррола, где:The invention is illustrated in the figure, where in Fig. a diagram of the ESP process on the applied layer of polypyrrole is presented, where:
1. Стенка емкости;1. Tank wall;
2. Суспензия частиц электролита;2. Suspension of electrolyte particles;
3. Анод;3. Anode;
4. Слой электролита;4. Electrolyte layer;
5. Полипиррол;5. Polypyrrole;
6. Непроводящая подложка;6. Non-conductive substrate;
7. Катод.7. Cathode.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
В результате проведенных экспериментов были изготовлены функциональные элементы ТОТЭ, включающие в себя слои тонкопленочного твердого электролита на непроводящей анодной подложке с подслоем полипиррола, синтез которого осуществляли на непроводящей пористой анодной подложке - никелевый кермет NiO-Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) химической полимеризацией. Для этого 98%-ный персульфат аммония концентрацией 0.03 М и 97.5%-ную натриевую соль пара-толуолсульфокислоты концентрацией 0.03 М, растворяли в дистиллированной воде, затем добавляли 98%-ный мономер пиррола концентрацией 0.03 М при постоянном перемешивании при температуре 0°С. После начала синтеза, определяемого возникновением потемнения раствора, пепроводящие подложки NiO-SDC погружали в водный раствор персульфата аммония, натриевой соли пара-толуолсульфокислоты и мономера пиррола. Синтез проводили при комнатной температуре в течение 3.5 ч. После окончания синтеза подложки, покрытые пленкой полипиррола, промывали дистиллированной водой и сушили при температуре 75°С в течение 40 мин. Затем проводили ЭФО слоя электролита из суспензии SDC с концентрацией 10 г/л в смешанной дисперсионной среде изопропанол/ацетилацетон (70/30 об.%) на поверхность анодной подложки NiO-SDC с нанесенным подслоем полипиррола. ЭФО проводили в режиме: напряжение 80 В, время 2 мин, сушка слоя электролита после ЭФО - 24 часа в чашке Петри при комнатной температуре.As a result of the experiments, SOFC functional elements were fabricated, including layers of a thin-film solid electrolyte on a non-conductive anode substrate with a polypyrrole sublayer, the synthesis of which was carried out on a non-conductive porous anode substrate - nickel cermet NiO-Ce 0.8 Sm 0.2 O 1.9 (SDC) by chemical polymerization. For this, 98% ammonium persulfate with a concentration of 0.03 M and 97.5% sodium salt of p-toluenesulfonic acid with a concentration of 0.03 M were dissolved in distilled water, then 98% pyrrole monomer with a concentration of 0.03 M was added with constant stirring at a temperature of 0°C. After the beginning of the synthesis, determined by the appearance of darkening of the solution, the non-conductive NiO-SDC substrates were immersed in an aqueous solution of ammonium persulfate, sodium salt of p-toluenesulfonic acid, and pyrrole monomer. The synthesis was carried out at room temperature for 3.5 h. After the completion of the synthesis, the substrates coated with a polypyrrole film were washed with distilled water and dried at 75°C for 40 min. Then, the ESP of the electrolyte layer was carried out from the SDC suspension with a concentration of 10 g/L in a mixed dispersion medium of isopropanol/acetylacetone (70/30 vol.%) on the surface of the NiO-SDC anode substrate with a deposited polypyrrole sublayer. EPT was carried out in the following mode: voltage 80 V,
Сформированный на непроводящей подложке подслой полипиррола соединяли с электродом внешней электрической цепи (катод), при этом противоэлектродом являлась стальная пластина (анод), расположенная на выбранном расстоянии около 10-15 мм (фиг.). Подложка и электроды размещались па непроводящем держателе и помещались в жидкую суспензию осаждаемых, частиц электролитного материала. Между электродами внешней электрической цепи создавали разность потенциалов, вызывая движение частиц в суспензии по направлению к электроду под действием электрического поля вследствие возникновения на них избыточного электрического заряда. В случае положительного избыточного электрического заряда на частицах движение происходит по направлению к катоду (электрод с отрицательным потенциалом). При отрицательном избыточном электрическом заряде на частицах движение происходит по направлению к аноду, в этом случае изменяют полярность электродов. Значение разности потенциалов между электродами и время проведения процесса ЭФО выбирают в зависимости от типа осаждаемого материала, используемой дисперсионной среды суспензии, необходимой толщины покрытия и его качества. При необходимости проводят циклическое осаждение, что позволяет достигнуть требуемой для оптимального функционирования ТОТЭ общей толщины электролита.A polypyrrole sublayer formed on a non-conductive substrate was connected to an electrode of an external electrical circuit (cathode), while the counter electrode was a steel plate (anode) located at a selected distance of about 10-15 mm (Fig.). The substrate and electrodes were placed on a non-conductive holder and placed in a liquid suspension of deposited particles of electrolyte material. A potential difference was created between the electrodes of the external electric circuit, causing the particles in the suspension to move towards the electrode under the action of an electric field due to the appearance of an excess electric charge on them. In the case of a positive excess electric charge on the particles, the motion occurs towards the cathode (an electrode with a negative potential). With a negative excess electric charge on the particles, the movement occurs towards the anode; in this case, the polarity of the electrodes is changed. The value of the potential difference between the electrodes and the duration of the ESP process is chosen depending on the type of deposited material, the dispersion medium used, the suspension, the required coating thickness and its quality. If necessary, cyclic deposition is carried out, which makes it possible to achieve the total thickness of the electrolyte required for the optimal functioning of SOFC.
Полученное покрытие SDC является газоплотным и характеризуется отсутствием пор, трещин и других дефектов. Далее проводили спекание слоя электролита SDC при температуре 1500°С, 5 часов, в результате получили толщину электролита 7 мкм.The resulting SDC coating is gas-tight and is characterized by the absence of pores, cracks, and other defects. Next, the SDC electrolyte layer was sintered at 1500° C. for 5 hours, resulting in an electrolyte thickness of 7 μm.
Таким образом, заявленный способ позволяет ускорить процесс синтеза полипиррола на непроводящих подложках, повысить однородность проводящих свойств полипиррола, а также повысить качество слоя твердого электролита, осажденного электрофорезом через нанесение подслоя полипиррола на поверхность подложек.Thus, the claimed method makes it possible to speed up the synthesis of polypyrrole on non-conductive substrates, increase the uniformity of the conductive properties of polypyrrole, and also improve the quality of the solid electrolyte layer deposited by electrophoresis by applying a sublayer of polypyrrole to the surface of the substrates.
Список литературыBibliography
1. Suspension chemistry and electrophoretic deposition of zirconia electrolyte on conducting and non-conducting substrates / D. Das, R.N. Basu // Materials Research Bulletin, 2013, Vol.48, No. 9, pp 3254-3261.1. Suspension chemistry and electrophoretic deposition of zirconia electrolytes on conducting and non-conducting substrates / D. Das, R.N. Basu // Materials Research Bulletin, 2013, Vol. 48, No. 9, pp. 3254-3261.
2. M. Matsuda, T. Hosomi, K. Murata, T. Fukui, M. Miyake. Direct EPD of YSZ Electrolyte Film onto Porous NiO-YSZ Composite Substrate for Reduced-Temperature Operating Anode-Supported SOFC. Electrochem. Solid-State Lett., 2004, Vol.8, pp A8-A11.2. M. Matsuda, T. Hosomi, K. Murata, T. Fukui, M. Miyake. Direct EPD of YSZ Electrolyte Film onto Porous NiO-YSZ Composite Substrate for Reduced-Temperature Operating Anode-Supported SOFC. Electrochem. Solid-State Lett., 2004, Vol. 8, pp A8-A11.
3. Azarian Borojeni, I.; Raissi, В.; Maghsoudipour, A.; Kazemzad, M.; Talebi, T. Fabrication of solid oxide fuel cells (SOFCs) electrolytes by electrophoretic deposition (EPD) and optimizing the process. Key Eng. Mater. 2015, 654, 83-87) [3], (Talebi, Т.; Haji, M.; Raissi, B. Effect of sintering temperature on the microstructure, roughness and electrochemical impedance of electrophoretically deposited YSZ electrolyte for SOFCs. Int. J. Hydrogen Energy 2010, 35, 9420-9426.3. Azarian Borojeni, I.; Raissi, W.; Maghsoudipour, A.; Kazemzad, M.; Talebi, T. Fabrication of solid oxide fuel cells (SOFCs) electrolytes by electrophoretic deposition (EPD) and optimizing the process. KeyEng. mater. 2015, 654, 83-87) [3], (Talebi, T.; Haji, M.; Raissi, B. Effect of sintering temperature on the microstructure, roughness and electrochemical impedance of electrophoretically deposited YSZ electrolyte for SOFCs. Int. J Hydrogen Energy 2010, 35, 9420-9426.
4. Fabrication of GDC/LSGM/GDC tri-layers on polypyrrole-coated NiO- YSZ by electrophoretic deposition for anode-supported SOFC / H.T. Suzuki, T. Uchikoshi, K. Kobayashi, T.S. Suzuki, T. Sugiyama, K. Furuya, M. Matsuda, У. Sakka, F. Munakata // Journal ofthe Ceramic Society of Japan, 2009, Vol.117, No. 11, pp 1246-1248.4. Fabrication of GDC/LSGM/GDC tri-layers on polypyrrole-coated NiO-YSZ by electrophoretic deposition for anode-supported SOFC / H.T. Suzuki, T. Uchikoshi, K. Kobayashi, T.S. Suzuki, T. Sugiyama, K. Furuya, M. Matsuda, U. Sakka, F. Munakata // Journal of the Ceramic Society of Japan, 2009, Vol.117, No. 11, pp. 1246-1248.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2782433C1 true RU2782433C1 (en) | 2022-10-26 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812487C1 (en) * | 2023-10-31 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Method for electrophoretic deposition of layer of doped bismuth oxide on supporting sofc electrolyte on cathode side |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2417472C2 (en) * | 2005-09-13 | 2011-04-27 | Х.К. Штарк Гмбх | Method to produce electrolytic capacitors |
| US20110266158A1 (en) * | 2008-06-19 | 2011-11-03 | Fundacion Cidetec | Method for electrochemically covering an insulating substrate |
| RU2543982C2 (en) * | 2013-07-10 | 2015-03-10 | Ирина Юрьевна Сапурина | Method of obtaining composite polymer-carbon electrode material with high electrochemical capacity |
| CN105297098A (en) * | 2015-11-10 | 2016-02-03 | 上海应用技术学院 | Method for forming polypyrrole film on stainless steel surface through electro-deposition |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2417472C2 (en) * | 2005-09-13 | 2011-04-27 | Х.К. Штарк Гмбх | Method to produce electrolytic capacitors |
| US20110266158A1 (en) * | 2008-06-19 | 2011-11-03 | Fundacion Cidetec | Method for electrochemically covering an insulating substrate |
| RU2543982C2 (en) * | 2013-07-10 | 2015-03-10 | Ирина Юрьевна Сапурина | Method of obtaining composite polymer-carbon electrode material with high electrochemical capacity |
| CN105297098A (en) * | 2015-11-10 | 2016-02-03 | 上海应用技术学院 | Method for forming polypyrrole film on stainless steel surface through electro-deposition |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SUZUKI H.T. et al. Fabrication of GDC/LSGM/GDC tri-layers on polypyrrole-coated NiO-YSZ by electrophoretic deposition for anode-supported SOFC. Journal of the Ceramic Society of Japan, 2009, Vol.117, No. 11, pp 1246-1248. DAS D. et.al. Suspension chemistry and electrophoretic deposition of zirconia electrolyte on conducting and non-conducting substrates. Materials Research Bulletin, 2013, Vol.48, No. 9, pp 3254-3261. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812487C1 (en) * | 2023-10-31 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Method for electrophoretic deposition of layer of doped bismuth oxide on supporting sofc electrolyte on cathode side |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kalinina et al. | New trends in the development of electrophoretic deposition method in the solid oxide fuel cell technology: theoretical approaches, experimental solutions and development prospects | |
| Xu et al. | YSZ thin films deposited by spin-coating for IT-SOFCs | |
| US6846588B2 (en) | Hollow inorganic membranes produced by metal or composite electrodeposition | |
| Pikalova et al. | Place of electrophoretic deposition among thin-film methods adapted to the solid oxide fuel cell technology: A short review | |
| CN113265655B (en) | Preparation method and application of manganese-cobalt spinel coating | |
| Cherng et al. | Anode-supported micro-tubular SOFCs made by aqueous electrophoretic deposition | |
| Das et al. | Electrophoretic deposition of zirconia thin film on nonconducting substrate for solid oxide fuel cell application | |
| Chen et al. | Enhanced performance of NiO–3YSZ planar anode-supported SOFC with an anode functional layer | |
| CN113675418A (en) | Method for preparing graphene conductive polymer coating on surface of bipolar plate by adopting electrodeposition method | |
| Zunic et al. | Electrophoretic deposition of dense BaCe0. 9Y0. 1O3− x electrolyte thick-films on Ni-based anodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells | |
| Ishihara et al. | Preparation of Yttria-Stabilized Zirconia Films for Solid Oxide Fuel Cells by Electrophoretic Deposition Method. | |
| Xue et al. | Fabrication of porous anode-support for planar solid oxide fuel cell using fish oil as a pore former | |
| RU2782433C1 (en) | Method for electrophoretic deposition of a solid electrolyte layer on nonconducting substrates | |
| Liu et al. | Electrochemical performance of cone-shaped anode-supported segmented-in-series SOFCs fabricated by gel-casting technique | |
| WO2008140647A2 (en) | In situ fabricated electrochemical device | |
| CN209071518U (en) | A kind of fuel cell system of high-output power density | |
| JPH10158894A (en) | Film formation of solid electrolyte | |
| CN109326812A (en) | A kind of fuel cell system and preparation method of high-output power density | |
| CN112234237B (en) | Method for preparing electrolyte film of solid oxide fuel cell | |
| CN101107740A (en) | Anode-supported solid oxide fuel cells using a cermet electrolyte | |
| Clasen | Electrophoretic deposition of compacts of nano-sized particles | |
| 根岸秀之 et al. | Preparation of thin and dense lanthanum cobaltite coating on porous tubular alumina supports by electrophoretic deposition | |
| CN109888308A (en) | It is a kind of using electrolyte layer as fuel cell of matrix and preparation method thereof | |
| Hathoot et al. | Electrochemical and electrocatalytic properties of hybrid films composed of conducting polymer and metal hexacyanoferrate | |
| JPH09326258A (en) | Manufacture of solid electrolyte film |