RU2786776C1 - Способ изготовления композитного материала твердоэлектролитной мембраны ячейки среднетемпературного топливного элемента - Google Patents
Способ изготовления композитного материала твердоэлектролитной мембраны ячейки среднетемпературного топливного элемента Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786776C1 RU2786776C1 RU2022123757A RU2022123757A RU2786776C1 RU 2786776 C1 RU2786776 C1 RU 2786776C1 RU 2022123757 A RU2022123757 A RU 2022123757A RU 2022123757 A RU2022123757 A RU 2022123757A RU 2786776 C1 RU2786776 C1 RU 2786776C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- electrolyte
- bcs
- sdc
- samarium
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000001652 electrophoretic deposition Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYSA-N Cerium(IV) oxide Chemical compound [O-2]=[Ce+4]=[O-2] OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000011195 cermet Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 17
- KZUNJOHGWZRPMI-UHFFFAOYSA-N samarium Chemical compound [Sm] KZUNJOHGWZRPMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium(0) Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- XMHIUKTWLZUKEX-UHFFFAOYSA-N Cerotic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O XMHIUKTWLZUKEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 62
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 10
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N AI2O3 Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 101700070405 SDC1 Proteins 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 229910002437 Ce0.8Sm0.2O2−δ Inorganic materials 0.000 description 2
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N Gadolinium Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000000930 thermomechanical Effects 0.000 description 2
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 2
- 101700051112 BACE1 Proteins 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003301 NiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 229910021526 gadolinium-doped ceria Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000001404 mediated Effects 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N nickel(II) oxide Inorganic materials [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к технологии изготовления композитного материала твердоэлектролитной мембраны, которая может быть использована в среднетемпературных твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ). Способ включает последовательное электрофоретическое осаждение слоя из электролитного материала на основе церата бария, допированного самарием (BCS), и слоя из электролитного материала на основе диоксида церия, допированного самарием (SDC), электрофоретическое осаждение ведут на пористую керметную подложку состава NiO-BCS с последующим спеканием полученных слоев, при этом вначале ведут электрофоретическое осаждение слоя электролита из суспензии порошка церата бария, допированного самарием, с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В в течение 40-60 с до толщины неспеченного слоя от 13 до 20 мкм, на полученный высушенный слой ведут электрофоретическое осаждение слоя электролита из суспензии порошка диоксида церия, допированного самарием, с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 70-110 с до толщины неспеченного слоя от 13 до 20 мкм, полученные слои совместно сушат при комнатной температуре в течение 24 ч и спекают при температуре 1450°С в течение 5 ч. Способ позволяет получить композитный материал электролитной мембраны, имеющей свойства кислород-ионного твердого электролита, которая обеспечивает повышение напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) ячейки ТОТЭ. 3 пр., 3 ил.
Description
Изобретение относится к технологии изготовления композитного материала твердоэлектролитной мембраны, которая может быть использована в среднетемпературных твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ).
Область техники
В коммерчески привлекательных топливных элементах со сниженной рабочей температурой, так называемых, среднетемпературных ТОТЭ, работающих в интервале температур 600-750°С, в качестве твердого электролита применяют диоксид церия, допированный самарием (SDC) или гадолинием (GDC). Данный электролит обладает кислород-ионной проводимостью, значительно превышающей проводимость диоксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ), который традиционно используют в высокотемпературных ТОТЭ [Пикалова, Е.Ю., Калинина Е.Г. Подходы к повышению эффективности твердооксидных топливных элементов на основе керамических мембран со смешанной проводимостью. Успехи химии, 2021; 90(6), 703-749].
Для получения тонкопленочных слоев электролита ТОТЭ известно применение электрофоретического осаждения (ЭФО) в суспензии керамических частиц под действием внешнего электрического поля, вызывающего движение и осаждение частиц на электродную подложку, находящуюся в суспензии. Окончательное формирование слоя твердого электролита ТОТЭ осуществляют последующим высокотемпературным спеканием.
Так, известно получение слоя электролита SDC на непроводящей пористой керметной анодной подложке состава NiO-SDC методом прямого электрофоретического осаждения, в котором проводящий графитовый электрод размещают с оборотной стороны анодной подложки, в то время как противоэлектрод из стали размещают напротив фронтальной поверхности анодной подложки, на которой возникает осаждение электролитного материала. Возникновение процесса ЭФО в данном случае происходит за счет достаточной сквозной пористости подложки, которая за счет имеющихся в подложке «проводящих каналов» обеспечивает движение и перенос электрического заряда ионами суспензии, при этом взвешенные частицы, двигаясь к подложке, осаждаются на ее фронтальной поверхности и образуют покрытие [A.G. Bhosale, Rajeev Joshi, K.M. Subhedar, R. Mishra, S.H. Pawar. Acetone mediated electrophoretic deposition of nano crystalline SDC on NiO-SDC ceramics. Journal of Alloys and Compounds 503 (2010) 266-271].
Электрофоретическое осаждение тонкого слоя твердого электролита на непроводящую пористую керметную анодную подложку состава NiO-SDC проводили при напряжении 100В в течение 7 минут. В результате получили покрытие SDC толщиной 10 мкм, которое спекали при температуре 1400°С в течение 12 часов с получением газоплотного покрытия.
Основным недостатком однослойных электролитных мембран SDC является возникновение электронной проводимости в восстановительных условиях за счет восстановления Ce4+ до Ce3+, что вызывает появление электронного тока утечки и приводит к снижению напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) ячеек ТОТЭ до 0.7 В при теоретическом значении 1.14 В и ведет к снижению эффективности использования топлива и энергоэффективности устройства в целом.
В двуслойном электролите, например, состава YSZ/SDC, слой YSZ выполняет функцию блокировки электронного тока утечки, что позволяет увеличить НРЦ и генерируемую электрическую мощность. Известен способ изготовления двуслойной электролитной мембраны среднетемпературного ТОТЭ с тонкопленочным твердым электролитом YSZ/SDC на пористой анодной подложке состава NiO-YSZ с использованием прямого электрофоретического осаждения [Motohide Matsuda, Takushi Hosomia, Kenji Murata, Takehisa Fukui, Michihiro Miyake. Fabrication of bilayered YSZ/SDC electrolyte film by electrophoretic deposition for reduced-temperature operating anode-supported SOFC. Journal of Power Sources. 165 (2007) 102-107].
Прямое электрофоретическое осаждение слоя YSZ и слоя SDC на пористую подложку состава NiO-YSZ в данном способе ведут из суспензии в этаноле при напряжении 600 В с последующим проведением совместного спекания слоев при температуре 1400°С. Слой YSZ в составе двуслойного твердого электролита позволяет блокировать электронный ток утечки, возникающий в материале SDC в восстановительных условиях. Недостатком данного способа является термомеханическая несовместимость слоев SDC и YSZ, поскольку значения коэффициента термического расширения данных электролитов составляет 12 и 10*10-6K-1, соответственно, что при совместном спекании приводит к отслоению полученных слоев при увеличении толщины электролита SDC более 1 мкм. Кроме того, проводимость YSZ в среднетемпературном интервале значительно меньше, чем у электролитов на основе диоксида церия, что приводит к снижению общей проводимости двухслойного электролита при применении YSZ в качестве блокирующего слоя.
Для изготовления среднетемпературных ТОТЭ применяют также двуслойные электролиты SDC/BZCY, в которых слой электролита церато-цирконата бария, допированного иттрием (BZCY), размещенный с анодной стороны ячейки, эффективно блокирует электронный ток утечки, а низкое парциальное давление кислорода с анодной стороны устраняет электронную проводимость р-типа в электролитном слое BZCY [Wenping Sun, Zhen Shi, Zhongtao Wang, Wei Liu. Bilayered BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3_δ/Ce0.8Sm0.2O2_δ. Journal of Membrane Science. Vol. 476, 15 February 2015, рр. 394-398].
Отмеченные особенности ячейки ТОТЭ с двуслойным электролитом SDC/BZCY обеспечивают повышение энергетической эффективности в среднетемпературном интервале. В процессе изготовления ячейки ТОТЭ с двуслойным электролитом SDC/BZCY осуществляют предварительное прессование анодной подложки NiO-SDC, далее последовательно наносят сухой порошок BZCY и порошок SDC, распределяя их на поверхности подложки, затем выполняют окончательное прессование полученной структуры NiO-SDC/BZCY/SDC с последующим высокотемпературным спеканием. Получают слой BZCY толщиной 11 мкм, и слой SDC толщиной 19 мкм.
Полученный электролитный материал обладает низкой спекающей способностью и для окончательного формирования плотной спеченной структуры электролита требует достаточно высокой (~1600…1700°C) температуры, что усложняет технологию получения ячеек ТОТЭ, вызывает испарение бария из материала электролита, а также приводит к деградации пористой структуры подложек и всей полученной многослойной ячейки ТОТЭ. Снижение температуры спекания до температуры 1400°С может затруднять получение плотной электролитной мембраны. К недостаткам способа также относится сложность получения воспроизводимой толщины электролитных слоев при выполнении сухого прессования, особенно при изготовлении элементов большой площади, наличие внутренних напряжений, обусловленных проведением процесса прессования тонкопленочных слоев.
Применение композитных материалов электролитных мембран позволяет снизить термомеханические напряжения в материале за счет устранения многослойной структуры, которой присуще различие температурных коэффициентов расширения отдельных слоев.
Известен способ изготовления композитной электролитной мембраны среднетемпературного ТОТЭ при помощи совместного прессования из смеси порошков BaCe0.8Sm0.2O3-Ce0.8Sm0.2O2-δ (BCS-SDC), взятых в массовом соотношении 1:1, при нанесении на керметную анодную подложку и спекании при температуре 1350°С в течение 5 ч. [Sun, W.; Jiang, Y.; Wang, Y.; Fang, S.; Zhu, Z.; Liu, W. A novel electronic current-blocked stable mixed ion icconductor for solid oxide fuel cells. J. Power Sources 2011, 196(1), 62-68].
Материал, полученный данным способом, позволяет частично снизить электронный ток утечки в электролитной мембране, однако полностью не устраняет возникающие потери в напряжении разомкнутой цепи. Достигнутое НРЦ в ТОТЭ с композитной мембраной BCS-SDC при температуре 600°C составляло 0.94 В, однако прессование смеси порошков исходных электролитных материалов усложняет технологию изготовления композитной твердоэлектролитной мембраны и требует применения дорогостоящего прессового оборудования. Кроме того, использование прессования затрудняет получение заданной толщины и качества электролитной мембраны вследствие возникновения внутренних механических напряжений в прессуемом материале, может приводить к появлению дефектов в твердом электролите, искривлению ячейки ТОТЭ, что негативно сказывается на величине НРЦ.
Сущность изобретения
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощении технологии изготовления композитного материала электролитных мембран для среднетемпературных ТОТЭ, а также в повышении их качества.
Для этого предложен способ изготовления композитного материала твердоэлектролитной мембраны ячейки среднетемпературного топливного элемента, включающий последовательное электрофоретическое осаждение слоя из электролитного материала на основе церата бария, допированного самарием, и слоя из электролитного материала на основе диоксида церия, допированного самарием, электрофоретическое осаждение ведут на пористую керметную подложку состава NiO-BCS с последующим спеканием полученных слоев, при этом вначале ведут электрофоретическое осаждение слоя электролита из суспензии порошка церата бария, допированного самарием,с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 40-60 с до толщины неспеченного слоя от 13 до 20 мкм, на полученный высушенный слой ведут электрофоретическое осаждение слоя электролита из суспензии порошка диоксида церия, допированного самарием, с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 70 -110 с до толщины неспеченного слоя от 13 до 20 мкм, полученные слои совместно сушат при комнатной температуре в течение 24 ч. и спекают при температуре 1450°С в течение 5 ч.
Предложенный способ характеризуется использованием электролитных материалов: материала на основе церата бария, допированного самарием (BCS) и материала на основе диоксида церия, допированного самарием (SDC), и их послойным электрофоретическим осаждением с использованием пористой керметной подложки состава NiO-BCS. Использование прямого электрофоретического осаждения не требует применения дорогостоящего прессового оборудования, что упрощает технологию изготовления материала твердоэлектролитной мембраны BCS/SDC. Кроме того, метод ЭФО позволяет проводить формирование слоев твердого электролита заданной толщины, задавая режим осаждения (напряжение и время). При спекании образуется композитный электролит из компонентов BCS и SDC твердоэлектролитной мембраны ячейки среднетемпературного топливного элемента, при использовании которой происходит блокирование электронного тока утечки, поскольку электронная проводимость n-типа материала SDC с анодной стороны блокируется присутствием фазы BCS, а электронная проводимость р-типа материала BCS с катодной стороны блокируется присутствием фазы SDC. Для композитной мембраны не характерна протонная проводимость, поскольку она заблокирована присутствием фазы SDC. Таким образом, сформированная композитная электролитная мембрана имеет свойства кислород-ионного твердого электролита, которая обеспечивает повышение НРЦ ячейки ТОТЭ. Применение метода прямого ЭФО позволяет выбирать толщины нанесенных слоев для создания требуемого состава композитного электролита и формирования плотной электролитной мембраны, не содержащей пор, трещин и других дефектов, что обеспечивает функционирование среднетемпературной ячейки ТОТЭ и повышение НРЦ.
Объемное соотношение BCS и SDC компонентов в составе электролитной мембраны обусловлен обеспечением ее плотной спеченной структуры, не содержащей пор и трещин, и определяется соотношением толщин нанесенных слоев BCS и SDC. Недостаточная или избыточная толщина нанесенного слоя SDC (менее 13 мкм, либо более 20 мкм), а также недостаточная или избыточная толщина нанесенного слоя BCS (менее 13 мкм, либо более 20 мкм) затрудняет получение плотной спеченной электролитной мембраны при проведении последующего спекания. Повышение температуры совместного спекания до 1450°С обеспечивает более полное спекание электролита с образованием плотной композитной мембраны. Контроль времени осаждения позволяет получить необходимую толщину электролитной мембраны, что обеспечивает ее функционирование в необходимых условиях и повышает НРЦ.
Новый технический результат, достигаемый использованием изобретения, заключается в получении композитного материала электролитной мембраны, имеющей свойства кислород-ионного твердого электролита, которая обеспечивает повышение НРЦ ячейки ТОТЭ.
Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируется рисунками
Фиг. 1. Электронная микрофотография поверхности (а) и поперечного сечения (б) композитной электролитной мембраны BCS/SDC с толщиной слоя BCS 13 мкм и толщиной слоя SDC 20 мкм, спеченной при температуре 1450°С, 5 ч. на поверхности керметной анодной подложки состава NiO-BCS.
Фиг. 2. Электронная микрофотография поверхности (а) и поперечного сечения (б) композитной электролитной мембраны BCS/SDC толщиной слоя BCS 16.5 мкм и толщиной слоя SDC 16.5 мкм, спеченной при температуре 1450°С, 5 ч. на поверхности керметной анодной подложки состава NiO-BCS.
Фиг. 3. Электронная микрофотография поверхности (а) и поперечного сечения (б) композитной электролитной мембраны BCS/SDC с толщиной слоя BCS 20 мкм и толщиной слоя SDC 13 мкм, спеченной при температуре 1450°С, 5 ч на поверхности керметной анодной подложки состава NiO-BCS.
Осуществление изобретения
Заявленным способом был изготовлен композитный материал твердоэлектролитной мембраны ячейки среднетемпературного ТОТЭ. Для этого использовали порошки электролитных материалов: материала на основе церата бария, допированного самарием (BCS), а также материала на основе диоксида церия, допированного самарием (SDC), при этом количество используемого в способе материала SDC составляет от 40 до 60об. %. Для электрофоретического осаждения в заявленном способе использовали пористую керметную подложку состава NiO-BCS.
Пример 1. Электрофоретическое осаждение слоя BCS (40 об. %) на пористую керметную подложку состава NiO-BCS осуществляли из суспензии порошка BCS с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 40 с. Толщина неспеченного слоя BCS составила 13 мкм. На полученный высушенный слой BCS проводили прямое электрофоретическое осаждение слоя SDC из суспензии порошка SDC с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 110 с. Толщина неспеченного слоя SDC составила 20 мкм. Образец получаемого материала BCS/SDC сушили при комнатной температуре в чашке Петри в течение 24 часов, размещали на платиновой подложке, прикрыв сверху алундовым тиглем и спекали при температуре 1450°С в течение 5 ч. Результаты микроструктурных исследований показали, что сформировалась сплошная плотная композитная электролитная мембрана толщиной 33 мкм, состоящая из зерен размером до 15 мкм, не содержащая пор и трещин, что видно из электронной микрофотографии, фиг. 1.
Была изготовлена ячейка ТОТЭ Pt/BCS/SDC/NiO-BCS с платиновым катодом, керметным анодом NiO-BCS и полученной композитной электролитной мембраной BCS/SDC. В результате измерений ячейка показала значение напряжения разомкнутой цепи, равного 1.05 В при температуре 600°С, что выше данных, известных из литературы, как для индивидуальных мембран SDC, полученных с использованием метода электрофореза, так и для вышеописанной композитной электролитной мембраны BCS-SDC, полученной методом прессования и спекания смеси электролитов с соотношением компонентов BCS и SDC 1:1.
Пример 2. Электрофоретическое осаждение слоя BCS (50 об. %) на пористую керметную подложку состава NiO-BCS осуществляли из суспензии порошка BCS с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 50 с. Толщина неспеченного слоя BCS составила 16.5 мкм. На полученный высушенный слой BCS проводили прямое электрофоретическое осаждение слоя SDC из суспензии порошка SDC с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 90 с. Толщина неспеченного слоя SDC составила 16.5 мкм. Образец получаемого материала BCS/SDC сушили при комнатной температуре в чашке Петри в течение 24 ч, размещали на платиновой подложке, прикрыв сверху алундовым тиглем и спекали при температуре 1450°С в течение 5 ч. Результаты микроструктурных исследований показали, что сформировалась сплошная плотная композитная электролитная мембрана толщиной 33 мкм, состоящая из зерен размером до 15 мкм, не содержащая пор и трещин, что видно из электронной микрофотографии, фиг. 2.
Была изготовлена ячейка ТОТЭ Pt/BCS/SDC/NiO-BCS с платиновым катодом, керметным анодом NiO-BCS и полученной композитной электролитной мембраной BCS/SDC. В результате измерений ячейка показала значение напряжения разомкнутой цепи, равного 1.0 В при температуре 600°С, что выше данных, известных из литературы, как для индивидуальных мембран SDC, полученных с использованием метода электрофореза, так и для вышеописанной композитной электролитной мембраны BCS-SDC, полученной методом прессования и спекания смеси электролитов с соотношением компонентов BCS и SDC 1:1.
Пример 3. Электрофоретическое осаждение слоя BCS (60 об. %) на пористую керметную подложку состава NiO-BCS осуществляли из суспензии порошка BCS с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 60 с. Толщина неспеченного слоя BCS составила 20 мкм. На полученный высушенный слой BCS проводили прямое электрофоретическое осаждение слоя SDC из суспензии порошка SDC с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 70 с. Толщина неспеченного слоя SDC составила 13 мкм. Образец получаемого материала BCS/SDC сушили при комнатной температуре в чашке Петри в течение 24 ч, размещали на платиновой подложке, прикрыв сверху алундовым тиглем и спекали при температуре 1450°С в течение 5 ч. Результаты микроструктурных исследований показали, что сформировалась сплошная плотная композитная электролитная мембрана толщиной 33 мкм, состоящая из зерен размером до 15 мкм, не содержащая пор и трещин, что видно из электронной микрофотографии, фиг. 3.
Была изготовлена ячейка ТОТЭ Pt/BCS/SDC/NiO-BCS с платиновым катодом, керметным анодом NiO-BCS и полученной композитной электролитной мембраной BCS/SDC. В результате измерений ячейка показала значение напряжения разомкнутой цепи, равного 0.96 В при температуре 600°С, что выше данных, известных из литературы, как для индивидуальных мембран SDC, полученных с использованием метода электрофореза, так и для вышеописанной композитной электролитной мембраны, BCS-SDC, полученной методом прессования и спекания смеси электролитов с соотношением компонентов BCS и SDC 1:1.
Таким образом, заявляемый способ позволяет изготовить композитный материал электролитной мембраны, имеющей свойства кислород-ионного твердого электролита, которая обеспечивает повышение НРЦ ячейки ТОТЭ.
Claims (1)
- Способ изготовления композитного материала твердоэлектролитной мембраны ячейки среднетемпературного топливного элемента, включающий последовательное электрофоретическое осаждение слоя из электролитного материала на основе церата бария, допированного самарием, и слоя из электролитного материала на основе диоксида церия, допированного самарием, электрофоретическое осаждение ведут на пористую керметную подложку состава NiO-BCS с последующим спеканием полученных слоев, при этом вначале ведут электрофоретическое осаждение слоя электролита из суспензии порошка церата бария, допированного самарием, с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 40-60 с до толщины неспеченного слоя от 13 до 20 мкм, на полученный высушенный слой ведут электрофоретическое осаждение слоя электролита из суспензии порошка диоксида церия, допированного самарием, с концентрацией 10 г/л при напряжении 200 В, в течение 70-110 с до толщины неспеченного слоя от 13 до 20 мкм, полученные слои совместно сушат при комнатной температуре в течение 24 ч и спекают при температуре 1450°С в течение 5 ч.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2786776C1 true RU2786776C1 (ru) | 2022-12-26 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741920C1 (ru) * | 2020-06-29 | 2021-01-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Способ жидкофазного синтеза наноструктурированного керамического материала в системе CeO2 - Sm2O3 для создания электролита твердооксидного топливного элемента |
| RU2754352C1 (ru) * | 2020-12-30 | 2021-09-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") | Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора |
| 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 |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741920C1 (ru) * | 2020-06-29 | 2021-01-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Способ жидкофазного синтеза наноструктурированного керамического материала в системе CeO2 - Sm2O3 для создания электролита твердооксидного топливного элемента |
| RU2754352C1 (ru) * | 2020-12-30 | 2021-09-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") | Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора |
| 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 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Sun W. et al. A novel electronic current-blocked stable mixed ion icconuctor for solid oxide fuel cells. J. Power Sources 2011, 196(1), 62-68. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zuo et al. | Ba (Zr0. 1Ce0. 7Y0. 2) O3–δ as an electrolyte for low‐temperature solid‐oxide fuel cells | |
| Liu et al. | Anode-supported solid oxide fuel cell with yttria-stabilized zirconia/gadolinia-doped ceria bilalyer electrolyte prepared by wet ceramic co-sintering process | |
| Ishihara et al. | Intermediate temperature solid oxide fuel cells using LaGaO3 based oxide film deposited by PLD method | |
| Chen et al. | Ionic conduction mechanism of a nanostructured BCY electrolyte for low-temperature SOFC | |
| Liu et al. | Multilayer tape casting of large-scale anode-supported thin-film electrolyte solid oxide fuel cells | |
| Wang et al. | Preparation and performance of solid oxide fuel cells with YSZ/SDC bilayer electrolyte | |
| US20220223880A1 (en) | Solid oxide fuel cells with cathode functional layers | |
| Wang et al. | Performance and stability analysis of SOFC containing thin and dense gadolinium-doped ceria interlayer sintered at low temperature | |
| CN106058288B (zh) | 高级固体电解质和制造方法 | |
| Fung et al. | Cathode-supported SOFC using a highly conductive lanthanum aluminate-based electrolyte | |
| Chen et al. | Characterization of planer cathode-supported SOFC prepared by a dual dry pressing method | |
| Hussain et al. | Durability improvement of large-area anode supported solid oxide fuel cell fabricated by 4-layer sequential co-lamination and co-firing process | |
| Hussain et al. | High performing and durable anode-supported solid oxide fuel cell by using tape casting, lamination and co-firing method | |
| Sochugov et al. | The effect of pulsed electron beam pretreatment of magnetron sputtered ZrO2: Y2O3 films on the performance of IT-SOFC | |
| Im et al. | PrBa0. 5Sr0. 5Co1. 5Fe0. 5O5+ δ composite cathode in protonic ceramic fuel cells | |
| KR20160030625A (ko) | 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 프로톤 전도체 고체산화물 연료전지 | |
| Kalinina et al. | Electrophoretic deposition of dense anode barrier layers of doped ZrO2 and BaCeO3 on a supporting Ce0. 8Sm0. 2O2-δ solid electrolyte: Problems and search for solutions in SOFC technology | |
| Shimada et al. | Additive effect of NiO on electrochemical properties of mixed ion conductor BaZr0. 1Ce0. 7Y0. 1Yb0. 1O3− δ | |
| RU2786776C1 (ru) | Способ изготовления композитного материала твердоэлектролитной мембраны ячейки среднетемпературного топливного элемента | |
| Zhang et al. | Repeatable preparation of defect-free electrolyte membranes for proton-conducting fuel cells | |
| KR20170106030A (ko) | 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법 | |
| Mohebbi et al. | Controlling Yttria-stabilized zirconia/gadolinia-doped ceria interdiffusion layer in the solid oxide fuel cell electrolyte via flash sintering method | |
| Nagamori et al. | Densification and Cell Performance of Gadolinium‐Doped Ceria (GDC) Electrolyte/NiO–GDC anode Laminates | |
| Agarkova et al. | Tape Casting of Bilayered Anode Supports and Electrochemical Performance of SOFCs Based on Them | |
| RU2812650C1 (ru) | Трехслойная твердоэлектролитная мембрана среднетемпературного ТОТЭ |