RU2125324C1 - Method for producing single high-temperature fuel element and its components: cathode, electrolyte, anode, current duct, interface and insulating layers - Google Patents
Method for producing single high-temperature fuel element and its components: cathode, electrolyte, anode, current duct, interface and insulating layers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2125324C1 RU2125324C1 RU98111808A RU98111808A RU2125324C1 RU 2125324 C1 RU2125324 C1 RU 2125324C1 RU 98111808 A RU98111808 A RU 98111808A RU 98111808 A RU98111808 A RU 98111808A RU 2125324 C1 RU2125324 C1 RU 2125324C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixture
- electrolyte
- temperature
- powder
- electrode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемая группа изобретений относится к области непосредственного прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, а конкретно к высокотемпературным электрохимическим устройствам (ВТЭХУ) с твердым оксидным электролитом (ТОЭ) и может быть использована для изготовления единичного высокотемпературного топливного элемента (ВТТЭ) и его компонентов. The proposed group of inventions relates to the field of direct direct conversion of chemical energy of fuel into electrical energy, and in particular, to high-temperature electrochemical devices (VTEHU) with solid oxide electrolyte (TOE) and can be used to produce a single high-temperature fuel cell (VTTE) and its components.
Высокотемпературные топливные элементы являются на сегодня одним из перспективных источников электрической энергии, как в передвижных установках, так и в стационарных электростанциях большой мощности и могут рассматриваться как альтернатива атомной энергии. Today, high-temperature fuel cells are one of the promising sources of electric energy, both in mobile units and in stationary power plants of high power, and can be considered as an alternative to nuclear energy.
Наиболее важной особенностью ВТТЭ является непосредственное превращение химической энергии некоторых видов топлива в электрическую, благодаря чему такое преобразование энергии не подпадает под ограничения цикла Карно и теоретически возможно достижение КПД - 80%. В настоящее время на опытных образцах достигнуты значения КПД - 50%, а реально достижимые в ближайшее время величины КПД составят 65 - 70%. Кроме этого, по сравнению с традиционными способами генерирования электричества, топливные элементы обладают рядом других преимуществ: модульность конструкции, высокий КПД при частичной электрической нагрузке, возможность совместной генерации электрической и тепловой энергии, на несколько порядков ниже выход загрязняющих продуктов, отсутствие движущихся деталей и узлов. The most important feature of VTE is the direct conversion of the chemical energy of certain types of fuel into electrical energy, due to which such energy conversion does not fall under the limitations of the Carnot cycle and theoretically it is possible to achieve an efficiency of 80%. At present, the efficiency values of 50% have been achieved with the prototypes, and the efficiency values that are actually achievable in the near future will be 65 - 70%. In addition, compared with traditional methods of generating electricity, fuel cells have a number of other advantages: modular design, high efficiency at partial electric load, the possibility of joint generation of electric and thermal energy, the output of polluting products is several orders of magnitude lower, the absence of moving parts and assemblies.
В последнее время наиболее активно ведутся исследования и разработки высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (по международной классификации "Solid Oxide Fuel Cells" (SOFC). Recently, the most active research and development of high-temperature solid oxide fuel cells (according to the international classification "Solid Oxide Fuel Cells" (SOFC).
Они имеют несколько явных преимуществ перед другими типами топливных элементов, такие как: использование оксидных материалов для электродов, отсутствие в топливном элементе жидкостей, их циркуляции, т.е. преимущество твердого электролита. Использование в керамической топливной ячейке твердого оксидного электролита исключает коррозию материалов и задачи контроля электролита. Керамические топливные элементы обычно работают при высоких температурах (>600oС). Высокие рабочие температуры повышают скорость реакции, позволяют преобразовывать углеводородное топливо в топливном элементе (внутренний реформинг) и производить высокопотенциальное тепло, пригодное для регенерации и использования в основном цикле. Таким образом, энергетические установки, базирующиеся на керамических топливных элементах, могут быть простыми и более эффективными, чем многие другие известные технологии получения электрической и тепловой энергии. Более того, поскольку все компоненты ВТТЭ находятся в твердом состоянии, керамические топливные элементы могут быть сформированы в виде очень тонких слоев, а самим компонентам элемента могут придаваться уникальные формы, что недостижимо в системах топливных ячеек, использующих жидкий электролит.They have several distinct advantages over other types of fuel cells, such as: the use of oxide materials for electrodes, the absence of liquids in the fuel cell, their circulation, i.e. advantage of solid electrolyte. The use of solid oxide electrolyte in a ceramic fuel cell eliminates the corrosion of materials and the task of monitoring the electrolyte. Ceramic fuel cells typically operate at high temperatures (> 600 ° C). High operating temperatures increase the reaction rate, allow the conversion of hydrocarbon fuel in a fuel cell (internal reforming) and produce high-potential heat suitable for regeneration and use in the main cycle. Thus, power plants based on ceramic fuel cells can be simpler and more efficient than many other known technologies for generating electric and thermal energy. Moreover, since all the components of the solid fuel cell are in the solid state, ceramic fuel cells can be formed in the form of very thin layers, and the components of the element can be given unique shapes, which is unattainable in fuel cell systems using liquid electrolyte.
С другой стороны, керамические топливные элементы предъявляют повышенные требования к материалам, используемым для изготовления их компонентов. Получение керамических порошков и развитие методов их формирования и производства играют ключевую роль в технологиях керамических топливных элементов. On the other hand, ceramic fuel cells place increased demands on the materials used to make their components. The preparation of ceramic powders and the development of methods for their formation and production play a key role in ceramic fuel cell technologies.
Основными компонентами керамического топливного элемента являются электролит, анод, катод и токопроход. Каждый компонент выполняет несколько функций в топливной ячейке и должен отвечать определенным требованиям: обладать стабильностью свойств (химических, фазовых, структурных, размерных) в окислительной и/или восстановительной средах, химической совместимостью с другими компонентами и надлежащей проводимостью. Компоненты керамических топливных элементов должны иметь сходные коэффициенты термического расширения для исключения отслоения и разрушения в процессе изготовления и эксплуатации. Электролит и токопроход должны быть достаточно плотными для предотвращения смешивания газов анодного и катодного пространств, тогда как анод и катод должны быть пористыми, чтобы обеспечить перенос газа к месту протекания реакции и отвод продуктов реакции. The main components of a ceramic fuel cell are an electrolyte, an anode, a cathode, and a current passage. Each component performs several functions in the fuel cell and must meet certain requirements: to have stability of properties (chemical, phase, structural, dimensional) in oxidizing and / or reducing environments, chemical compatibility with other components and proper conductivity. Components of ceramic fuel cells should have similar thermal expansion coefficients to prevent delamination and destruction during manufacturing and operation. The electrolyte and current passage must be sufficiently dense to prevent mixing of the gases of the anode and cathode spaces, while the anode and cathode must be porous in order to ensure gas transfer to the reaction site and removal of reaction products.
В дополнение к перечисленным требованиям, компоненты ячейки должны обладать высокой прочностью и стойкостью и обеспечить возможность простого и дешевого способа ее изготовления. Кроме того, способы изготовления компонентов керамического топливного элемента должны быть совместимы, поскольку условия производства элемента не могут быть разделены и быть независимыми для каждого компонента. Например, если компоненты изготавливают и соединяют один за другим, то температура спекания каждого последующего компонента должна быть равна или ниже, чем для предыдущего компонента, чтобы избежать изменения микроструктуры предыдущего. Если компоненты формируются в сыром виде, тогда все они должны спекаться в одних и тех же режимах. Более того, компоненты керамического топливного элемента должны быть совместимы не только при рабочей температуре, но и при более высоких температурах, при которых происходит формирование керамических структур. In addition to the listed requirements, the cell components must have high strength and durability and provide the possibility of a simple and cheap method of its manufacture. In addition, the methods for manufacturing ceramic fuel cell components must be compatible, since the production conditions of the cell cannot be separated and independent for each component. For example, if the components are made and combined one after another, then the sintering temperature of each subsequent component should be equal to or lower than for the previous component in order to avoid changes in the microstructure of the previous one. If the components are formed in raw form, then all of them must be sintered in the same modes. Moreover, the components of a ceramic fuel cell must be compatible not only at operating temperature, but also at higher temperatures at which ceramic structures are formed.
В настоящее время разработаны и широко используются технологии изготовления (ВТТЭ), их компонентов: электродов, электролитов, токопроходов, которые, в основном, удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по химической стабильности, термостойкости, электрическим и другим свойствам. Их составы представляют из себя, главным образом, керамические материалы на основе диоксида циркония, оксидов церия, тория, бария, стронция, висмута и соединения перовскитового типа на основе оксидов хрома, марганца, кобальта, никеля, лантана, модифицированные магнием, кальцием, стронцием, барием, скандием, иттрием, церием и другими лантаноидами. В технологии изготовления материалов для ВТТЭ применимы все известные способы изготовления керамических материалов. Однако все возрастающие и усложняющиеся специфические требования, предъявляемые к конструкциям ВТТЭ в целом, такие как:
- заданная пористость керамических электродов при достаточной конструкционной прочности и электрической проводимости;
- уменьшение толщины пленки электролита при сохранении газоплотности и, как следствие, необходимость формирования тонких пленок электролита на пористых несущих электродах при максимальном увеличении удельной рабочей поверхности на единицу веса ВТТЭ, существенно ограничивают применение известных керамических технологий и материалов при формировании самих компонентов ВТТЭ - электродов, электролитов, токопроходов и др.Currently, manufacturing technologies (VTTE) have been developed and are widely used, their components: electrodes, electrolytes, current paths, which basically satisfy the requirements for chemical stability, heat resistance, electrical and other properties. Their compositions are mainly ceramic materials based on zirconia, ceria, thorium, barium, strontium, bismuth and perovskite-type compounds based on chromium, manganese, cobalt, nickel, lanthanum oxides, modified with magnesium, calcium, strontium, barium, scandium, yttrium, cerium and other lanthanides. In the technology for manufacturing materials for VTTE, all known methods for the manufacture of ceramic materials are applicable. However, the increasing and increasing specific requirements for the design of VTTE as a whole, such as:
- predetermined porosity of ceramic electrodes with sufficient structural strength and electrical conductivity;
- a decrease in the thickness of the electrolyte film while maintaining gas density and, as a consequence, the need to form thin electrolyte films on porous supporting electrodes with a maximum increase in the specific working surface per unit weight of VTTE, significantly limit the use of known ceramic technologies and materials in the formation of the components of VTTE - electrodes, electrolytes current passages, etc.
Одно из ограничений обусловлено большими различиями в температурах спекания материалов, из которых изготавливаются сопрягаемые компоненты ВТТЭ (например, спекание электролита 10YSZ происходит при температуре 1700oС, а несущего катода из манганита-лантана-стронция La0,7Sr0,3MnO3 - при 1450oС). В то же время, эти температуры, характерные для каждого материала, являются необходимыми для полной стабилизации их свойств, используемых в ВТТЭ. Поэтому разрабатываемые в последние годы специальные способы формирования твердых оксидных электролитов и электродов оказываются неэффективными, поскольку, в основном, базируются на максимальном увеличении активности порошков для снижения и сближения температур спекания электролитов и электродов. Действительно, удается сформировать поверхности контактов ВТТЭ: катод/электролит/ анод при температурах на 100 - 400oС ниже обычного. Однако материалы, уже находясь в составе изделия и продолжая оставаться достаточно активными, продолжают приобретать фазовую структуру уже во время эксплуатации изделия при 900 - 1100oС, что сопровождается неравномерными усадками различных компонентов ВТТЭ, их повышенной взаимной диффузией, приводящим к разрушению или неприемлемому снижению эксплуатационных свойств изделия.One of the limitations is due to large differences in the sintering temperatures of the materials from which the mated VTTE components are made (for example, sintering of 10YSZ electrolyte occurs at a temperature of 1700 o С, and of a bearing cathode of manganite-lanthanum-strontium La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 - at 1450 o C). At the same time, these temperatures, characteristic of each material, are necessary for the complete stabilization of their properties used in VTE. Therefore, special methods developed in recent years for the formation of solid oxide electrolytes and electrodes are ineffective, because they are mainly based on the maximum increase in the activity of powders to reduce and approximate sintering temperatures of electrolytes and electrodes. Indeed, it is possible to form the contact surfaces of VTTE: cathode / electrolyte / anode at temperatures 100-400 o C lower than usual. However, the materials, already being part of the product and continuing to remain quite active, continue to acquire a phase structure already during operation of the product at 900 - 1100 o C, which is accompanied by uneven shrinkage of various components of VTTE, their increased mutual diffusion, leading to destruction or unacceptable decrease in operational product properties.
В модификациях известных керамических технологий, в которых меняются методы формирования компонентов ВТТЭ из порошков (изостатическое прессование, экструзия, плазменное напыление, вакуумное напыление и др.) вынуждены пользоваться активными порошками или в процессе самого формирования или далее по технологическому процессу изготовления, используя дополнительные приемы: уплотнение электролита, обеспечение заданной пористости или увеличение адгезии сопрягаемых элементов и т.д. In modifications of the well-known ceramic technologies, in which the methods for the formation of HTFC components from powders (isostatic pressing, extrusion, plasma spraying, vacuum spraying, etc.) are changed, they are forced to use active powders either during the formation itself or further through the manufacturing process using additional techniques: compaction of the electrolyte, providing a given porosity or increasing adhesion of the mating elements, etc.
Известен способ изготовления ВТТЭ, включающий последовательное нанесение топливного электродного слоя, электролитного слоя и воздушного электродного слоя, образующих трехслойный элемент на несущей подложке, выполненной из CSZ, а электролитный слой - из YSZ, при этом подложка выполнена с КТР, равным КТР электролитного слоя, нанесенного посредством напыления с термообработкой в процессе нанесения. Термообработка осуществляется нагревом со скоростью 50oС/час до достижения температуры 1450oС, выдерживании при этой температуре в течение 6 часов с последующим снижением с такой же скоростью (патент США N 5021304, кл. H 01 M 8/10, H 01 M 4/86, опубл. 1991).A known method of manufacturing VTFC, including the sequential deposition of a fuel electrode layer, an electrolyte layer and an air electrode layer forming a three-layer element on a carrier substrate made of CSZ, and the electrolyte layer is made of YSZ, wherein the substrate is made with a CTE equal to the CTE of the electrolyte layer deposited by spraying with heat treatment during application. Heat treatment is carried out by heating at a speed of 50 o C / hour to reach a temperature of 1450 o C, keeping at this temperature for 6 hours, followed by a decrease at the same speed (US patent N 5021304, CL H 01 M 8/10, H 01
При изготовлении ВТТЭ в соответствии с данным патентом используют широкую номенклатуру исходных веществ и соединений. Изготовление его отдельных компонентов: катода, анода, электролита, токопрохода, интерфейсного и электроизолирующего слоев осуществляется различными технологиями, что в итоге усложняет процесс изготовления всего ВТТЭ в целом и особенно усложняет его аппаратурную реализацию. In the manufacture of VTTE in accordance with this patent, a wide range of starting materials and compounds is used. The manufacture of its individual components: cathode, anode, electrolyte, current passage, interface and electrical insulating layers is carried out by various technologies, which ultimately complicates the manufacturing process of the entire VTFC as a whole and especially complicates its hardware implementation.
Альтернативой данному методу могут быть технологии с использованием процессов, основанных на пиролизе соединений металлов с различными органическими реагентами, содержащими элементы, входящие в состав формируемых компонентов ВТТЭ. An alternative to this method can be technologies using processes based on the pyrolysis of metal compounds with various organic reagents containing elements that are part of the formed components of VTTE.
Анализ известных аналогичных технических решений позволяет сделать вывод и о том, что роль органических реагентов при изготовлении электролитов и электродов одинакова в части снижения температур спекания (формирования), но различна, а именно - противоположна - в части желаемого конечного результата, т. к. электролит должен быть газоплотным, а электрод - пористым. При этом возникает тенденция использования различных классов органических соединений, что в итоге приводит к неизбежному расширению используемой номенклатуры веществ и материалов и удорожанию изготовления ВТТЭ в целом. An analysis of known similar technical solutions allows us to conclude that the role of organic reagents in the manufacture of electrolytes and electrodes is the same in terms of lowering sintering (formation) temperatures, but it is different, namely, the opposite - in terms of the desired final result, because electrolyte must be gas tight and the electrode porous. In this case, there is a tendency to use different classes of organic compounds, which ultimately leads to the inevitable expansion of the used range of substances and materials and the cost of manufacturing VTTE as a whole.
Так, если в способах формирования электролита, в основном, используются β-дикетоны, то в способах формирования электродов и другие, самые различные, классы органических соединений: спирты, карбоновые кислоты, амины и многие другие (в том числе легко воспламеняющиеся), для различных металлов и групп металлов. So, while β-diketones are mainly used in the methods of electrolyte formation, then in the methods of electrode formation there are other, very different, classes of organic compounds: alcohols, carboxylic acids, amines, and many others (including flammable ones), for various metals and metal groups.
В этой связи процесс изготовления материалов для формирования любых компонентов ВТТЭ должен быть универсальным и укладываться в рамки однотипных процессов и оборудования, как при изготовлении самих материалов, так и компонентов ВТТЭ на их основе, что значительно снижает себестоимость изделия, сокращает номенклатуру используемых материалов и веществ, а также всего используемого технологического оборудования. In this regard, the process of manufacturing materials for the formation of any components of VTTE should be universal and fit into the framework of the same processes and equipment, both in the manufacture of the materials themselves and components of VTTE on their basis, which significantly reduces the cost of the product, reduces the range of materials and substances used, as well as all used technological equipment.
Керамический катод может являться несущей конструкционной основой ВТТЭ. К несущему катоду топливного элемента предъявляют следующие основные требования:
- общая пористость и размер пор катода должны обеспечивать свободный подвод кислородосодержащего газа к трехфазной границе "катод-электролит-газ";
- достаточная механическая прочность для обеспечения надежной эксплуатации топливного элемента в течение длительного времени;
- коэффициент термического расширения (КТР) катода должен быть близок к КТР твердого электролита, для исключения возникновения механических напряжений, приводящих к разрушению слоя твердого электролита.The ceramic cathode can be the supporting structural basis of VTTE. The following basic requirements are imposed on the fuel cell cathode:
- the total porosity and pore size of the cathode should provide a free supply of oxygen-containing gas to the three-phase interface "cathode-electrolyte-gas";
- sufficient mechanical strength to ensure reliable operation of the fuel cell for a long time;
- the coefficient of thermal expansion (CTE) of the cathode should be close to the CTE of the solid electrolyte, to exclude the occurrence of mechanical stresses leading to the destruction of the solid electrolyte layer.
Первые два требования противоречат друг другу, поэтому на практике всегда существует проблема отыскания их компромиссного значения. The first two requirements contradict each other, so in practice there is always the problem of finding their compromise value.
Третье требование, в основном, обеспечивается выбором материалов. The third requirement is mainly provided by the choice of materials.
В качестве материала для изготовления катода используют, например, оксидные соединения La, Mn, Cr, Co, Ni, допированные оксидами Mg, Ca, Sr, Ba и др. As the material for the manufacture of the cathode, for example, oxide compounds La, Mn, Cr, Co, Ni, doped with oxides of Mg, Ca, Sr, Ba, etc. are used.
С учетом предъявляемых требований, в том числе и из-за высоких рабочих температур (порядка 1000oС), в SOFC на основе YSZ для изготовления катодов могут быть использованы благородные металлы или оксидные соединения с электронной проводимостью. Однако благородные металлы, такие как платина, палладий или серебро, в связи с их высокой стоимостью практически используются в SOFC только для исследовательских целей. В последнее время наибольшее распространение получил допированный манганит лантана LaMnO3.Given the requirements, including due to high operating temperatures (about 1000 o C), noble metals or oxide compounds with electronic conductivity can be used in the YSZ-based SOFC to produce cathodes. However, noble metals such as platinum, palladium or silver, due to their high cost, are practically used in SOFC for research purposes only. Recently, doped lanthanum manganite LaMnO 3 has become most widespread.
Как отмечалось выше, выбор материала для изготовления несущего пористого катода осуществляют с учетом его проводимости, КТР и других свойств. В этой связи температура предварительного обжига (синтеза) выбранного материала является заранее заданной (обусловленной температурой, при которой материал приобретает необходимый фазовый состав) и не может быть изменена в широких пределах. Это, в свою очередь, не позволяет варьировать диффузионные и прочностные характеристики несущего пористого катода. Кроме того, спекание при высоких температурах предполагает большие энергозатраты на производство топливных элементов. As noted above, the choice of material for the manufacture of a supporting porous cathode is carried out taking into account its conductivity, KTP, and other properties. In this regard, the temperature of preliminary firing (synthesis) of the selected material is a predetermined (due to the temperature at which the material acquires the necessary phase composition) and cannot be changed over a wide range. This, in turn, does not allow to vary the diffusion and strength characteristics of the supporting porous cathode. In addition, sintering at high temperatures involves large energy costs for the production of fuel cells.
Из уровня техники известно, что способы изготовления электродов отличаются в зависимости от конструкции ВТТЭ. It is known from the prior art that methods for manufacturing electrodes differ depending on the design of the VTFC.
В конструкциях с несущим электролитом изготовление электродов (в большинстве случаев) заключается в нанесении взвеси мелкодисперсного материала в каких-либо растворителях (спирт, ацетон, и т.д.) на поверхность электролита, последующем обжиге при температуре, обеспечивающей надежное сцепление электродного материала с электролитом. Нанесение электродной массы на поверхность электролита осуществляют обычно посредством окраски, погружения или разбрызгивания. In constructions with a supporting electrolyte, the manufacture of electrodes (in most cases) consists in applying a suspension of finely dispersed material in any solvents (alcohol, acetone, etc.) to the surface of the electrolyte, followed by firing at a temperature that ensures reliable adhesion of the electrode material with the electrolyte . The application of the electrode mass on the surface of the electrolyte is usually carried out by painting, dipping or spraying.
Электрод также можно изготовить химическим осаждением на поверхность несущего твердого электролита из растворов или газовой фазы, термическим разложением солей металлов, совместным горячим прессованием электродного материала с электролитом, напылением (Перфильев М.В., Демин А.К., Кузин Б.Л. , Липилин А.С. Высокотемпературный электролиз газов. - М.: Наука, 1988, с. 98). The electrode can also be made by chemical deposition on the surface of a supporting solid electrolyte from solutions or the gas phase, thermal decomposition of metal salts, joint hot pressing of the electrode material with electrolyte, sputtering (Perfilyev M.V., Demin A.K., Kuzin B.L., Lipilin, A.S., High-Temperature Electrolysis of Gases, Moscow: Nauka, 1988, p. 98).
В конструкциях с несущим электродом электроды изготавливают различными методами формования: экструзией, одноосным или изостатическим прессованием, литьем, - из специально приготовленных формуемых масс. In designs with a supporting electrode, the electrodes are made by various molding methods: extrusion, uniaxial or isostatic pressing, casting, from specially prepared molded masses.
Наиболее близким к заявленной группе изобретений в отношении изготовления катода по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления трубчатого несущего электрода для твердого оксидного электролита электрохимического элемента, заключающийся в сухом смешивании порошков MnO2, CaCO3 и La2O3 (для получения после спекания манганита лантана (LaMnO3), допированного кальцием), прессовании полученной смеси в брикеты, высокотемпературном синтезе путем спекания спрессованных брикетов и последующем их измельчении до получения порошка с заданным размером частиц, смешении приготовленного порошка с удаляемыми: пластификатором, порообразователем и водорастворимой связкой для получения формуемой массы, ее формованием в тонкостенные трубки и последующим их спеканием (патент США, N 5108850, кл. H 01 M 4/88, опубл.1992).Closest to the claimed group of inventions in relation to the manufacture of the cathode in technical essence and the achieved result is a method of manufacturing a tubular support electrode for a solid oxide electrolyte of an electrochemical cell, which consists in dry mixing powders of MnO 2 , CaCO 3 and La 2 O 3 (to obtain manganite after sintering lanthanum (LaMnO 3) doped with calcium), pressing the resulting mixture into briquettes, high-temperature synthesis by sintering the compacted briquettes and subsequently grinding them down to the floor powder with a given particle size, mixing the prepared powder with removable: plasticizer, blowing agent and a water-soluble binder to obtain a moldable mass, its molding into thin-walled tubes and their subsequent sintering (US patent, N 5108850, CL H 01
Помимо ограничений, присущих известным аналогичным техническим решениям, твердофазный синтез, используемый в технологии, защищенной данным патентом, не обеспечивает гомогенных свойств порошка. Кроме того, она предусматривает использование пластификатора, порообразователя и водорастворимой связки. Процесс спекания идет при высоких температурах с большими усадками, что требует дополнительных приемов для получения изделия требуемых размеров, т.е. технология достаточно трудоемкая и энергоемкая. In addition to the limitations inherent in known similar technical solutions, the solid-phase synthesis used in the technology protected by this patent does not provide homogeneous powder properties. In addition, it provides for the use of a plasticizer, a blowing agent and a water-soluble binder. The sintering process occurs at high temperatures with large shrinkage, which requires additional techniques to obtain the product of the required size, i.e. the technology is quite labor intensive and energy intensive.
Разрабатываемые в настоящее время высокотемпературные топливные элементы с твердыми оксидными электролитами могут быть разделены на два класса: проводящие по ионам кислорода и по ионам водорода (протона). Среди многочисленных исследованных высокотемпературных твердых электролитов перспективными по физико-химическим свойствам и химическому составу считаются два типа:
- электролит с ионной кислородной проводимостью на основе модифицированного диоксида циркония;
- электролит с ионной протонной проводимостью на основе модифицированного церата бария (или церата стронция).High-temperature solid oxide electrolytes fuel cells currently under development can be divided into two classes: those that conduct on oxygen ions and on hydrogen (proton) ions. Among the many investigated high-temperature solid electrolytes, two types are considered promising in terms of physicochemical properties and chemical composition:
- an electrolyte with ionic oxygen conductivity based on modified zirconia;
- an electrolyte with ionic proton conductivity based on modified barium cerate (or strontium cerate).
В настоящее время многие фирмы работают над проектами по изготовлению (1 - 10) кВт генераторов: Westenghouse Electric Corp. (USA), Fuji Electric Co. (Япония), Asea Brown Boveri AG (Германия), NGK Insulators Ltd (Япония), Mitsubishi (Япония), Osaka Gas Co. (Япония), Allied-Signal Inc. (USA), Siemens AG. (Германия), International Fuel Cell Corp. (USA) и др. Currently, many companies are working on projects for the manufacture of (1 - 10) kW generators: Westenghouse Electric Corp. (USA), Fuji Electric Co. (Japan), Asea Brown Boveri AG (Germany), NGK Insulators Ltd (Japan), Mitsubishi (Japan), Osaka Gas Co. (Japan), Allied-Signal Inc. (USA), Siemens AG. (Germany), International Fuel Cell Corp. (USA) and others.
Такое внимание к проблеме обусловлено теми потенциальными физико-химическими свойствами, которые заложены в твердых электролитах и, соответственно, могут быть реализованы в электрохимических устройствах. Such attention to the problem is due to those potential physicochemical properties that are embedded in solid electrolytes and, accordingly, can be implemented in electrochemical devices.
Вполне вероятно, что к 2000 году будут изготовлены генераторы (0,5 - 1,0) МВт с удельной мощностью (1,0 - 1,5) Вт/см2.It is likely that by 2000 generators (0.5 - 1.0) MW with specific power (1.0 - 1.5) W / cm 2 will be manufactured.
В настоящее время наиболее близким к промышленной реализации по степени проработки является ВТТЭ на основе диоксида циркония в трубчатом исполнении. Ведутся исследования и практические работы по ВТТЭ с модифицированным цератом бария (стронция) в связи с исключительной перспективностью протонного электролита. Это подтверждается анализом известного состояния техники, в том числе научными работами, посвященными протонному электролиту, его широкому обсуждению на международных научных семинарах и конференциях. На некоторых образцах тонкопленочных (σ = 10 - 15 мкм) протонных электролитов достигнута плотность тока 0,3 А/ см3 при напряжении 0,4V и температуре 600oС. Эти значения примерно в три раза выше, чем с электролитом на основе диоксида циркония в тех же условиях, что объясняется очень низкой поляризуемостью традиционных электродов в контакте с этой керамикой и меньшей энергией активации, чем у циркониевого электролита при температурах ниже 800oС.Currently, the closest to industrial implementation by the degree of development is VTTE based on zirconia in a tubular design. Research and practical work on VTE with modified barium cerate (strontium) is being carried out in connection with the exceptional potential of proton electrolyte. This is confirmed by an analysis of the known state of technology, including scientific works on proton electrolyte, its wide discussion at international scientific seminars and conferences. On some samples of thin-film (σ = 10 - 15 μm) proton electrolytes, a current density of 0.3 A / cm 3 was achieved at a voltage of 0.4 V and a temperature of 600 o C. These values are approximately three times higher than with an electrolyte based on zirconium dioxide under the same conditions, due to the very low polarizability of traditional electrodes in contact with this ceramic and lower activation energy than that of a zirconium electrolyte at temperatures below 800 o C.
Однако необходимо отметить, что реализация отмеченных выше преимуществ электрохимических устройств на высоком уровне представляется возможной только при решении общей для всех направлений проблемы - освоения новейших технологий как в производстве необходимых керамических материалов, так и в использовании этих материалов в процессе изготовления самих ВТТЭ. Особенно трудоемка задача создания технологии нанесения газоплотных слоев (σ = 1 - 40 мкм) электролитов на несущих электродах (газоплотных и пористых). Для конструкций протонных электролитов тонкопленочное исполнение имеет особое значение, так как в данном случае основными потерями являются омические, а керамика электролита BaCeO3 обладает заметно меньшей механической прочностью по сравнению с ZrO2 и, таким образом, не может одновременно выполнять две функции -материала конструкционного несущего элемента и электролита.However, it should be noted that the realization of the above-mentioned advantages of electrochemical devices at a high level is possible only when solving a common problem for all areas - the development of the latest technologies both in the production of the necessary ceramic materials and in the use of these materials in the manufacturing process of VTEs themselves. The task of creating a technology for applying gas-tight layers (σ = 1 - 40 μm) of electrolytes on supporting electrodes (gas-tight and porous) is especially time-consuming. For proton electrolyte designs, the thin-film design is of particular importance, since in this case the ohmic is the main loss, and the BaCeO 3 electrolyte ceramic has a significantly lower mechanical strength compared to ZrO 2 and, therefore, cannot simultaneously fulfill two functions of the structural support material cell and electrolyte.
Научно-технические проблемы изготовления тонкопленочных электролитов дополняются высокой стоимостью технологии их изготовления. Так, даже если все технические проблемы будут решены, но технология будет предусматривать поддержание параметров для получения воспроизводимых характеристик, допустим температуры, с точностью 2 градуса, это уже неприемлемо дорогая и ненадежная технология. Scientific and technical problems in the manufacture of thin-film electrolytes are complemented by the high cost of their manufacturing technology. So, even if all technical problems are solved, but the technology will include maintaining parameters to obtain reproducible characteristics, for example, temperature, with an accuracy of 2 degrees, this is an unacceptably expensive and unreliable technology.
Вместе с тем известный двухстадийный высокотемпературный синтез оксидных порошковых материалов для изготовления тонкопленочных электролитов сегодня неприемлем, поскольку для формирования слоев толщиной 1 - 40 мкм необходимы исключительно однородные по химическому составу ультрадисперсные порошки, или технологии формирования слоев электролита без промежуточной стадии изготовления порошков. At the same time, the well-known two-stage high-temperature synthesis of oxide powder materials for the manufacture of thin-film electrolytes is unacceptable today, since ultrafine powders that are extremely uniform in chemical composition or technology of forming electrolyte layers without an intermediate stage of powder production are required to form layers with a thickness of 1 - 40 μm.
Известны способы, в которых отсутствуют стадии изготовления и спекания порошков твердых электролитов. Например, в технологии EVD, используемой фирмой Вестингауз, синтез плотного электролита на пористой поверхности несущего катода осуществляется из газообразных реагентов, разлагаемых на катоде, при этом в качестве исходного материала для синтеза используются газообразные галогениды циркония и иттрия. Достоинство этого метода заключается в том, что формирование слоя может происходить с "нуля" с участием свободных частиц молекулярного уровня из газовой фазы. Это во многом решает проблемы газоплотности. Однако необходимость использования уникального оборудования и необходимость работать с агрессивными газовыми средами галогенидных соединений делает такую технологию нерентабельной (патент США N 5085742, кл. H 01 M 6/00; H 01 M 8/00, опубл.1992). Кроме того, недостатком метода CVD (EVD) является естественное диспропорционирование смеси газовых фаз тетрахлорида циркония и трихлорида иттрия в процессе их нанесения на подложку. В результате этого распределение иттрия в наносимом электролите осуществляется неравномерно и имеет градиент концентраций от границы с подложкой к поверхности. При этом, кроме диоксида циркония кубической структуры, появляется его моноклинная фаза, не позволяющая изготовить газоплотный слой электролита с устойчивыми в процессе эксплуатации свойствами. Известен также способ изготовления компонентов, в котором используются органические соединения элементов, составляющих электролит (Zr, Y и др.), катод (La, Mn, Sr и др.), токопроход, анод и т.д., легко диссоциирующие при нагревании, что позволяет вести формирование компонентов ВТТЭ при относительно низких температурах <600oС, в инертных средах или кислородной атмосфере воздуха при атмосферном давлении без промежуточных стадий нанесения пористого слоя электролита, например плазменным напылением.Known methods in which there are no stages of manufacture and sintering of powders of solid electrolytes. For example, in the EVD technology used by Westinghouse, the synthesis of a dense electrolyte on the porous surface of the supporting cathode is carried out from gaseous reagents decomposed at the cathode, while gaseous zirconium and yttrium halides are used as the starting material for the synthesis. The advantage of this method is that the formation of a layer can occur from scratch with the participation of free particles of the molecular level from the gas phase. This largely solves the problems of gas tightness. However, the need to use unique equipment and the need to work with aggressive gas environments of halide compounds makes this technology unprofitable (US patent N 5085742, class H 01
Из анализа публикаций и патентной литературы следует, что метод нанесения оксидов металлов из их органических соединений, ранее применявшихся только для получения защитных покрытий на конструкционных материалах (Kuntagai Tozhija, Johota Hvozhi, Shindon Juji, Kondo Wakicki, Mizuta Suzumu, Дянки нагану оебл коге буцури кагану; Anform Water. Energy Theory Life, 1987, 55, N 3, c.269 - 270. Получение тонких оксидных пленок перовскитового типа пиролизом солей органических кислот (Перфильев М.В., Демин А.К., Кузин Б. Л., Липилин А.С. Высокотемпературный электролиз газов. - М.: Наука, 1988, с. 66 - 70, патент Великобритании N 136198, кл. C 1 A, 1974, заявка Японии N 62-235475, 1987 г., МПК C 23 C 20/08, C 03 C 17/25) в настоящее время активно разрабатывается для твердооксидных электролитов и электродов (Сб. научных трудов под редакцией академика Спицина В.И. Строение, свойства и применение β-дикетонатов металлов. - М.: Наука, 1978, с.116 - 119; Katrin Nord-Varhaug, Chun - hua Chen, Frik M. Kelder, Frans P.E. van Berkil and Joop Schoonman, "Thin Film Techniqnes for Solid Electrolyte Composites". European solid oxide fuel cell forum. 6 - 10 May 1996. Oslo/Norway. Pg 331 - 340; европейский патент N 0478185 B1, МПК6 H 01 M 8/12, H 01 M 4/86, опубл.1991 г.). From the analysis of publications and patent literature it follows that the method of applying metal oxides from their organic compounds, previously used only for the preparation of protective coatings on structural materials (Kuntagai Tozhija, Johota Hvozhi, Shindon Juji, Kondo Wakicki, Mizuta Suzumu, Dyanki Naganu, Koge Butsuri Kaganu ; Anform Water. Energy Theory Life, 1987, 55,
В технологии изготовления электролитов существенным является процесс образования оксидных пленочных покрытий при термическом разложении ацетилацетонатов Zr, Ce и др. При этом отмечается образование оксидных соединений кубической структуры, обусловленное стабилизацией углеродом. Кубическая структура диоксида циркония, стабилизированная углеродом, устойчива на воздухе до 900oС. Выше этой температуры, вследствие частичного окисления углерода на воздухе до CO и CO2, происходит переход кубической формы в моноклинную. Авторам в условиях дериватографического анализа удалось с помощью совместного распада β-дикетонатов (с пивалоилтрифторацетонатом) циркония и церия получить полностью стабилизированную двуокись циркония (CSZ).In the technology for the manufacture of electrolytes, the formation of oxide film coatings during the thermal decomposition of acetylacetonates Zr, Ce, etc. is essential. In this case, the formation of oxide compounds of a cubic structure due to carbon stabilization is noted. The cubic structure of zirconia stabilized by carbon is stable in air up to 900 o C. Above this temperature, due to the partial oxidation of carbon in air to CO and CO 2 , the cubic form transitions to monoclinic. The authors, under the conditions of derivatographic analysis, succeeded in using the combined decomposition of β-diketonates (with pivaloyl trifluoroacetonate) zirconium and cerium to obtain fully stabilized zirconia (CSZ).
Наиболее близким к настоящей группе изобретений в отношении способа изготовления электролита по технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ изготовления пленочного электролита Zr/Y посредством электростатического нанесения из среды газокапельной эмульсии (ESD) β-дикетонатов. Процесс ведут с применением ацетил-ацетонатов циркония и иттрия (Zr(O2C5H7)4, Alfa/Y (O2C5H7)3Alfa). Существо способа заключается в том, что в замкнутом объеме камеры распыляют газокапельную эмульсию смеси β-дикетонатов. Подложка, размещенная в камере, электростатически заряжена до 8 - 10 kV, нагрета от 250 до 430oС. В результате капли эмульсии попадают на подложку и термически разлагаются, образуя на поверхности пленку YSZ.Closest to the present group of inventions in relation to the method of manufacturing an electrolyte according to the technical essence and the achieved result when used is a method of manufacturing a film electrolyte Zr / Y by electrostatic deposition of β-diketonates from a gas-droplet emulsion (ESD) medium. The process is carried out using zirconium and yttrium acetylacetonates (Zr (O 2 C 5 H 7 ) 4 , Alfa / Y (O 2 C 5 H 7 ) 3 Alfa). The essence of the method lies in the fact that in a closed chamber volume a gas-drop emulsion of a mixture of β-diketonates is sprayed. The substrate placed in the chamber is electrostatically charged up to 8-10 kV, heated from 250 to 430 o C. As a result, the emulsion droplets fall on the substrate and thermally decompose, forming a YSZ film on the surface.
При применении ESD метода необходимо использовать хелаты металлов, а именно ацетил-ацетонаты, которые имеют высокую температуру плавления 194oС, вследствие чего ацетил-ацетонаты необходимо растворять в этаноле, бутилкарбитоле и других растворителях, что не позволяет применить концентрацию диоксида циркония в растворе более 0,05 моль/дм3. Такая низкая концентрация ограничивает скорость нанесения пленки на уровне 2 мкм/ч. Кроме того, поскольку хелатные лиганды прочно связаны с атомом металла, распад ацетил-ацетоната циркония происходит через образование промежуточного продукта полимерного строения, который разрушается не с выделением целых хелатных лигандов, а с разрушением их самих, остатки углеродных цепей которых конкурируют в кристаллической решетке диоксида циркония с оксидом иттрия. Таким образом, диоксид циркония, кроме Y2O3, частично стабилизирован остатками углеродных цепей, которые при дальнейшем обжиге освобождаются из кристаллической решетки диоксида циркония в виде CO и CO2, в результате чего образуется некоторое количество моноклинной структуры (3 - 4%) с неизбежным образованием пор.When applying the ESD method, it is necessary to use metal chelates, namely acetyl acetonates, which have a high melting point of 194 ° C, as a result of which acetylacetonates must be dissolved in ethanol, butyl carbitol and other solvents, which does not allow the use of a concentration of zirconium dioxide in solution of more than 0 , 05 mol / dm 3 . Such a low concentration limits the film deposition rate to 2 μm / h. In addition, since chelate ligands are strongly bonded to a metal atom, the decomposition of zirconium acetylacetonate occurs through the formation of an intermediate product of a polymer structure, which is destroyed not with the release of whole chelate ligands, but with the destruction of themselves, the carbon chain residues of which compete in the crystal lattice of zirconium dioxide with yttrium oxide. Thus, the zirconium dioxide, in addition to Y 2 O 3 , is partially stabilized by carbon chain residues, which, upon further firing, are released from the crystal lattice of zirconium dioxide in the form of CO and CO 2 , as a result of which a certain amount of monoclinic structure is formed (3 - 4%) with the inevitable formation of pores.
Как отмечалось выше, токопроход также является одним из основных компонентов ВТТЭ. Среди перечня требований к свойствам, которым должен удовлетворять токопроход, используемый в ВТТЭ, главным является высокая электропроводность как в восстановительной, так и в окислительной атмосферах. Такое свойство могут обеспечить токопроходы, выполненные из благородных металлов или сплавов на их основе. As noted above, the current passage is also one of the main components of VTTE. Among the list of requirements for the properties that the current passage used in VTTE should satisfy, the main thing is high electrical conductivity in both reducing and oxidizing atmospheres. Such property can provide current passages made of noble metals or alloys based on them.
Известна конструкция высокотемпературного топливного элемента, в которой токопроход выполнен из сплава благородных металлов (патент США N 3457052, кл. B 21 B, B 21 C, опубл.1969). Учитывая высокую стоимость этих материалов, изготовление токопроходов из них в широких масштабах практически невозможно. A known design of a high-temperature fuel cell, in which the current passage is made of an alloy of precious metals (US patent N 3457052, CL B 21 B, B 21 C, publ. 1969). Given the high cost of these materials, the manufacture of current paths from them on a large scale is almost impossible.
Более перспективны токопроходы, выполненные из электропроводящих материалов на основе оксидов металлов и их композиций. К ним относится допированный хромит лантана (LaCrO3), поскольку он достаточно устойчив как в окислительной атмосфере кислородного пространства, так и в восстановительной атмосфере топливного газа.Current paths made of electrically conductive materials based on metal oxides and their compositions are more promising. These include doped lanthanum chromite (LaCrO 3 ), since it is sufficiently stable both in the oxidizing atmosphere of the oxygen space and in the reducing atmosphere of fuel gas.
Одним из требований, предъявляемых к материалу токопрохода из LaCrO3, используемого в SOFC, является его газоплотность во избежание перекрестных утечек через него топливного или окислительного газов. Известно, что LaCrO3 трудно изготовить с высокой плотностью в условиях высокой активности кислорода. При этом необходимы температуры выше 1600oС. Такие высокие температуры спекания становятся неприемлемыми при совместном спекании LaCrO3 с другими компонентами SOFC. Введение же легкоплавких веществ, улучшающих спекание в виде второй фазы со значительно более низкой температурой плавления (~ 1400oС), способствует уплотнению LaCrO3 в окислительных средах. Однако и такой способ понижения температуры спекания неприемлем, поскольку уход жидкой фазы легкоплавкой эвтектики в другие компоненты топливного элемента вызывает вещественные и морфологические изменения, приводящие к потере функциональных свойств топливного элемента.One of the requirements for the LaCrO 3 current passage material used in SOFC is its gas density to avoid cross-leakage of fuel or oxidizing gases through it. It is known that LaCrO 3 is difficult to manufacture with high density under conditions of high oxygen activity. In this case, temperatures above 1600 o C. are necessary. Such high sintering temperatures become unacceptable when LaCrO 3 is sintered together with other SOFC components. The introduction of low-melting substances that improve sintering in the form of a second phase with a significantly lower melting point (~ 1400 o C), contributes to the compaction of LaCrO 3 in oxidizing environments. However, such a method of lowering the sintering temperature is also unacceptable, since the departure of the liquid phase of the low-melting eutectic to other components of the fuel cell causes material and morphological changes that lead to the loss of the functional properties of the fuel cell.
Наиболее близким к настоящей группе изобретений в отношении изготовления токопрохода по технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ изготовления токопрохода, включающий синтез порошка электронопроводящего материала на основе допированного хромита лантана и последующее термическое напыление из данного материала коммутационного слоя на немаскированный сектор воздушного электрода (патент США N 5085742, кл. H 01 M 6/00, H 01 M 8/00, опубл.1992). Closest to this group of inventions with respect to the manufacture of a current passage by technical nature and the achieved result when used is a method of manufacturing a current passage, comprising synthesizing a powder of an electrically conductive material based on doped lanthanum chromite and subsequent thermal spraying of a switching layer from this material onto an unmasked sector of an air electrode (US patent N 5085742, CL H 01
Токопроход, выполненный по этой технологии, утратил ряд недостатков, присущих известным техническим решениям, указанным выше. Вместе с тем, для изготовления достаточно газоплотного токопрохода из хромита лантана данным методом необходима сложная технологическая оснастка, приводящая к значительному удорожанию всего изделия. The current passage made using this technology has lost a number of drawbacks inherent in the known technical solutions mentioned above. At the same time, for the production of a sufficiently gas-tight current passage from lanthanum chromite by this method, complex technological equipment is required, leading to a significant increase in the cost of the entire product.
На поверхностях раздела (interface) высокотемпературных электрохимических устройств происходят основные физико-химические процессы, обеспечивающие работу устройства в целом. On the interface surfaces of high-temperature electrochemical devices, basic physical and chemical processes occur that ensure the operation of the device as a whole.
Химический состав слоев единичного ВТТЭ: положительный электрод/электролит/ отрицательный электрод (ПЭО), как правило, выбирается по максимальной электропроводности (электронной, ионной). Этот выбор в общем случае редко совпадает с другими функционально необходимыми требованиями к материалам: химической и термической стойкостью, конструкционной прочностью и пр. The chemical composition of the layers of a single VTTE: a positive electrode / electrolyte / negative electrode (PEO), as a rule, is selected by the maximum electrical conductivity (electronic, ionic). In general, this choice rarely coincides with other functionally necessary requirements for materials: chemical and thermal resistance, structural strength, etc.
На поверхностях раздела между электродами и электролитом в условиях рабочих температур или в процессе изготовления возможны химические взаимодействия. Так на границе LSM/YSZ происходит образование цирконата лантата La2Zr2O7, приводящее к резкому увеличению контактного сопротивления и ухудшению работы катода (Андреас Миттердорфер и др. ETH Цюрих, "Отдел материалов, Швейцарский Институт Технологий", Second ESOFC Forum Oslo (Norway), May 1996. P.p.373 - 382).Chemical interfaces are possible on the interface between the electrodes and the electrolyte under operating temperature conditions or during the manufacturing process. So, at the LSM / YSZ interface, the formation of La 2 Zr 2 O 7 lanthate zirconate occurs, which leads to a sharp increase in contact resistance and a deterioration in the cathode performance (Andreas Mitterdorfer et al. ETH Zurich, “Materials Department, Swiss Institute of Technology”, Second ESOFC Forum Oslo ( Norway), May 1996. Pp373 - 382).
Перспективно использование в качестве электролита модифицированного оксида церия, имеющего ионную проводимость выше, чем у модифицированного диоксида циркония. Однако в восстановительной атмосфере топлива оксид церия имеет заметную электронную проводимость, которая может приводить к снижению ЭДС (напряжения разомкнутой цепи ПЭО) на 20 - 30% (М.Сахибзада и др. Departament of materials and departament of chemical engeneering technology, Imperial coolege of science, technology and medicine, London, Second ESOFC Forum Oslo (Norway), May 1996. P.p.687 - 696). It is promising to use a modified cerium oxide having an ionic conductivity higher than that of a modified zirconium dioxide as an electrolyte. However, in the reducing atmosphere of the fuel, cerium oxide has a noticeable electronic conductivity, which can lead to a 20–30% decrease in the emf (open circuit voltage of the PEO) (M. Sahibzada et al. Departament of materials and departament of chemical engeneering technology, Imperial coolege of science , technology and medicine, London, Second ESOFC Forum Oslo (Norway), May 1996. Pp687 - 696).
Допированный манганит лантана стронция на сегодняшний день является одним из перспективных материалов для воздушного электрода. Однако, поскольку он легко восстанавливается с резким увеличением КТР от 12.5 • 10-6 до 14,5 • 10-6K-1 даже в слабовосстановительной атмосфере, то его применение возможно лишь при абсолютно плотных слоях твердого электролита. Любая локальная неплотность электролита, находящегося в контакте с MLS, быстро приводит к разрушению всего элемента. А поскольку в настоящее время преобладает тенденция к снижению толщины электролитов (в перспективе до 5 мкм и ниже), то вероятность существования точечных микродефектов очень велика.Doped strontium lanthanum manganite is today one of the promising materials for the air electrode. However, since it is easily restored with a sharp increase in the KTP from 12.5 • 10 -6 to 14.5 • 10 -6 K -1 even in a weakly reducing atmosphere, its use is possible only with absolutely dense layers of solid electrolyte. Any local leakage of the electrolyte in contact with MLS quickly leads to the destruction of the entire cell. And since at present the tendency to decrease the thickness of electrolytes (in the future to 5 μm and below) prevails, the probability of the existence of point microdefects is very high.
Для решения проблем эффективной работы сопрягаемых материалов в ВТТЭ, а также повышения устойчивости материалов в рабочих газовых средах необходимо формировать на поверхности раздела специальные промежуточные слои, которые получили название интерфейсных. Как правило, толщина интерфейсных слоев не превышает единиц микрометров. In order to solve the problems of efficient operation of mating materials in VTE, as well as increasing the stability of materials in working gas media, it is necessary to form special intermediate layers on the interface, which are called interface layers. As a rule, the thickness of the interface layers does not exceed units of micrometers.
Создание таких тонких интерфейсных слоев предъявляет особые требования к технологии их формирования. До 1994 г наиболее приемлемыми можно было считать два процесса: - электрохимическое нанесение из парогазовой фазы (ЭГФ) и магнетронное напыление (пришедшие из технологии выращивания эпитаксиальных слоев в производстве микросхем). Обе технологии в производстве ВТЭХГ экономически не выгодны, так как для их практической реализации необходимо дорогостоящее оборудование, а также высокие эксплуатационные затраты. The creation of such thin interface layers makes special demands on the technology of their formation. Until 1994, two processes could be considered the most acceptable: - electrochemical deposition from the vapor-gas phase (EHF) and magnetron sputtering (which came from the technology of growing epitaxial layers in the manufacture of microcircuits). Both technologies in the production of VTEHG are not economically viable, since their practical implementation requires expensive equipment, as well as high operating costs.
Из более дешевых технологических процессов перспективным является пиролизное разложение металлоорганических комплексов, металлоорганических соединений или их смесей. Его разновидностью является электростатическое пиролизное напыление (ЭПН), которое является наиболее близким к настоящей группе изобретений в части изготовления интерфейсного слоя. Of the cheaper technological processes, the pyrolysis decomposition of organometallic complexes, organometallic compounds, or mixtures thereof is promising. Its variety is electrostatic pyrolysis deposition (EPN), which is the closest to this group of inventions in terms of the manufacture of the interface layer.
Вторым электродом ВТТЭ является анод, как правило, изготавливаемый из кермета. The second electrode of VTTE is the anode, usually made of cermet.
На основании отмеченных выше требований, предъявляемых к электродам и обусловленных как технологией их изготовления, так и условиями эксплуатации, можно констатировать, что наиболее существенным из них является выбор материала, используемого для изготовления анода. При этом учитываются следующие обстоятельства. Based on the above requirements for the electrodes and due to both their manufacturing technology and operating conditions, it can be stated that the most significant of them is the choice of material used to make the anode. The following circumstances are taken into account.
Вследствие наличия восстановительных условий в атмосфере топливного газа в качестве анодного материала для SOFC используются металлы. Поскольку состав материала может изменяться в процессе работы топливной ячейки, используемые металлы не должны окисляться не только в условиях чистого топлива, но также и в условиях наибольшего окисления топлива на выходе из топливного устройства. При рабочих температурах 700 - 1000oС в SOFC с твердым электролитом перечень используемых материалов ограничивается, в основном, никелем, кобальтом и благородными металлами. Никель наиболее распространен вследствие своей низкой стоимости (по сравнению с кобальтом, платиной и др.). Для получения кермета анода с пористой структурой, работающего в течение длительного времени при 700 - 1000oС и обеспечения других необходимых свойств, никель в виде металла обычно используют со стабилизированным диоксидом циркония, а также со стабилизированным оксидом церия, который необходим для дополнительного (внутреннего) реформинга топливного газа. Основа из ионопроводящего керамического материала удерживает частицы металлического никеля, предотвращает спекание частиц металла при рабочих температурах топливного элемента.Due to the presence of reducing conditions in the atmosphere of fuel gas, metals are used as the anode material for SOFC. Since the composition of the material can change during the operation of the fuel cell, the metals used should not be oxidized not only in clean fuel, but also in conditions of the greatest oxidation of the fuel at the exit of the fuel device. At operating temperatures of 700 - 1000 o C in SOFC with solid electrolyte, the list of materials used is limited mainly to nickel, cobalt and noble metals. Nickel is most common due to its low cost (compared to cobalt, platinum, etc.). To obtain a cermet anode with a porous structure, operating for a long time at 700 - 1000 o C and provide other necessary properties, nickel in the form of a metal is usually used with stabilized zirconia, as well as with stabilized cerium oxide, which is necessary for additional (internal) fuel gas reforming. The base of ion-conducting ceramic material holds particles of metallic nickel, prevents sintering of metal particles at operating temperatures of the fuel cell.
При изготовлении анодного кермета для SOFC обычно исходят из порошковых материалов YSZ и NiO, смесь которых различными способами формируют в компактный электрод. Далее NiO восстанавливается до металлического никеля под воздействием топлива в топливном элементе. Для тонких слоев (например, толщиной 100 мкм) никелевого кермета, отожженного на воздухе, необходимо лишь несколько минут для завершения процесса восстановления NiO при температуре 1000oС.In the manufacture of the anode cermet for SOFC, they usually come from YSZ and NiO powder materials, a mixture of which is formed into a compact electrode in various ways. Next, NiO is reduced to metallic nickel under the influence of fuel in the fuel cell. For thin layers (for example, 100 microns thick) of nickel cermet annealed in air, it takes only a few minutes to complete the NiO reduction process at a temperature of 1000 o C.
Наиболее близким к настоящей группе изобретений в части изготовления керметного топливного электрода по технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ изготовления керметного топливного электрода, заключающийся в нанесении отдельного электронопроводящего слоя на внешний пористый электрод, связанный с твердым ионопроводящим электролитом, который, в свою очередь, находится в контакте с внутренним электродом, включающий введение во внешний пористый электрод смеси, состоящей, в основном, из соли, содержащей первый металл, при этом компонент, содержащий металл, выбран из никеля, кобальта и их смеси, а соль выбрана из нитрата, ацетата, пропионата, бутирата и их смеси, или их смеси, состоящей, в основном, из соли, содержащей второй металл, при этом компонент, содержащий металл, выбран из церия, титаната стронция и их смеси, а соль выбрана из нитрата, ацетата, пропионата, бутирата и их смеси, а также неионизированное поверхностно-активное вещество, нагрев наносимой смеси в атмосфере до температуры, достаточной для образования отдельного твердого электронопроводящего пористого многофазного слоя, состоящего, в основном, из проводящего окисла, выбранного из группы, состоящей из оксида церия, титаната стронция и их смеси, содержащиеся в ней тонкие металлические частицы, предпочтительно выбранные из группы, состоящей из отдельных частиц никеля, отдельных частиц кобальта и их смеси, при этом частицы имеют диаметр от 0,05 до 1,75 мкм. Closest to the present group of inventions in terms of manufacturing a cermet fuel electrode according to the technical essence and the achieved result when using is a method of manufacturing a cermet fuel electrode, which consists in applying a separate electrically conductive layer to an external porous electrode connected to a solid ion-conducting electrolyte, which, in turn, is in contact with the internal electrode, including the introduction into the external porous electrode of a mixture consisting mainly of salt, soda the first metal, wherein the metal-containing component is selected from nickel, cobalt and a mixture thereof, and the salt is selected from nitrate, acetate, propionate, butyrate and a mixture thereof, or a mixture thereof consisting mainly of a salt containing a second metal wherein the metal-containing component is selected from cerium, strontium titanate and mixtures thereof, and the salt is selected from nitrate, acetate, propionate, butyrate and mixtures thereof, as well as a non-ionized surfactant, heating the applied mixture in the atmosphere to a temperature sufficient to form a separate solid an electrically conductive porous multiphase layer consisting mainly of a conductive oxide selected from the group consisting of cerium oxide, strontium titanate and mixtures thereof, fine metal particles contained therein, preferably selected from the group consisting of individual nickel particles, individual cobalt particles and mixtures thereof, while the particles have a diameter of from 0.05 to 1.75 μm.
Кроме того, внешний пористый электрод содержит крупные металлические частицы с диаметром от 3 до 35 мкм, частично внедренные в структуру основы, включающую стабилизированный диоксид циркония и тонкие металлические частицы, имеющие диаметр от 0,25 до 0,75 мкм. In addition, the external porous electrode contains large metal particles with a diameter of from 3 to 35 μm, partially embedded in the base structure, including stabilized zirconia and thin metal particles having a diameter of from 0.25 to 0.75 μm.
Кроме того, допанты, используемые со вторым металлом, содержащимся в соли, выбираются из группы, включающей Mg, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Y, Al, и их смесей, а их нагрев осуществляют со скоростью от 50 до 100oC в час (патент США N 5021304, кл. H 01 M 8/10, опубл. 1991).In addition, the dopants used with the second metal contained in the salt are selected from the group consisting of Mg, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb , Y, Al, and mixtures thereof, and their heating is carried out at a rate of from 50 to 100 o C per hour (US patent N 5021304, CL H 01 M 8/10, publ. 1991).
Недостатком данного способа изготовления анода является многостадийность и большое количество используемых органических реагентов самых различных классов. Предлагаемое изобретение позволяет формировать топливный электрод в одну операцию с использованием одного физико-химического процесса и одного класса органических реагентов, а именно смеси диметилкарбоновых кислот, в которой прямая углеродная цепочка может быть представлена рядом от C1 до C12. Такое сочетание карбоновых кислот наиболее дешево и широко распространено в многотоннажном производстве органических реагентов.The disadvantage of this method of manufacturing the anode is multi-stage and a large number of used organic reagents of various classes. The present invention allows the formation of a fuel electrode in one operation using one physicochemical process and one class of organic reagents, namely a mixture of dimethylcarboxylic acids, in which a straight carbon chain can be represented next to from C 1 to C 12 . This combination of carboxylic acids is the cheapest and most widespread in the large-tonnage production of organic reagents.
Электроизоляционный слой является одним из необходимых элементов конструкции ВТТЭ. Для функционирования ВТТЭ необходимо обеспечивать электроизоляцию между электролитом, анодом и токопроходом. Электроизоляционный материал в конструкциях ВТТЭ контактирует с электролитом и материалами анода и катода. В этой связи к контактам электроизоляционного материала предъявляются наиболее жесткие требования, заключающиеся в том, что такие контакты должны сохранять механическую прочность и газоплотность в рабочих условиях, исключить взаимодействие материалов, которое может привести к потере работоспособности ВТТЭ. The electrical insulating layer is one of the necessary elements of the design of VTTE. For the operation of VTTE, it is necessary to provide electrical insulation between the electrolyte, the anode and the current passage. The insulating material in the designs of VTTE is in contact with the electrolyte and the materials of the anode and cathode. In this regard, the most stringent requirements are imposed on the contacts of the insulating material, namely, such contacts must maintain mechanical strength and gas tightness under operating conditions, exclude the interaction of materials, which can lead to loss of operability of VTTE.
Наиболее общее требование, предъявляемое к электроизоляционному материалу, - стабильность структуры и его характеристик при высоких температурах, надежный контакт с сопрягаемыми с ним материалами, отсутствие взаимодействия в зоне контакта и близость значения КТР электроизоляционного материала и КТР сопрягаемых материалов. The most common requirement for an insulating material is the stability of the structure and its characteristics at high temperatures, reliable contact with mating materials, the absence of interaction in the contact zone and the proximity of the KTR value of the insulating material and the KTP of the mating materials.
Приемлемые изоляционные свойства имеют керамические материалы на основе магнезиальной шпинели Al2O3 и/или MgO (патент ФРГ N 2756172, кл. C 25 B 9/04, опубл. 1979).Acceptable insulating properties are ceramic materials based on magnesia spinel Al 2 O 3 and / or MgO (German patent N 2756172, class C 25
Достаточно низкая электропроводность характеризует твердые электролиты на основе диоксида циркония с большим содержанием стабилизирующих добавок и химические соединения циркония, например, цирконаты, что обуславливает возможность их использования в качестве электроизоляционных материалов. Кроме того, значение их КТР хорошо совпадает со значением КТР твердых циркониевых электролитов. A sufficiently low electrical conductivity characterizes solid electrolytes based on zirconium dioxide with a high content of stabilizing additives and chemical compounds of zirconium, for example, zirconates, which makes it possible to use them as electrical insulating materials. In addition, the value of their thermal expansion coefficient coincides well with the thermal expansion coefficient of solid zirconium electrolytes.
В условиях рабочих температур функционирования ВТТЭ хорошими электроизоляционными, а также другими перечисленными свойствами обладают допированные магнезианальные шпинели. Допирование, как правило, осуществляют с целью приближения КТР материалов компонентов ВТТЭ, сопрягаемых с электроизолятором (электролит, электрод, токопроход). В технологии изготовления ячейки ВТТЭ операция нанесения электроизоляционного слоя фактически является завершающей операцией, после чего ячейка готова для помещения в стек, т.е. превышать температуры формирования предыдущих слоев (компонентов) ВТЭ не представляется возможным. В то же время температуры спекания материалов изоляторов относительно высоки. Применение добавок для получения легкоплавких эвтектик в данной ситуации неприемлемо, т.к. все они легко диффундируют в сопрягаемые с электроизолятором компоненты ВТТЭ и нарушают их функциональные свойства. Under conditions of operating temperatures of VTTE operation, doped magnesian spinels possess good electrical insulating properties, as well as other listed properties. Doping, as a rule, is carried out in order to approximate the KTP of the materials of the VTTE components mated to an electrical insulator (electrolyte, electrode, current passage). In the technology of manufacturing a VTTE cell, the operation of applying the insulating layer is actually the final operation, after which the cell is ready for placement on the stack, i.e. It is not possible to exceed the temperature of the formation of previous layers (components) of VTE. At the same time, the sintering temperatures of the materials of the insulators are relatively high. The use of additives to obtain fusible eutectics in this situation is unacceptable, because all of them easily diffuse into the VTTE components mating with the electrical insulator and violate their functional properties.
Наиболее близким к настоящей группе изобретений в части изготовления электроизоляционного слоя по технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ изготовления электроизоляционного слоя, заключающийся в приготовлении смеси компонентов на основе магнезиальной шпинели с использованием легкоплавких эвтектик (патент ФРГ N 2746172, кл. C 25 B 9/04, опубл. 1979). Closest to this group of inventions in terms of the manufacture of an insulating layer according to the technical essence and the achieved result when used is a method of manufacturing an insulating layer, which consists in preparing a mixture of components based on magnesia spinel using fusible eutectics (German patent N 2746172, class C 25
Таким образом, на сегодняшний день можно считать рациональной следующую последовательность расположения и изготовления компонентов ВТТЭ:
- несущий пористый катод;
- слой электродного материала толщиной не более 0,6 мкм, способствующий активации электродных процессов, наносимый на пористую основу несущего электродного материала;
- токопроход;
- газоплотный слой Ce(Sm/Gd)O2-x толщиной 5 - 10 мкм, на поверхности активного электродного материала, контактирующего с MLS, работающий в качестве электролита;
- газоплотный слой YSZ на поверхности Ce(Sm/Gd)O2-x толщиной 3 - 5 мкм для предотвращения восстановления допированного оксида церия (электролита) топливными газами;
- кермет топливного электрода;
- электроизоляционный слой.Thus, today we can consider the following sequence of arrangement and manufacture of VTTE components to be rational:
- bearing porous cathode;
- a layer of electrode material with a thickness of not more than 0.6 μm, contributing to the activation of electrode processes deposited on a porous base of a bearing electrode material;
- current passage;
- a gas-tight layer of Ce (Sm / Gd) O 2-x with a thickness of 5 - 10 μm, on the surface of the active electrode material in contact with MLS, acting as an electrolyte;
- a gas-tight YSZ layer on the Ce (Sm / Gd) O 2-x surface with a thickness of 3-5 microns to prevent the recovery of doped cerium oxide (electrolyte) with fuel gases;
- cermet fuel electrode;
- electrical insulating layer.
В основу данной группы изобретений положена задача создания универсального способа изготовления ВТТЭ и его компонентов, позволяющая в рамках единого технологического процесса изготавливать катод, электролит, анод, токопроход, электроизоляционные и интерфейсные слои в разнообразных вариациях, при снижении удельных энергетических затрат на изготовление ВТТЭ, номенклатуры используемых реагентов и оборудования. The basis of this group of inventions is the task of creating a universal method of manufacturing VTFC and its components, which allows producing a cathode, electrolyte, anode, current passage, electrical insulating and interface layers in various variations within a single technological process, while reducing the specific energy costs for manufacturing VTFC, the range of used reagents and equipment.
Поставленная задача в отношении способа изготовления единичного ВТТЭ с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в известном способе изготовления ВТТЭ, включающем изготовление катода, нанесение электролита и анода с последующей термообработкой всей конструкции ВТТЭ, после изготовления катода наносят интерфейсный слой, токопроход, электролит на основе допированного оксида церия, электролит на основе допированного оксида циркония, а затем анод и электроизоляционный слой, используя одно устройство, а для изготовления всех наносимых, сопрягаемых и спекаемых компонентов в высокотемпературном топливном элементе приготавливают основной металлоорганический комплекс, характеризуемый общей формулой
[CH3 - (CH2)n - C(CH3)2 - CO2]mMe+m,
где n = 1 - 7,
и дополнительный, в специально оговоренных случаях:
[CnH2n+1O]mMe+m,
где n = 2 - 8,
m - валентность металла,
Me - химические элементы: Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sc, Y, In, La и лантаноиды, Ti, Zr, Hf, Gr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, входящих в виде металлов или их оксидов в состав материалов, используемых для формирования катода, анода, токопроходов, электролитов, интерфейсных и электроизолирующих слоев.The problem in relation to the method of manufacturing a single VTTE with the achievement of the above technical result is solved by the fact that in the known method of manufacturing VTTE, including the manufacture of a cathode, deposition of an electrolyte and anode, followed by heat treatment of the entire structure of VTTE, an interface layer, current passage, electrolyte are applied after the cathode is manufactured based on doped cerium oxide, an electrolyte based on doped zirconium oxide, and then the anode and the insulating layer, using one device, and for gotovleniya all applied, mating components and sintered in a high temperature fuel cell main prepared organometallic complex characterized by the general formula
[CH 3 - (CH 2 ) n - C (CH 3 ) 2 - CO 2 ] m Me + m ,
where n = 1 - 7,
and additional, in special cases:
[C n H 2n + 1 O] m Me + m ,
where n = 2 - 8,
m is the valency of the metal,
Me - chemical elements: Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sc, Y, In, La and lanthanides, Ti, Zr, Hf, Gr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, occurring in the form of metals or their oxides the composition of materials used to form the cathode, anode, current paths, electrolytes, interface and electrical insulating layers.
Кроме того, при изготовлении катода соответствующие по металлической составляющей металлоорганические комплексы используют в качестве связующего материала при затворении формуемой массы катода. In addition, in the manufacture of the cathode, organometallic complexes corresponding to the metal component are used as a binder for mixing the moldable mass of the cathode.
В процессе изготовления токопрохода, электролита, интерфейсного слоя, электроизолирующего слоя соответствующие по металлической составляющей металлоорганические комплексы используют в качестве жидкой фазы органических носителей твердых фаз соответствующих тонкодисперсных порошковых материалов для изготовления токопроходов, электролитов, интерфейсных и электроизолирующих слоев, или непосредственно - в виде жидкой фазы, т.е. без добавления порошковых материалов. Выбор зависит от химических свойств того или иного наносимого материала. In the process of manufacturing a current passage, an electrolyte, an interface layer, an insulating layer, organometallic complexes corresponding to the metal component are used as the liquid phase of organic carriers of solid phases of the corresponding finely dispersed powder materials for the manufacture of current passages, electrolytes, interface and insulating layers, or directly in the form of a liquid phase, those. without the addition of powder materials. The choice depends on the chemical properties of a particular applied material.
В процессе изготовления анода металлоорганический комплекс используют в качестве жидкой фазы при изготовлении смесь-пасты, включающей грубую и тонкую дисперсию ионопроводящих и электронопроводящих соответствующих порошковых материалов, составляющих кермет анода. In the process of manufacturing the anode, the organometallic complex is used as the liquid phase in the manufacture of the paste mixture, comprising a coarse and fine dispersion of the ion-conducting and electron-conducting corresponding powder materials that make up the anode cermet.
Суть изобретения заключается в использовании при формировании элементов ВТТЭ карбоксилатов металлов, смесей карбоксилатов металлов, алкоголятов тех же металлов и их смесей, соединений карбоксилатов металлов с алкоголятами, при термическом разложении которых (в кислороде воздуха) или при термической диссоциации которых ( в инертной среде, без разложения органических радикалов, переходящих в газообразное состояние), происходит синтез оксидных материалов необходимого фазового и химического состава. Синтез происходит при относительно низких температурах (300 - 600)oC, т.е. в интервале температур распада карбоксилатов и алкоголятов, и, по данным, подтверждаемым рентгено-структурным анализом, приводит к образованию материала необходимой кристаллической структуры.The essence of the invention lies in the use of metal carboxylates, mixtures of metal carboxylates, alcoholates of the same metals and their mixtures, compounds of metal carboxylates with alcoholates, during thermal decomposition of which (in atmospheric oxygen) or during thermal dissociation of which (in an inert atmosphere, without decomposition of organic radicals transforming into a gaseous state), oxide materials of the required phase and chemical composition are synthesized. The synthesis occurs at relatively low temperatures (300 - 600) o C, i.e. in the range of decomposition temperatures of carboxylates and alcoholates, and, according to data confirmed by x-ray structural analysis, leads to the formation of the material of the necessary crystalline structure.
В момент синтеза оксидные материалы имеют высокую химическую активность, что обуславливает их спекание при низких температурах в момент формирования компонентов ВТТЭ. At the time of synthesis, oxide materials have a high chemical activity, which leads to their sintering at low temperatures at the time of formation of the components of the HTFC.
Выбор карбоксилатов и алкоголятов осуществляют исходя из температурного интервала начала и конца их разложения, который должен в оптимальном варианте совпадать с температурой синтеза, наносимого оксидного материала, а процесс разложения (диссоциация для ацилатов) не иметь резких эндотермических и экзотермических эффектов. При этом могут использоваться как индивидуальные карбоновые кислоты и их смеси, алкоголяты и их смеси, так и соединения алкоголятов с карбоксилатами. The selection of carboxylates and alcoholates is carried out on the basis of the temperature range of the beginning and end of their decomposition, which should optimally coincide with the synthesis temperature of the oxide material applied, and the decomposition process (dissociation for acylates) should not have sharp endothermic and exothermic effects. In this case, both individual carboxylic acids and mixtures thereof, alcoholates and mixtures thereof, and compounds of alcoholates with carboxylates can be used.
На фиг. 4 приведены кривые дереватографического анализа высокотемпературной диссоциации соли циркония диметилбутилуксусной кислоты, ацетилацетоната циркония и бутилата циркония в среде азота. Из представленной диаграммы ДТГ следует, что потеря веса при разложении ацетил-ацетоната циркония продолжается даже при температуре выше 700oC. Разложение диметилбутилуксусной соли циркония заканчивается при температуре 530oC, а бутилата циркония - при температуре 380oC.In FIG. Figure 4 shows the curves of the stereographic analysis of the high-temperature dissociation of the zirconium salt of dimethylbutylacetic acid, zirconium acetylacetonate and zirconium butylate in nitrogen. From the presented DTG diagram it follows that weight loss during decomposition of zirconium acetylacetonate continues even at temperatures above 700 o C. The decomposition of zirconium dimethylbutylacetic salt ends at a temperature of 530 o C, and zirconium butylate at a temperature of 380 o C.
Из ДТГ на фиг. 4 следует, что бутилат циркония имеет более низкую из показанных химических соединений температуру разложения (ниже 400oC) и более высокое содержание циркония, что способствует высокой скорости нанесения пленки ZrO2/Y2O3.From the DTG in FIG. 4 it follows that zirconium butylate has a lower decomposition temperature (below 400 ° C.) of the chemical compounds shown and a higher zirconium content, which contributes to a high deposition rate of the ZrO 2 / Y 2 O 3 film.
Опробованы также соединения бутилата циркония с его ацилатами:
Zr(OBu)(OCOR)3 - 1Bu : 3Ac (31)
Zr(OBu)2(OCOR)2 - 2Bu : 2Ac (32)
Zr(OBu)3(OCOR) - 3Bu : 1Ac (33)
В соединении (31) мало бутоксигрупп, а значит, содержание циркония повышается незначительно. Соединения состава (32) и (33) с повышенным содержанием циркония. Во всех трех упомянутых выше соединениях, содержащих бутилат циркония, имеет место приемлемый характер высокотемпературного совместного разложения (диссоциация для ацилатов) групп:
Термограммы разложения соединений диметилбутилуксусного циркония с бутилатом циркония в сравнении с чистым бутилатом циркония и с чистым диметилбутилуксусным цирконием представлены на фиг.5.The compounds of zirconium butylate with its acylates were also tested:
Zr (OBu) (OCOR) 3 - 1 Bu : 3 Ac (3 1 )
Zr (OBu) 2 (OCOR) 2 - 2 Bu : 2 Ac (3 2 )
Zr (OBu) 3 (OCOR) - 3 Bu : 1 Ac (3 3 )
In the compound (3 1 ) there are few butoxy groups, which means that the zirconium content increases slightly. Compounds of composition (3 2 ) and (3 3 ) with a high content of zirconium. In all three of the above compounds containing zirconium butylate, there is an acceptable character of high-temperature joint decomposition (dissociation for acylates) groups:
Thermograms of the decomposition of compounds of dimethylbutylacetic zirconium with zirconium butylate in comparison with pure zirconium butylate and with pure dimethylbutylacetic zirconium are presented in FIG. 5.
Все термограммы получены в атмосфере азота. Как видно из сравнения полученных термограмм, соединения бутилата циркония с экстрактом диметилбутилуксусной кислоты циркония разлагаются при разных температурах: 5304; 4702:2; 4353:1; 380Bu oC. Однако для соединений состава (32 и 33) линии ДТА (2; 3) более прямые, чем для индивидуальных бутилата циркония или диметилбутилацетата циркония. Это означает, что для соединений состава (32 и 33), в отсутствие резких экзотермических и эндотермических эффектов, технологический процесс нанесения более устойчив, т.е. заданная по технологии температура подложки не подвержена колебаниям из-за эндо- и экзотермических эффектов, что, в свою очередь, способствует качественному нанесению газоплотного твердого электролита на подложку.All thermograms were obtained in a nitrogen atmosphere. As can be seen from a comparison of the obtained thermograms, the compounds of zirconium butylate with an extract of zirconium dimethylbutylacetic acid decompose at different temperatures: 530 4 ; 470 2: 2 ; 435 3: 1 ; 380 Bu o C. However, for compounds of composition (3 2 and 3 3 ), the DTA lines (2; 3) are more direct than for individual zirconium butylate or zirconium dimethylbutyl acetate. This means that for compounds of the composition (3 2 and 3 3 ), in the absence of sharp exothermic and endothermic effects, the application process is more stable, i.e. The substrate temperature set by the technology is not subject to fluctuations due to endo- and exothermic effects, which, in turn, contributes to the high-quality deposition of a gas-tight solid electrolyte on the substrate.
Для изготовления тонкопленочного электролита из исходных смесей карбоксилатов приготавливают смеси соединений типа:
где MA - металл с валентностью А,
MB - металл с валентностью В,
m = 2 - 8;
n = 6 - 12;
x + y = A;
α+β = B
Далее на нагретую подложку приготовленную смесь соединений наносят окрашиванием, напылением, накаткой или другими способами в инертной атмосфере (N2, Ar, CO2) или атмосфере воздуха. Температура нагрева подложки и атмосфера, в которой проводят нанесение, зависят от конкретных элементов металлов в составе исходной смеси.For the manufacture of thin-film electrolyte from initial mixtures of carboxylates, mixtures of compounds of the type are prepared:
where M A is a metal with a valency A,
M B - metal with valency B,
m is 2-8;
n is 6-12;
x + y = A;
α + β = B
Next, on the heated substrate, the prepared mixture of compounds is applied by coloring, spraying, knurling or other methods in an inert atmosphere (N 2 , Ar, CO 2 ) or air. The heating temperature of the substrate and the atmosphere in which the application is carried out depend on the specific elements of the metals in the composition of the initial mixture.
В основу данной группы изобретений в отношении катода положена задача создания способа изготовления несущего пористого керамического катода ВТТЭ, позволяющего варьировать прочностные и структурные характеристики пористого катода в широких пределах, при снижении энергетических затрат на спекание материала. The basis of this group of inventions with respect to the cathode is the task of creating a method for manufacturing a VTTE supporting porous ceramic cathode, which allows varying the strength and structural characteristics of the porous cathode over a wide range while reducing the energy cost of sintering the material.
Поставленная задача в отношении способа изготовления катода с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в способе изготовления несущего керамического катода ВТТЭ, включающем синтез порошка электродного материала - допированного манганита лантана, приготовление формуемой массы с органическим связующим компонентом, формирование несущей основы с последующим ее спеканием, синтез порошка электродного материала ведут совместным осаждением карбонатов из их нитратных растворов, с последующим их синтезирующим обжигом, а в качестве органического связующего компонента для синтезированного порошка электродного материала используют карбоксилаты химических элементов: La, Cr, Mn, Co, Ni, допированных элементами из группы щелочно-земельных элементов, а формирование несущего керамического катода осуществляют посредством изостатического прессования с последующим спеканием при температуре 1100 - 1380oC. Для достижения безусадочного спекания катодов из порошка электродного материала, характеризуемого формулой LaxA1-xMnO3, где A - Mg, Ca, Sr, Ba; 0,6 ≤ x ≤ 1, или их смесь, синтезирующий обжиг, совместно осажденных карбонатов указанных элементов, проводят при температуре не выше 1380oC. Для приготовления органического связующего компонента на основе карбоксилатов металлов используют кислоты с общей формулой CnH2nO2, где n = C6 - C12. Общая масса связующего составляет 3 - 15 мас.% по отношению к приготовляемой формуемой массе. Суммарная концентрация металлов в смеси карбоксилатов находится в интервале (10 - 360) г/кг.The problem with the method of manufacturing the cathode with the achievement of the above technical result is solved by the fact that in the method of manufacturing a supporting ceramic cathode VTTE, including the synthesis of a powder of an electrode material - doped lanthanum manganite, preparation of the moldable mass with an organic binder component, the formation of the carrier base with its subsequent sintering , the synthesis of powder of electrode material is carried out by the joint deposition of carbonates from their nitrate solutions, followed by their synthesizing firing, and as an organic binder component for the synthesized powder of the electrode material, carboxylates of chemical elements: La, Cr, Mn, Co, Ni, doped with elements from the group of alkaline-earth elements are used, and the formation of the supporting ceramic cathode is carried out by isostatic pressing followed by sintering a temperature of 1100 - 1380 o C. To achieve non-shrinking sintering of the cathodes from a powder of electrode material characterized by the formula La x A 1-x MnO 3 , where A is Mg, Ca, Sr, Ba; 0.6 ≤ x ≤ 1, or a mixture of them synthesizing the firing of co-precipitated carbonates of these elements is carried out at a temperature not exceeding 1380 o C. To prepare an organic binder component based on metal carboxylates, acids with the general formula C n H 2n O 2 are used where n = C 6 - C 12 . The total mass of the binder is 3 to 15 wt.% In relation to the prepared molded mass. The total concentration of metals in the mixture of carboxylates is in the range (10 - 360) g / kg.
После разложения связующее образует соединение состава: LaySr1-yMnO3, LaySr1-yCoO3, LaySr1-yCrO3, LaySr1-yNiO, где 0,6 ≤ y ≤ 1,0. Спекание катодов осуществляют в печи в вертикальном положении при температуре 1100 - 1380oC.After decomposition, the binder forms a compound of the composition: La y Sr 1-y MnO 3 , La y Sr 1-y CoO 3 , La y Sr 1-y CrO 3 , La y Sr 1-y NiO, where 0.6 ≤ y ≤ 1 , 0. Sintering of the cathodes is carried out in a furnace in a vertical position at a temperature of 1100 - 1380 o C.
Суть изобретения заключается в использовании при формировании катода из исходного порошка связующего, образующего в процессе термического разложения (при спекании) материал, идентичный материалу исходного порошка (катода). В результате этого спекание изделия начинается уже при температурах выжигания связки 300 - 600oC, за счет окисления металлических компонентов составляющих карбоксилаты и одновременного синтеза из них материала катода в межчастичном пространстве исходного порошка манганита-лантана стронция.The essence of the invention lies in the use of a binder during the formation of the cathode from the initial powder, which forms a material identical to the material of the initial powder (cathode) during thermal decomposition (during sintering). As a result of this, the sintering of the product begins already at the burning temperatures of the binder 300-600 ° C, due to the oxidation of the metal components of the carboxylates and the simultaneous synthesis of the cathode material from them in the interparticle space of the initial strontium manganite-lanthanum powder.
Карбоксилаты в процессе изготовления формуемой массы выполняют функцию пластификатора и связующего, а при спекании также и роль порообразователя (за счет выгорания органической составляющей). Carboxylates in the process of manufacturing the moldable mass perform the function of a plasticizer and a binder, and during sintering, they also play the role of a blowing agent (due to the burning out of the organic component).
Таким образом, особенностями данного способа изготовления катода являются использование в качестве связующего при формовании катода карбоксилатов металлов, образующих в процессе выжигания связки и спекания катода высокоактивный к спеканию материал, аналогичный материалу катода, что позволяет единовременное проведение процессов отгонки связки и спекания при температурах более низких, чем синтез исходного порошка манганита-лантана-стронция. Использование в качестве связующего пластификатора и порообразователя описанных выше карбоксилатов снижает коэффициент усадки в процессе спекания с 18 - 20% до 0,5 - 3%. Выбор карбоновых кислот в этом случае осуществляют исходя из возможностей получения карбоксилатов с высоким содержанием металла. Thus, the features of this cathode manufacturing method are the use of metal carboxylates as a binder during cathode molding, forming a highly sintering material similar to the cathode material during the burning of the binder and sintering the cathode, which allows simultaneous binder and sintering processes at lower temperatures, than the synthesis of the initial powder of manganite-lanthanum-strontium. The use of the carboxylates described above as a binder plasticizer and pore former reduces the coefficient of shrinkage during sintering from 18 - 20% to 0.5 - 3%. The choice of carboxylic acids in this case is based on the possibility of obtaining carboxylates with a high metal content.
В основу данной группы изобретений в части интерфейсного слоя положена задача изготовления ВТТЭ, в котором химическое взаимодействие между сопрягаемыми компонентами в условиях рабочих температур минимизировано, и тем самым повышена устойчивость материалов в рабочих газовых средах, т.е., в конечном итоге, ресурс ВТТЭ. В зависимости от функционального назначения интерфейсного слоя, в их изготовлении могут использоваться материалы как с электродными свойствами, так и со свойствами электролитов. При этом каждый интерфейсный слой несет две (иногда больше) функций: электрода и интерфейсного слоя, активирующего электродную реакцию; электролита и антидиффузионного интерфейсного слоя; электролита, защитного покрытия предыдущего слоя (например, от восстановительной среды топливного газа) и переходным буфером, совмещающим КТР прилегающих слоев; и т.д. Поскольку необходимая толщина слоев не превышает единиц микрометров, то наиболее рациональным способом для их формирования является метод пиролизного разложения химических соединений металлов с органическими реагентами, где металлы выбраны из группы, составляющей тот или иной интерфейсный слой, а органические реагенты выбраны из группы диметилкарбоновых кислот, радикалы которых легко термически диссоциируют без заметного разложения самих радикалов в условиях нанесения интерфейсных слоев, и/или, органические реагенты выбраны из группы алкилов, дополняющих диметилкарбоновые кислоты для предотвращения резких экзо и эндотермических эффектов в условиях реакции термической диссоциации при нанесении интерфейсных слоев. The basis of this group of inventions in terms of the interface layer is the task of manufacturing VTTE, in which the chemical interaction between the mating components at operating temperature conditions is minimized, and thereby the stability of materials in working gas environments is increased, i.e., ultimately, the resource of VTTE. Depending on the functional purpose of the interface layer, materials with both electrode properties and electrolyte properties can be used in their manufacture. Moreover, each interface layer has two (sometimes more) functions: an electrode and an interface layer that activates the electrode reaction; electrolyte and anti-diffusion interface layer; electrolyte, a protective coating of the previous layer (for example, from a reducing medium of fuel gas) and a transition buffer combining KTP of adjacent layers; etc. Since the required thickness of the layers does not exceed units of micrometers, the most rational way to form them is the pyrolysis decomposition of chemical compounds of metals with organic reagents, where metals are selected from the group constituting one or another interface layer, and organic reagents are selected from the group of dimethylcarboxylic acids, radicals which are easily thermally dissociated without noticeable decomposition of the radicals themselves under the conditions of deposition of the interface layers, and / or, organic reagents are selected from PPA of alkyls supplementing dimethylcarboxylic acids to prevent sharp exo and endothermic effects under the conditions of the thermal dissociation reaction when applying the interface layers.
Поставленная задача в отношении способа изготовления интерфейсных слоев с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в способе изготовления интерфейсного слоя, включающем синтез металлоорганического комплекса, нанесение его на нагретую подложку, в качестве наносимого материала металлоорганического комплекса используют соединение, характеризуемое формулой
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)x(OCmH2m+1)A-X,
где Me - металлы, выбранные из группы: Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Y, Zr, La и лантаноиды, Mg, Ca, Sr, Ba;
A - валентность данного химического элемента (металла);
X - коэффициент, определяемый из неравенства 0 < X < A;
n = 1 - 7;
m = 2 - 8;
а также тем, что для изготовления газоплотной пленки интерфейсного слоя используют смесь соединений, характеризуемую общей формулой
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)A-X(OCmH2m+1)X,
где X = 0;
Me - металлы, выбранные из группы: Mg, Ca, Sr, Ba, Ce, Pr, Sm, Gd, Er,
при этом общее содержание металлов в смеси соединений составляет не более 20 г/кг, а нанесение осуществляют на подложку, нагретую до температуры не выше 530oC в атмосфере воздуха с образованием газоплотной пленки интерфейсного слоя толщиной не более 0,6 мкм на основе допированного хромита лантана, активирующего электродную реакцию; а также тем, что для изготовления газоплотной пленки антидиффузионного интерфейсного слоя используют смесь соединений, характеризуемую общей формулой:
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)A-X(OCmH2m+1)X,
где X = 0;
Me - металлы, выбранные из группы: Ce, и допирующие элементы Sm, Gd;
n = 1, 2,
при этом общее содержание металлов в смеси соединений составляет не более 20 г/кг, а нанесение смеси осуществляют на подложку, нагретую до температуры не выше 380oC в атмосфере инертного газа с образованием газоплотной антидиффузионной пленки интерфейсного слоя толщиной не более 10 мкм на основе допированного оксида церия; а также тем, что для изготовления интерфейсного слоя, защищающего предыдущий слой от восстановительной газовой среды, используют смесь соединения, характеризуемую общей формулой
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)A-X(OCmH2m+1)X,
где Me - металлы, выбранные из группы: Zr, Y, La и лантаноиды,
А - валентность данного химического элемента (металла);
X - может принимать значения 1, 2, 3, ... А,
при этом общее содержание циркония и допирующих компонентов в смеси составляет не более 50 г/кг, а нанесение смеси осуществляют посредством окрашивания подложки, нагретой до температуры не выше 430oC, в атмосфере инертного газа с образованием защитного интерфейсного слоя, толщиной не более 5 мкм, на основе допированного диоксида циркония, причем в качестве атмосферы инертного газа используют или Ar, или N2, или CO2.The problem with the method of manufacturing the interface layers with the achievement of the above technical result is solved by the fact that in the method of manufacturing the interface layer, including the synthesis of the organometallic complex, applying it to a heated substrate, a compound characterized by the formula is used as the applied material of the organometallic complex
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) x (OC m H 2m + 1 ) AX ,
where Me are metals selected from the group: Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Y, Zr, La and lanthanides, Mg, Ca, Sr, Ba;
A is the valency of a given chemical element (metal);
X is the coefficient determined from the inequality 0 <X <A;
n is 1 to 7;
m is 2-8;
and also the fact that for the manufacture of a gas-tight film of the interface layer using a mixture of compounds characterized by the General formula
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) AX (OC m H 2m + 1 ) X ,
where X = 0;
Me - metals selected from the group: Mg, Ca, Sr, Ba, Ce, Pr, Sm, Gd, Er,
the total metal content in the mixture of compounds is not more than 20 g / kg, and the deposition is carried out on a substrate heated to a temperature of not more than 530 o C in air with the formation of a gas-tight film of the interface layer with a thickness of not more than 0.6 μm based on doped chromite electrode reaction activating lanthanum; and also the fact that for the manufacture of a gas-tight film of the anti-diffusion interface layer, a mixture of compounds is used, characterized by the general formula:
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) AX (OC m H 2m + 1 ) X ,
where X = 0;
Me - metals selected from the group: Ce, and doping elements Sm, Gd;
n = 1, 2,
the total metal content in the mixture of compounds is not more than 20 g / kg, and the mixture is applied on a substrate heated to a temperature of not higher than 380 o C in an inert gas atmosphere with the formation of a gas-tight anti-diffusion film of the interface layer with a thickness of not more than 10 μm based on doped cerium oxide; and also the fact that for the manufacture of the interface layer that protects the previous layer from the reducing gas environment, use a mixture of compounds characterized by the General formula
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) AX (OC m H 2m + 1 ) X ,
where Me are metals selected from the group: Zr, Y, La and lanthanides,
A is the valency of a given chemical element (metal);
X - can take the
the total content of zirconium and doping components in the mixture is not more than 50 g / kg, and the application of the mixture is carried out by coloring the substrate, heated to a temperature of not higher than 430 o C, in an inert gas atmosphere with the formation of a protective interface layer, a thickness of not more than 5 microns , based on doped zirconia, moreover, either Ar, or N 2 , or CO 2 is used as an inert gas atmosphere.
В основу данной группы изобретений в части токопрохода положена задача создания способа изготовления токопрохода, обеспечивающая технологию изготовления токопрохода, свободного от отмеченных недостатков, позволяющую получать токопроходы с прочностными, структурными и электрическими характеристиками, варьируемыми в широких пределах. Кроме того, для изготовления токопрохода предлагается использовать исходные компоненты и материалы, аналогичные материалам, используемым для изготовления остальных компонентов ВТТЭ, а также в рамках единообразного технологического процесса и оборудования. The basis of this group of inventions in terms of the current passage is the task of creating a method of manufacturing a current passage, providing a technology for manufacturing a current passage, free from the noted drawbacks, allowing to obtain current paths with strength, structural and electrical characteristics that vary widely. In addition, for the manufacture of the current passage, it is proposed to use the starting components and materials similar to the materials used for the manufacture of the remaining components of VTTE, as well as within the framework of a uniform technological process and equipment.
Это позволяет значительно сократить номенклатуру используемых материалов, реагентов, технологическую оснастку и, как следствие, снизить энергетические затраты на изготовление. This allows you to significantly reduce the range of materials used, reagents, technological equipment and, as a result, reduce energy costs for manufacturing.
Поставленная задача в отношении способа изготовления токопрохода ВТТЭ с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что он включает синтез порошка электронопроводящего материала на основе допированного хромита лантана, изготовление ультрадисперсной смеси из синтезированного порошка в органических носителях и нанесение его на несущий катод с последующей термообработкой. Тонкую дисперсию изготавливают, измельчая синтезированный порошок электронопроводящего материала допированного хромита лантана до ультрадисперсного состояния в жидкой среде смеси металлоорганических комплексов хрома, лантана и допирующих элементов. Пленку токопрохода изготавливают посредством многократного нанесения тонкой дисперсии на поверхность несущего катода, подогретую до температуры образования из смеси металлоорганических комплексов хрома, лантана и допирующих элементов газоплотной пленки допированного хромита лантана того же состава, что и тонкодисперсный порошок, синтезированный отдельно. При изготовлении токопрохода ВТТЭ используют пиролизное разложение металлоорганических комплексов соответствующих элементов, входящих в состав токопрохода. Для изготовления носителя тонкой дисперсии порошков допированного хромита лантана синтезируют карбоксилаты лантана и допирующих элементов, характеризующиеся формулой
Me+M(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)m,
где Me - Cr, La, Sr, и/или Ca, и/или Mg;
m - валентность металла;
n = 1 - 7.The task in relation to the method of manufacturing a VTTE current passage with the achievement of the above technical result is solved by the fact that it includes the synthesis of a powder of an electronically conductive material based on doped lanthanum chromite, the manufacture of an ultrafine mixture from synthesized powder in organic media and its application to a supporting cathode with subsequent heat treatment. A fine dispersion is made by grinding the synthesized powder of the electronically conductive material of doped lanthanum chromite to an ultrafine state in a liquid medium of a mixture of organometallic complexes of chromium, lanthanum and doping elements. The current passage film is made by repeatedly applying a fine dispersion to the surface of the supporting cathode, heated to the temperature of formation of a mixture of organometallic complexes of chromium, lanthanum and doping elements of a gas-tight film of doped lanthanum chromite of the same composition as the finely divided powder synthesized separately. In the manufacture of the VTTE current passage, pyrolysis decomposition of the organometallic complexes of the corresponding elements included in the current passage is used. For the manufacture of a carrier of fine dispersion of powders of doped lanthanum chromite, lanthanum carboxylates and doping elements are synthesized, characterized by the formula
Me + M (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) m ,
where Me is Cr, La, Sr, and / or Ca, and / or Mg;
m is the valency of the metal;
n = 1 - 7.
Концентрация Cr, La, Sr, Ca, Mg в смеси карбоксилатов находится в интервале от 20 до 110 г/кг. Отношение фаз твердого к жидкому в изготовленной тонкой дисперсии находится в интервале (1/100 - 15/100) масс. The concentration of Cr, La, Sr, Ca, Mg in the mixture of carboxylates is in the range from 20 to 110 g / kg. The ratio of solid to liquid phases in the manufactured fine dispersion is in the range (1/100 - 15/100) of the mass.
На изготовленный несущий воздушный электрод из MLS токопроход наносится посредством окрашивания, накатки или распыления при атмосферном давлении в воздушной или инертной среде. Поверхность электрода при этом нагрета до температуры, достаточной для разложения смеси карбоксилатов Cr, La и допирующих элементов и образования материала, соответствующего соединению La1-xMexCrO3, где Me - допирующий элемент.A current passage is applied to a fabricated carrier air electrode from MLS by coloring, rolling or spraying at atmospheric pressure in an air or inert atmosphere. In this case, the electrode surface is heated to a temperature sufficient to decompose the mixture of Cr, La carboxylates and doping elements and form a material corresponding to the compound La 1-x Me x CrO 3 , where Me is the doping element.
Для увеличения скорости формирования токопрохода в качестве наносимого материала используют ультрадисперсную смесь, приготовленную на основе порошка допированного хромита лантана и смеси жидких карбоксилатов тех же элементов. При этом скорость роста газоплотной пленки токопрохода на поверхности несущего пористого катода возрастает в два-три раза и составляет не менее 60 мкм в час. Ультрадисперсную смесь изготавливают измельчением порошка допированного хромита лантана до однородного состояния в жидкой среде карбоксилатов хрома, лантана и допирующих добавок. Температура образования токопрохода из допированного хромита лантана на поверхности несущего катода не превышает 600oC.To increase the speed of formation of the current passage, an ultrafine mixture prepared on the basis of doped lanthanum chromite powder and a mixture of liquid carboxylates of the same elements is used as the applied material. In this case, the growth rate of the gas-tight film of the current passage on the surface of the supporting porous cathode increases by two to three times and is at least 60 μm per hour. An ultrafine mixture is made by grinding a powder of doped lanthanum chromite to a homogeneous state in a liquid medium of chromium carboxylates, lanthanum and doping additives. The temperature of the formation of the current passage from doped lanthanum chromite on the surface of the supporting cathode does not exceed 600 o C.
В основу данной группы изобретений в части электролита положена задача создания универсального способа изготовления твердого оксидного электролита, позволяющего варьировать прочностные и структурные характеристики электролита в широких пределах, при снижении энергетических затрат на спекание материала. The basis of this group of inventions in terms of the electrolyte is the task of creating a universal method of manufacturing a solid oxide electrolyte, which allows varying the strength and structural characteristics of the electrolyte over a wide range, while reducing the energy cost of sintering the material.
Кроме того, способ в соответствии с данным изобретением позволяет изготавливать твердый оксидный электролит в рамках единой технологии по изготовлению единичных ВТТЭ. Это существенно упрощает технологическую оснастку, оборудование, а также сокращает номенклатуру используемых материалов, реагентов при изготовлении твердого оксидного электролита. In addition, the method in accordance with this invention allows the manufacture of solid oxide electrolyte in the framework of a single technology for the manufacture of a single VTE. This greatly simplifies tooling, equipment, and also reduces the range of materials used, reagents in the manufacture of solid oxide electrolyte.
Поставленная задача в отношении способа изготовления электролита с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в способе изготовления твердого оксидного электролита ВТТЭ, заключающегося в приготовлении исходного металлоорганического соединения, включающего приготовление водных растворов солей химических элементов, экстракцию индивидуальных химических элементов из их водных растворов органическим реагентом или их смесью, смешение приготовленных индивидуальных экстрактов металлов, осушку солей экстрактов с образованием формуемой массы, нагрев керамического электрода до заданной температуры, нанесение приготовленного металлоорганического соединения на поверхность электрода и последующую термообработку керамического электрода с нанесенным металлоорганическим соединением, при этом металлоорганическое соединение для изготовления твердого оксидного электролита синтезируют, используя реакцию:
с образованием смеси карбоксилатов металлов, или смеси алкоголятов металлов, или смеси карбоксилатов и алкоголятов металлов,
где Me - любой из металлов, входящий в функциональный компонент ВТТЭ;
A - валентность данного химического элемента (металла);
X - коэффициент, определяемый из неравенства 0 < X < A;
n = 1 - 7;
m = 2 - 8.The problem with the method of manufacturing an electrolyte with the achievement of the above technical result is solved by the fact that in the method of manufacturing a solid oxide electrolyte VTTE, which consists in the preparation of the starting organometallic compound, including the preparation of aqueous solutions of salts of chemical elements, the extraction of individual chemical elements from their aqueous solutions with an organic reagent or a mixture thereof, mixing the prepared individual metal extracts, drying the extract salts formation of a moldable mass, heating the ceramic electrode to a predetermined temperature, applying the prepared organometallic compound to the electrode surface and subsequent heat treatment of the ceramic electrode with the organometallic compound applied, while the organometallic compound for the manufacture of a solid oxide electrolyte is synthesized using the reaction:
with the formation of a mixture of metal carboxylates, or a mixture of metal alcoholates, or a mixture of metal carboxylates and alcoholates,
where Me is any of the metals included in the functional component of VTE;
A is the valency of a given chemical element (metal);
X is the coefficient determined from the inequality 0 <X <A;
n is 1 to 7;
m = 2 - 8.
Для приготовления металлоорганического соединения (3) синтез карбоксилатов металлов (1) осуществляют методом жидкостной и/или твердофазной экстракции соответствующих металлов (Me+A) из водных растворов их солей и/или суспензий их карбонатов, или гидроксидов, высаженных из растворов солей минеральных кислот. А синтез алкоголята циркония (2) Zr(OCmH2m+1)4 осуществляют в процессе взаимодействия минеральной соли циркония со спиртом и металлическим кальцием при кипячении смеси в колбе с обратным холодильником до растворения кальция. Смешение исходных компонентов в процессе приготовления металлоорганического соединения осуществляют при температуре 80 - 100oС.To prepare the organometallic compound (3), the synthesis of metal carboxylates (1) is carried out by liquid and / or solid-phase extraction of the corresponding metals (Me + A ) from aqueous solutions of their salts and / or suspensions of their carbonates or hydroxides precipitated from solutions of salts of mineral acids. And the synthesis of zirconium alcoholate (2) Zr (OC m H 2m + 1 ) 4 is carried out in the process of interaction of the mineral zirconium salt with alcohol and metallic calcium by boiling the mixture in a flask under reflux until the calcium is dissolved. The mixture of the starting components during the preparation of the organometallic compounds is carried out at a temperature of 80 - 100 o C.
Металлоорганическое соединение циркония (3) или (2), или (1), приготовленное в соответствии с описанным выше и модифицированное по крайней мере одним из элементов Mg, Ca, Sc, Y, Ce и/или лантаноидами, наносят на поверхность несущего катода посредством накатки, окрашивания или напылением газожидкостной эмульсии, сканируя средство, наносящее приготовленный состав по поверхности катода при температуре нагретого электрода 400 - 550oС. При этом скорость роста толщины слоя составляет 10 - 40 мкм/ч.The organometallic zirconium compound (3) or (2) or (1), prepared as described above and modified with at least one of the elements Mg, Ca, Sc, Y, Ce and / or lanthanides, is applied to the surface of the supporting cathode by rolling, staining or spraying a gas-liquid emulsion, scanning a means applying the prepared composition over the surface of the cathode at a temperature of a heated electrode of 400 - 550 o C. Moreover, the growth rate of the layer thickness is 10 - 40 μm / h.
Для увеличения скорости нанесения пленки электролита в наносимый состав приготовленного металлоорганического соединения перед нанесением добавляют порошок модифицированного диоксида циркония, в котором 95% частиц имеют размер менее 2 мкм и в количестве 0,1 - 2,0 мас.%. To increase the rate of deposition of an electrolyte film, a powder of modified zirconium dioxide is added to the applied composition of the prepared organometallic compound, in which 95% of the particles have a size of less than 2 microns and in an amount of 0.1 - 2.0 wt.%.
Процесс нанесения металлоорганического соединения на нагретую поверхность керамического электрода осуществляют в инертной среде. The process of applying an organometallic compound to the heated surface of a ceramic electrode is carried out in an inert medium.
Для получения протонного электролита приготавливают смесь карбоксилатов металлов, характеризуемую формулой
SrCe0,85Gd0,15(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)6
или
BaCe0,85Gd0,15[O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3]6
где n = 2 - 3,
наносят на поверхность электрода, предварительно нагретую до температуры не выше 470oС, разлагающуюся под воздействием температуры с образованием протонного электролита состава BaCe0,85Gd0,15O3 или SrCe0,85Gd0,15O3.To obtain a proton electrolyte, a mixture of metal carboxylates is prepared, characterized by the formula
SrCe 0.85 Gd 0.15 (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) 6
or
BaCe 0.85 Gd 0.15 [O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ] 6
where n = 2 - 3,
applied to the surface of the electrode, preheated to a temperature not exceeding 470 o C, decomposes under the influence of temperature with the formation of a proton electrolyte composition BaCe 0,85 Gd 0,15 O 3 or SrCe 0,85 Gd 0,15 O 3 .
Завершается процесс изготовления твердого оксидного электролита тем, что после нанесения на нагретую поверхность электрода приготовленного металлоорганического соединения полученный полуэлемент подвергают термообработке при температуре 900 - 1250oС в течение 1 ч.The process of manufacturing a solid oxide electrolyte is completed by the fact that after applying the prepared organometallic compound to the heated electrode surface, the resulting half cell is subjected to heat treatment at a temperature of 900 - 1250 o C for 1 hour
В основу данной группы изобретений в части керметного топливного электрода положена задача создания способа изготовления керметного топливного электрода, обеспечивающего технологию изготовления керметного электрода, свободного от отмеченных выше недостатков, позволяющую изготовить топливный электрод с заданной пористостью. Кроме того, технология его изготовления и используемое при этом оборудование должны быть совместимы с технологией и оборудованием, используемым при изготовлении единичного ВТТЭ в целом. The basis of this group of inventions in terms of the cermet fuel electrode is the task of creating a method of manufacturing a cermet fuel electrode, which provides a technology for the production of a cermet electrode, free from the above-mentioned disadvantages, which makes it possible to manufacture a fuel electrode with a given porosity. In addition, the technology of its manufacture and the equipment used for this should be compatible with the technology and equipment used in the manufacture of a single VTTE as a whole.
Поставленная задача в отношении способа изготовления керметного топливного электрода с достижением упомянутого технического результата решается тем, что в известном способе изготовления керметного топливного электрода ВТТЭ, включающем формирование на твердом электролите, находящемся в контакте с внутренним воздушным электродом, керметного слоя электрода, состоящего из грубодисперсного электронопроводящего материала, выбранного из группы металлических никеля и/или кобальта, грубодисперсного ионопроводящего материала на основе допированного диоксида циркония и/или допированного оксида церия и последующего формирования на грубодисперсном слое отдельного тонкодисперсного электронопроводящего пористого многофазного слоя, состоящего из металлического материала, выбранного из группы никеля и/или кобальта, ионопроводящего допированного материала на основе оксида церия, посредством нанесения и последующего нагрева смесь-пасты, состоящей из упомянутых тонкодисперсных компонентов со связующим, керметный топливный электрод изготавливают одновременным формированием грубодисперсной и тонкодисперсной составляющих пористого многофазного слоя нанесением смесь-пасты на электролит, находящийся в контакте с внутренним воздушным электродом. The problem in relation to the method of manufacturing a cermet fuel electrode with the achievement of the aforementioned technical result is solved by the fact that in the known method of manufacturing a cermet fuel electrode VTE, including forming on a solid electrolyte in contact with an internal air electrode, a cermet layer of an electrode consisting of a coarse electrically conductive material selected from the group of metallic nickel and / or cobalt, a coarsely dispersed ion-conducting material based on d carbonated zirconia and / or doped cerium oxide and the subsequent formation on the coarse-dispersed layer of a separate finely divided electrically conductive porous multiphase layer consisting of a metal material selected from the group of nickel and / or cobalt, ion-conductive doped material based on cerium oxide, by applying and subsequent heating the mixture -pastes consisting of the above-mentioned finely dispersed components with a binder, a cermet fuel electrode is made by simultaneously forming by coarse and finely dispersed components of the porous multiphase layer by applying a paste mixture to an electrolyte in contact with the internal air electrode.
При этом смесь-пасту готовят смешением порошков грубодисперсного электронопроводящего материла, выбранного из группы металлических никеля и/или кобальта, грубодисперсного ионопроводящего материала на основе допированного диоксида циркония и/или допированного оксида церия, тонкодисперсного ионопроводящего материла на основе допированного оксида церия и жидкой фазы карбоксилатов никеля и/или кобальта, характеризуемую общей формулой
Me+m(O2C-C(CH3)2-(CH2)n-CH3)m,
где Me - Ni и/или Co,
m - валентность металла,
n = 1 - 7,
которая в процессе термообработки образует электронопроводящий пористый многофазный слой, скрепляющий между собой грубодисперсную и тонкодисперсную фазы, образующие кермет топливного электрода.In this case, a paste mixture is prepared by mixing powders of a coarse electrically conductive material selected from the group of metallic nickel and / or cobalt, coarse ion-conductive material based on doped zirconium dioxide and / or doped cerium oxide, finely dispersed ion-conductive material based on doped cerium oxide and the liquid phase of nickel carboxylates and / or cobalt characterized by the general formula
Me + m (O 2 CC (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n -CH 3 ) m ,
where Me is Ni and / or Co,
m is the valency of the metal,
n = 1 - 7,
which during heat treatment forms an electrically conductive porous multiphase layer, fastening together coarse and finely dispersed phases that form the cermet of the fuel electrode.
Кроме того, отношение фаз твердой к жидкой в изготовленной пасте находится в интервале - (1/3 - 5/7) масс. In addition, the ratio of solid to liquid phases in the manufactured paste is in the range of - (1/3 - 5/7) mass.
Концентрация никеля и/или кобальта в жидких карбоксилатах должна находиться в интервале от 20 до 70 г/кг карбоксилата, а никелевый и/или кобальтовый порошок добавляют в соотношении: количество порошка металла к количеству порошка электролита 1,1/1,0. The concentration of nickel and / or cobalt in liquid carboxylates should be in the range from 20 to 70 g / kg of carboxylate, and nickel and / or cobalt powder is added in the ratio: the amount of metal powder to the amount of electrolyte powder is 1.1 / 1.0.
Грубодисперсные частицы никелевого и/или кобальтового порошка должны иметь регулярную шарообразную структуру диаметром от 10 до 15 мкм, а синтезированный грубодисперсный порошок электролита - нитевидную форму, причем отношение длины частицы к ее диаметру должно составлять не менее 10 при диаметре частиц 5 - 10 мкм. При этом тонкодисперсный порошок допированного оксида церия содержит в своем составе 90% частиц диаметром менее 1,0 мкм. Нанесение смесь-пасты осуществляют посредством окрашивания в воздушной среде при комнатной температуре и атмосферном давлении. Полуэлемент с нанесенной сырой смесь-пастой подвергают термообработке в вакууме при температуре не выше 400oС и остаточном давлении не более 0,1 атм.Coarse particles of nickel and / or cobalt powder should have a regular spherical structure with a diameter of 10 to 15 μm, and the synthesized coarse powder of the electrolyte should have a threadlike shape, and the ratio of the particle length to its diameter should be at least 10 with a particle diameter of 5 - 10 μm. At the same time, fine powder of doped cerium oxide contains 90% of particles with a diameter of less than 1.0 microns. Application of the paste mixture is carried out by coloring in air at room temperature and atmospheric pressure. Semi-element coated with a crude mixture of paste is subjected to heat treatment in vacuum at a temperature of not higher than 400 o C and a residual pressure of not more than 0.1 ATM.
В основу данной группы изобретений в части электроизоляционного слоя положена задача создания способа изготовления ВТТЭ, в котором обеспечивается максимально эффективная электроизоляция между его компонентами (токопроходом и анодом, электролитом и средой топливного газа) для предотвращения паразитных токовых связей между электродами. The basis of this group of inventions in terms of the electrical insulating layer is the task of creating a method for manufacturing VTFC, which provides the most effective electrical insulation between its components (current passage and anode, electrolyte and fuel gas medium) to prevent spurious current connections between the electrodes.
Поставленная задача в отношении способа изготовления электроизоляционного слоя с достижением упомянутого технического результата решается тем, что в способе изготовления электроизоляционного слоя, включающем приготовление смеси компонентов на основе магнезиальной шпинели, вторым компонентом в приготовленной наносимой смеси используют смесь металлоорганических комплексов с общей формулой
Me+A[(O2C-C(CH3)2-(CH2)n-CH3)1-x(OCmH2m+1)x]A,
где n = 1 - 7,
m = 2 - 8,
Me - Mg, Al, Zr, Y, Ca, La и лантаноиды,
A - валентность металла,
x - может принимать значения от 0 до 1 в зависимости от того, посредством какого метода проводится нанесение: окрашивания или напыления из газокапельной эмульсии.The problem in relation to the method of manufacturing an insulating layer with the achievement of the aforementioned technical result is solved by the fact that in the method of manufacturing an insulating layer, comprising preparing a mixture of components based on magnesia spinel, the second component in the prepared applied mixture uses a mixture of organometallic complexes with the general formula
Me + A [(O 2 CC (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n -CH 3 ) 1-x (OC m H 2m + 1 ) x ] A ,
where n = 1 - 7,
m = 2 - 8,
Me - Mg, Al, Zr, Y, Ca, La and lanthanides,
A is the valency of the metal,
x - can take values from 0 to 1, depending on which method is applied: staining or spraying from a gas-droplet emulsion.
Для изготовления электроизоляционного слоя методом окрашивания используют дисперсию, состоящую на 30% из порошкового материала и 70% жидкой фазы. В качестве порошкового материала берут магнезиальную шпинель состава MgAl2O4 с 15% добавкой порошка 9YSZ, а в качестве жидкой фазы - смесь карбоксилатов Al и Mg, где органическая часть карбоксилатов представлена диметилбутилуксусной кислотой. Весовое отношение между алюминием и магнием в смеси карбоксилатов рассчитано на образование при их прокаливании соединения, соответствующего магнезиальной шпинели MgAl2O4. Температура электроизолируемой поверхности при нанесении поддерживается на уровне не выше 600oC.For the manufacture of an insulating layer by the method of coloring, a dispersion is used consisting of 30% of the powder material and 70% of the liquid phase. The powder material is magnesia spinel of the composition MgAl 2 O 4 with 15% addition of 9YSZ powder, and the liquid phase is a mixture of Al and Mg carboxylates, where the organic part of the carboxylates is dimethylbutylacetic acid. The weight ratio between aluminum and magnesium in the carboxylate mixture is designed to form a compound corresponding to MgAl 2 O 4 when they are calcined. The temperature of the insulated surface during application is maintained at a level not exceeding 600 o C.
Способ изготовления электроизоляционного слоя методом нанесения из газокапельной эмульсии реализуется следующим образом. Металлоорганическая соль Al и Mg состава Mg[Al(Alc)4]2 смешивается с карбоксилатами Zr и Y, где органическая часть представлена диметилбутилуксусной кислотой. Карбоксилаты циркония и иттрия добавляют в количестве, достаточном для образования после пиролиза смеси на нагретой электроизолируемой поверхности 5 - 15% иттрий стабилизированного циркония в составе магнезиальной шпинели. Нанесение производят в виде полосы шириной 2 - 3 мм. Температура электроизолируемой поверхности при нанесении поддерживается на уровне 450oC. В результате образуется электроизолирующий слой толщиной 12 - 15 мкм, имеющий состав, соответствующий химической формуле
(MgAl2O4)1-n((SrO2)0,91(Y2O3)0,09)n,
где n - 5 - 15 мас.%.A method of manufacturing an electrical insulating layer by the method of applying from a gas-droplet emulsion is implemented as follows. The organometallic salt of Al and Mg with the composition Mg [Al (Alc) 4 ] 2 is mixed with the carboxylates Zr and Y, where the organic part is represented by dimethylbutylacetic acid. Zirconium and yttrium carboxylates are added in an amount sufficient to form 5-15% stabilized zirconium yttrium in magnesia spinel after pyrolysis of the mixture on a heated electrically insulated surface. Application is made in the form of a strip with a width of 2 - 3 mm. The temperature of the electrically insulated surface during application is maintained at 450 o C. As a result, an electrically insulating layer with a thickness of 12 - 15 microns is formed, having a composition corresponding to the chemical formula
(MgAl 2 O 4 ) 1-n ((SrO 2 ) 0.91 (Y 2 O 3 ) 0.09 ) n ,
where n is 5 to 15 wt.%.
На фиг. 1 изображены основные стадии и последовательность изготовления MLS и материала для нанесения токопрохода; на фиг.2 - основные стадии и последовательность изготовления материалов для нанесения электролита и кермета анода; на фиг.3 - основные стадии изготовления единичного ВТТЭ; на фиг.4 изображены термоаналитические кривые ацетилацетоната циркония (1), диметилбутилацетата циркония (2) и бутилата циркония (3); на фиг.5 - термоаналитические кривые Zr(OBu)4 (1), Zr(OBu)3(2MeBuAc)4 (2), Zr(OBu)2(2MeBuAc)2 (3), Zr(2MeBuAc)4 (4); на фиг.6 - поверхность катода из MLS при различной степени увеличения; на фиг. 7 - установка для нанесения электролита на трубчатый электрод; на фиг. 8 - диаграмма, характеризующая гранулометрический состав порошка YSZ; на фиг.9 - слой электролита YSZ на пористом катоде; на фиг.10 - вид порошка (CeO2)0,85(Sm2O3)O0,15 при увеличении в 28000 раз; на фиг.11 изображен топливный электрод, где: а) - фотография порошка YSZ волокнистого строения, б) - структура кермета анода, в) - фотография шарообразных частиц порошка никеля.In FIG. 1 shows the main stages and the sequence of manufacturing the MLS and the material for applying the current passage; figure 2 - the main stages and sequence of manufacture of materials for applying electrolyte and cermet anode; figure 3 - the main stages of manufacturing a single VTE; figure 4 shows thermoanalytical curves of zirconium acetylacetonate (1), zirconium dimethylbutyl acetate (2) and zirconium butylate (3); figure 5 - thermoanalytical curves Zr (OBu) 4 (1), Zr (OBu) 3 (2MeBuAc) 4 (2), Zr (OBu) 2 (2MeBuAc) 2 (3), Zr (2MeBuAc) 4 (4) ; figure 6 - the surface of the cathode of MLS with varying degrees of increase; in FIG. 7 - installation for applying electrolyte to a tubular electrode; in FIG. 8 is a diagram characterizing the particle size distribution of YSZ powder; figure 9 is a layer of electrolyte YSZ on a porous cathode; figure 10 is a view of the powder (CeO 2 ) 0.85 (Sm 2 O 3 ) O 0.15 with an increase of 28,000 times; figure 11 shows a fuel electrode, where: a) is a photograph of a YSZ powder of a fibrous structure, b) is a cermet anode structure, c) is a photograph of spherical particles of nickel powder.
На фиг. 1, 2, 3 изображена принципиальная технологическая последовательность процессов по изготовлению ВТТЭ. Как отмечалось ранее, в качестве универсального материала, носителя металлов, который после термообработки образует материалы электродов, интерфейсного слоя, токопрохода, электролита, электроизоляционного слоя, диффузионного барьера и др., берутся карбоксилаты индивидуальных металлов или смеси карбоксилатов индивидуальных металлов с общей формулой карбоксилатов [CH3-(CH2)n-C(CH3)2-COO]mMe+m, где n = 1 - 8, а m - валентность металла.In FIG. 1, 2, 3 shows the principal technological sequence of processes for the manufacture of VTTE. As noted earlier, carboxylates of individual metals or a mixture of individual metal carboxylates with the general formula of carboxylates are taken as a universal material, a metal carrier, which, after heat treatment, forms the materials of electrodes, interface layer, current passage, electrolyte, electrical insulation layer, diffusion barrier, etc. 3 - (CH 2 ) n -C (CH 3 ) 2 -COO] m Me + m , where n = 1 - 8, and m is the metal valence.
Карбоксилаты металлов смешивают таким образом, чтобы отношения концентраций этих металлов в смесях соответствовали заданным, т.е. тем, которые необходимы в формируемых электролитах, электродах, электроизоляционных и интерфейсных слоях и т.д. Metal carboxylates are mixed in such a way that the concentration ratios of these metals in the mixtures correspond to the given ones, i.e. those needed in formed electrolytes, electrodes, electrical insulating and interface layers, etc.
Далее приготовленные смеси карбоксилатов используются в различных вариантах в зависимости от конкретно решаемой задачи: изготовление конкретных компонентов ВТТЭ. Further, the prepared carboxylate mixtures are used in various versions, depending on the particular task being solved: the production of specific VTFC components.
При изготовлении несущих электродов карбоксилаты используют в качестве связки пластификатора и порообразователя одновременно. При этом для изготовления связки смеси карбоксилатов концентрируют до возможно максимальной для данных карбоксилатов величины. Далее на этой связке затворяют порошок и из пресс-порошка формуют деталь прессованием (несущий катод, несущий анод, элементы стека и др.). In the manufacture of supporting electrodes, carboxylates are used simultaneously as a plasticizer and blowing agent binder. Moreover, for the manufacture of a binder, the carboxylate mixtures are concentrated to the maximum possible value for these carboxylates. Then the powder is closed on this bundle and the part is molded from the press powder by pressing (bearing cathode, bearing anode, stack elements, etc.).
Для изготовления несущего катода из MLS приготавливают порошок состава La0,7Sr0,3MnO3. При изготовлении связующего берут смесь карбоновых кислот: диметилпропилуксусной, диметилбутилуксусной, диметиламилуксусной, диметилгексилуксусной и диметиллаурилуксусной.For the manufacture of a supporting cathode from MLS, a powder of composition La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 is prepared. In the manufacture of the binder take a mixture of carboxylic acids: dimethylpropylacetic, dimethylbutylacetic, dimethylamylacetic, dimethylhexylacetic and dimethylaurylacetic.
На смесь этих кислот карбоксилаты отдельных металлов La, Mn, Sr получают экстракцией. После смешения смесь карбоксилатов концентрируют в вакууме при необходимом остаточном давлении и соответствующей температуре до максимальной общей концентрации по металлам в смеси. Концентрированную смесь смешивают с порошком La0,7Sr0,3MnO3 в шнековом смесителе в присутствии терпена. Затем терпен отгоняют в вакууме. Катоды изготавливают методом гидростатического прессования и спекают на воздухе. Некоторые результаты спекания при различных температурах приведены в табл.2. Для дальнейшего изготовления элементов выбирают катоды с открытой пористостью ~ 36,6% с размером пор 2 - 3 мкм (фиг.6).To a mixture of these acids, the carboxylates of individual metals La, Mn, Sr are obtained by extraction. After mixing, the carboxylate mixture is concentrated in vacuo at the required residual pressure and appropriate temperature to the maximum total metal concentration in the mixture. The concentrated mixture is mixed with La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 powder in a screw mixer in the presence of terpene. Then terpene is distilled off in vacuo. Cathodes are made by hydrostatic pressing and sintered in air. Some sintering results at various temperatures are given in Table 2. For the further manufacture of the elements, cathodes with an open porosity of ~ 36.6% and a pore size of 2 to 3 μm are selected (Fig. 6).
Далее на поверхность катода наносят интерфейсный слой, представляющий собой газоплотную пленку следующего состава:
La1-xMexСrO3, где Me - допирующий элемент, выбранный из ряда Mg, Ca, Sr, Ba. Для этого готовят карбоксилаты индивидуальных металлов, смешивают их в соответствии с пропорцией, необходимой для образования при их пиролизе соединения La1-xMexCrO3 и наносят на предварительно нагретую поверхность несущего катода, методом окрашивания, распыления газокапельной эмульсии или накатки. Общая концентрация металлов в карбоксилатах (в пересчете на оксиды) не более 30 г/кг. Толщина образующегося при этом слоя не более 0,6 мкм. Температура предварительно нагретой при нанесения поверхности не выше 530oC.Next, an interface layer is applied to the cathode surface, which is a gas-tight film of the following composition:
La 1-x Me x CrO 3 , where Me is a doping element selected from the series Mg, Ca, Sr, Ba. For this, carboxylates of individual metals are prepared, mixed in accordance with the proportion necessary for the formation of the compound La 1-x Me x CrO 3 during their pyrolysis and applied to the preheated surface of the supporting cathode by coloring, spraying, gas-droplet emulsion or knurling. The total concentration of metals in carboxylates (in terms of oxides) is not more than 30 g / kg. The thickness of the resulting layer is not more than 0.6 microns. The temperature of the preheated when applying the surface is not higher than 530 o C.
На подготовленный таким образом катод с интерфейсным слоем наносят токопроход из хромита лантана стронция. Для его изготовления берут смесь карбоксилатов Cr, La и Sr с концентрацией не более 110 г/кг (по сумме образующихся при прокаливании оксидов) и добавляют в нее при активном перемешивании ультрадисперсный порошок La0,7Sr0,3MnO3. При этом отношение твердой фазы порошка к жидкой фазе карбоксилатов составляет от 1/100 до 5/100 вес.ч. Приготовленную ультрадисперсную смесь наносят на предварительно подогретую поверхность несущего катода до температуры, достаточной для образования из металлоорганического комплекса пленки допированного хромита лантана. Практически температура образования упомянутой пленки не превышает 530oC. Нанесение токопрохода на поверхность несущего катода может осуществляться путем ее окрашивания в токе азота при атмосферном давлении, либо посредством распыления ультрадисперсной суспензии в инертной среде. При этом скорость роста толщины газоплотной пленки токопрохода на поверхности несущего пористого катода должна составлять не менее 20 - 60 мкм в час.A current passage made of strontium lanthanum chromite is applied to a cathode thus prepared with an interface layer. For its manufacture, a mixture of Cr, La, and Sr carboxylates with a concentration of not more than 110 g / kg (based on the total amount of oxides formed during calcination) is taken and ultrafine La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 powder is added to it with vigorous stirring. The ratio of the solid phase of the powder to the liquid phase of carboxylates is from 1/100 to 5/100 parts by weight. The prepared ultrafine mixture is applied to the preheated surface of the supporting cathode to a temperature sufficient to form a film of doped lanthanum chromite from the organometallic complex. In practice, the temperature of formation of the above-mentioned film does not exceed 530 o C. Application of the current passage to the surface of the supporting cathode can be carried out by staining it in a stream of nitrogen at atmospheric pressure, or by spraying an ultrafine suspension in an inert medium. In this case, the growth rate of the thickness of the gas-tight film of the current passage on the surface of the supporting porous cathode should be at least 20-60 μm per hour.
Далее на катод с интерфейсным слоем и токопроходом наносят электролит. Для этого в качестве исходных органических реагентов используют карбоксилаты необходимых металлов, алкоголяты или их смеси. Выбор того или иного состава или смеси (карбоксилатов/алкоголятов) зависит от химических свойств металлов в составе смеси. Next, an electrolyte is applied to the cathode with the interface layer and current passage. For this, carboxylates of the necessary metals, alcoholates or mixtures thereof are used as starting organic reagents. The choice of a particular composition or mixture (carboxylates / alcoholates) depends on the chemical properties of the metals in the mixture.
Для изготовления слоя электролита, представляющего собой тонкую (5 - 10 мкм) газоплотную пленку состава (CeO2)0,85(Sm2O3)0,15 или (CeO2)0,85(Gd2O3)0,15, использовали смесь карбоксилатов Ce/Sm или Ce/Gd, где органическая часть карбоксилатов представлена диметилбутилуксусной кислотой с содержанием основного вещества 97%. Процесс нанесения проводят при температуре поверхности не выше 380oC, методом окрашивания, накатки или напыления.For the manufacture of an electrolyte layer, which is a thin (5-10 μm) gas-tight film of the composition (CeO 2 ) 0.85 (Sm 2 O 3 ) 0.15 or (CeO 2 ) 0.85 (Gd 2 O 3 ) 0.15 used a mixture of carboxylates Ce / Sm or Ce / Gd, where the organic part of the carboxylates is represented by dimethylbutylacetic acid with a basic substance content of 97%. The application process is carried out at a surface temperature of not higher than 380 o C, by dyeing, rolling or spraying.
Как отмечалось выше, для защиты электролита на основе допированного церия от восстановления анодными газами на его поверхности изготавливают слой электролита на основе допированного диоксида циркония. As noted above, to protect the electrolyte based on doped cerium from reduction by anode gases, an electrolyte layer based on doped zirconia is made on its surface.
В качестве исходных органических реагентов для изготовления материала, позволяющего наносить тонкопленочный оксидный электролит на основе 9YSZ, используют диметилбутилуксусную кислоту и бутанол. Карбоксилаты металлов Zr и Y изготавливают методом жидкостной экстракции, а бутилат циркония - методом взаимодействия сульфата циркония с бутанолом и металлическим кальцием. Иттрий добавляют в приготовленную смесь в виде карбоксилата Y(2MeBuAc)3. Толщина электролита - 3 - 5 мкм.Dimethylbutylacetic acid and butanol are used as starting organic reagents for the manufacture of a material that makes it possible to deposit a thin-film oxide electrolyte based on 9YSZ. Zr and Y metal carboxylates are produced by liquid extraction, and zirconium butylate is produced by the reaction of zirconium sulfate with butanol and calcium metal. Yttrium is added to the prepared mixture in the form of carboxylate Y (2MeBuAc) 3 . The thickness of the electrolyte is 3-5 microns.
Для изготовления на элементе второго электрода (анода) используют смесь-пасту, приготовленную из ионопроводящего материала (допированного диоксида циркония и/или допированного оксида церия), электронопроводящего материала (металлического порошка никеля и/или кобальта) и карбоксилатов металлов (никеля и/или кобальта). Для изготовления карбоксилатов Ni/Co можно использовать товарную смесь карбоновых кислот, имеющих общую формулу HO2C-C(CH3)2-(CH2)n-CH3, где n может принимать значения от 1 до 7. Концентрация Ni/Co в карбоксилатах составляет не менее 70 г/кг (по сумме оксидов металлов при прокаливании). В составе смесь-пасты отношение всех твердых составляющих к жидким равно (1/3 - 5/7) масс. Нанесение анода производят на нагретую поверхность методом окрашивания. Температура поверхности не выше 380oC.For the manufacture on the element of the second electrode (anode), a paste mixture is used made from ion-conducting material (doped zirconia and / or doped cerium oxide), electron-conducting material (metal powder of nickel and / or cobalt) and metal carboxylates (nickel and / or cobalt ) For the manufacture of Ni / Co carboxylates, you can use a commercial mixture of carboxylic acids having the general formula HO 2 CC (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n -CH 3 , where n can take values from 1 to 7. The concentration of Ni / Co in carboxylates is not less than 70 g / kg (by the sum of metal oxides during calcination). In the composition of the paste mixture, the ratio of all solid components to liquid is (1/3 - 5/7) mass. Application of the anode is carried out on a heated surface by staining. The surface temperature is not higher than 380 o C.
Последним компонентом в ВТТЭ изготавливается электроизоляционный слой между токопроходом и анодом на поверхности электролита. Его необходимость обусловлена предотвращением паразитных токовых связей между электродами и устранением эффекта тройной точки - топливный газ/электролит/катод в местах вывода токопрохода. The last component in VTTE is an electrical insulating layer between the current passage and the anode on the surface of the electrolyte. Its necessity is due to the prevention of spurious current bonds between the electrodes and the elimination of the triple point effect - fuel gas / electrolyte / cathode in the places where the current passage is output.
Для изготовления электроизоляционного слоя используют дисперсию, состоящую на 30% из порошкового материала и 70% жидкой фазы. В качестве порошкового материала берут магнезиальную шпинель состава MgAl2O4 с 15% добавкой порошка 9YSZ, а в качестве жидкой фазы - смесь карбоксилатов алюминия и Mg, где органическая часть карбоксилатов представлена диметилбутилуксусной кислотой. Весовое отношение между алюминием и магнием в смеси карбоксилатов рассчитано на образование при их прокаливании соединения, соответствующего магнезиальной шпинели MgAl2O4. Дисперсию наносят методом окрашивания на изолируемую поверхность, нагретую не выше 530oC.For the manufacture of the insulating layer, a dispersion is used, consisting of 30% of the powder material and 70% of the liquid phase. The powder material is magnesia spinel of the composition MgAl 2 O 4 with 15% addition of 9YSZ powder, and the liquid phase is a mixture of aluminum and Mg carboxylates, where the organic part of the carboxylates is represented by dimethylbutylacetic acid. The weight ratio between aluminum and magnesium in the carboxylate mixture is designed to form a compound corresponding to MgAl 2 O 4 when they are calcined. The dispersion is applied by coloring on an insulated surface, heated no higher than 530 o C.
Таким образом изготовление всех наносимых компонентов ВТТЭ проводится на одной установке (фиг.7) с использованием одного физико-химического процесса и одного класса органических реагентов - диметилкарбоновых кислот. Завершающей операцией изготовления ВТТЭ является спекание на воздухе при температуре не выше 1280oC в течение часа.Thus, the manufacture of all applied components of VTTE is carried out on one installation (Fig.7) using one physicochemical process and one class of organic reagents - dimethylcarboxylic acids. The final operation of the manufacture of VTTE is sintering in air at a temperature not exceeding 1280 o C for an hour.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения по изготовлению катода. A preferred embodiment of the invention for the manufacture of a cathode.
В данном примере изготовление ВТТЭ начинается с изготовления несущего керамического катода. Для этого синтезируют порошок электродного материала совместным осаждением карбонатов из их нитратных растворов с последующим их спеканием. Затем готовят формуемую массу с органическим связующим компонентом, содержащим Mn, La, или Co, La, или Cr, La, или Ni, La, допированных элементами из группы щелочно-земельных элементов. Далее катод из пресс-массы формуют посредством изостатического прессования и подвергают спеканию. In this example, the production of VTTE begins with the manufacture of a supporting ceramic cathode. For this, the powder of the electrode material is synthesized by the joint precipitation of carbonates from their nitrate solutions, followed by sintering. Then a moldable mass is prepared with an organic binder component containing Mn, La, or Co, La, or Cr, La, or Ni, La, doped with elements from the group of alkaline-earth elements. Next, the cathode of the press mass is formed by isostatic pressing and sintering.
Изготовленный таким образом керамический катод является несущим элементом всей конструкции ВТТЭ. A ceramic cathode made in this way is the supporting element of the entire VTTE design.
Заявляемый способ решает задачу изготовления несущего керамического катода с заданной структурой и прочностью при существенном снижении температуры термообработки и низких значениях (0,5 - 3)% коэффициентов усадки при спекании. The inventive method solves the problem of manufacturing a supporting ceramic cathode with a given structure and strength with a significant reduction in heat treatment temperature and low values (0.5 - 3)% of the coefficient of shrinkage during sintering.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого способа изготовления катода, реализуется за счет использования специально созданного материала для изготовления катода. Материал в формуемой массе одновременно выполняет роль пластификатора, связки и порообразователя. Как отмечалось выше, это позволяет получить изделие с заранее заданной структурой (не обеспечиваемой известной технологией) при существенно низких температурах спекания и коэффициентах усадки. The technical result achieved by the implementation of the inventive method of manufacturing a cathode is realized through the use of specially created material for the manufacture of the cathode. The material in the moldable mass simultaneously acts as a plasticizer, binder and blowing agent. As noted above, this allows you to get the product with a predetermined structure (not provided by the known technology) at substantially low sintering temperatures and shrinkage coefficients.
В итоге предлагаемое изобретение предусматривает меньшую номенклатуру исходных материалов, единообразный технологический подход для получения необходимых компонентов при более высоком выходе годной продукции и низком энергопотреблении. As a result, the present invention provides a smaller range of starting materials, a uniform technological approach to obtain the necessary components with a higher yield and low energy consumption.
Способ реализуют следующим образом. The method is implemented as follows.
Порошок состава LaxSr1-xMnO3, где 0,6 ≤ x ≤ 1,0, приготавливают, например, методом совместного осаждения карбонатов La, Sr, Mn из их нитратных растворов, с последующей фильтрацией осадка, его сушкой, термообработкой, обеспечивающей синтез вещества, и измельчением.A powder of the composition La x Sr 1-x MnO 3 , where 0.6 ≤ x ≤ 1.0, is prepared, for example, by co-precipitation of La, Sr, Mn carbonates from their nitrate solutions, followed by filtration of the precipitate, drying, heat treatment, providing synthesis of the substance, and grinding.
Одновременно приготавливают связующее, представляющее собой смесь карбоксилатов La, Sr, Mn, например методом жидкостной экстракции. Концентрация металлов в смеси составляет от 150 до 360 г/кг. После чего готовят формуемую массу путем смешивания приготовленного электродного порошка со связующим, где связующего - 3 - 15 мас.%. Приготовленную массу далее формуют, а полученную заготовку катода необходимой формы подвергают спеканию. At the same time, a binder is prepared, which is a mixture of La, Sr, Mn carboxylates, for example, by liquid extraction method. The concentration of metals in the mixture is from 150 to 360 g / kg. Then prepare the moldable mass by mixing the prepared electrode powder with a binder, where the binder is 3 to 15 wt.%. The prepared mass is then molded, and the obtained cathode blank of the required shape is sintered.
Изготовленный в соответствии с настоящим изобретением катод полностью соответствует техническим характеристикам, приведенным в конкретных примерах реализации данного изобретения. A cathode manufactured in accordance with the present invention fully complies with the technical characteristics given in specific embodiments of the present invention.
Пример 1. Порошок состава La0,7Sr0,3MnO3 был изготовлен методом совместного осаждения карбонатов La, Sr, Mn из нитратных растворов этих металлов, фильтрации полученного осадка, сушки и спекания его при температуре 1380oС в течение 1 ч. Полученный таким образом грубый спек деагрегировался в мельнице до заданной крупности агрегатов. Рентгенофазовый анализ полученного порошка подтвердил образование однофазного продукта первскитной структуры.Example 1. A powder of the composition La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 was prepared by co-precipitation of La, Sr, Mn carbonates from nitrate solutions of these metals, filtering the resulting precipitate, drying and sintering it at a temperature of 1380 o C for 1 h The coarse cake obtained in this way was disaggregated in the mill to the specified aggregate size. X-ray phase analysis of the obtained powder confirmed the formation of a single-phase product of the primitive structure.
Карбоксилаты индивидуальных металлов готовили методом экстракции соответствующего металла смесью карбоновых кислот. В приготовлении карбоксилатов для связующего использовали товарную смесь карбоновых кислот следующего состава, мас. %: диметилпропилуксусная кислота C7H14O2 36; диметилбутилуксусная кислота C8H16O2 31; диметиламилуксусная кислота C9H18O2 15; диметилгексилуксусная кислота C10H20O2 7; диметиллаурилуксусная кислота C12H24O2 2.Carboxylates of individual metals were prepared by extraction of the corresponding metal with a mixture of carboxylic acids. In the preparation of carboxylates for a binder, a commodity mixture of carboxylic acids of the following composition was used, wt. %: dimethylpropylacetic acid C 7 H 14 O 2 36; dimethylbutylacetic acid C 8 H 16 O 2 31; dimethylamylacetic acid C 9 H 18 O 2 15; dimethylhexylacetic acid C 10 H 20 O 2 7; dimethyl lauryl acetic acid C 12 H 24 O 2 2.
Некоторые концентрации металлов в карбоксилатах показаны в табл.1. Some metal concentrations in carboxylates are shown in Table 1.
Полученные индивидуальные экстракты смешивали в требуемом соотношении. В данном примере была использована смесь карбоксилатов La, Sr, Mn, соответствующая составу: La0,7Sr0,3MnO3 и суммарной концентрации металлов 210 г/кг.The obtained individual extracts were mixed in the desired ratio. In this example, a mixture of La, Sr, Mn carboxylates was used, corresponding to the composition: La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 and a total metal concentration of 210 g / kg.
Порошок La0,7Sr0,3MnO3 смешивали с раствором карбоксилатов в массовом соотношении 93 : 7. Указанную смесь готовили в шнековом смесителе в течение 1 ч. Полученная смесь была использована для получения воздушных электродов трубчатой формы методом гидростатического прессования. Затем трубки спекали при различных температурах на воздухе. Результаты приведены в табл.2.La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 powder was mixed with a solution of carboxylates in a weight ratio of 93: 7. The mixture was prepared in a screw mixer for 1 hour. The resulting mixture was used to obtain tubular-shaped air electrodes by hydrostatic pressing. Then the tubes were sintered at various temperatures in air. The results are shown in table.2.
Пример 2. Смесь порошка La0,7Sr0,3MnO3 и раствора карбоксилатов La, Sr, Mn готовили, как описано в примере 1. Полученную смесь нагревали на воздухе до температуры 650oС с выдержкой в течение 45 мин. Полученный порошок дезагрегировали для разрушения непрочных агрегатов, образующихся после термообработки. Дальнейшие операции по изготовлению трубчатых катодов аналогичны указанным в примере 1. Температура спекания трубок составляла 1380oС. Результаты изменения прочности изделий приведены в табл.3.Example 2. A mixture of La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 powder and a solution of La, Sr, Mn carboxylates was prepared as described in Example 1. The resulting mixture was heated in air to a temperature of 650 ° C. for 45 minutes. The resulting powder was disaggregated to destroy fragile aggregates formed after heat treatment. Further operations for the manufacture of tubular cathodes are similar to those described in example 1. The sintering temperature of the tubes was 1380 o C. The results of changes in the strength of the products are shown in table.3.
Пример 3. Порошок состава La0,7Sr0,3MnO3, используемый в примерах 1 и 2, смешивали со смесью карбоксилатов, содержащих Co, La, Sr в соотношениях, соответствующих составу La0,6Sr0,4CoO3. Указанные карбоксилаты получали методом экстракции соответствующих металлов. Суммарная концентрация металлов составляла 291 г/кг. Изготовление трубок проводили как указано в примере 1. Результаты спекания трубок при различных температурах приведены в табл.4.Example 3. The powder of the composition La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 used in examples 1 and 2 was mixed with a mixture of carboxylates containing Co, La, Sr in proportions corresponding to the composition La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 . These carboxylates were obtained by extraction of the corresponding metals. The total concentration of metals was 291 g / kg. The manufacture of the tubes was carried out as described in example 1. The results of sintering of the tubes at different temperatures are given in table 4.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения по изготовлению интерфейсного слоя. A preferred embodiment of the invention for the manufacture of an interface layer.
Пример 4. Для изготовления интерфейсного слоя на несущий пористый катод из MLS, изготовленный по примеру 1, наносится пленка CLS толщиной 0,3 - 0,6 мкм. Нанесение осуществляют посредством окрашивания нагретой до 530oС поверхности катода смесью карбоксилатов Cr, La, Sr в атмосфере воздуха. Общая концентрация Cr, La, Sr в смеси карбоксилатов (в пересчете на оксиды) составила 20 г/кг. Органическая часть карбоксилатов представлена смесью, состоящей из, мас. %: диметилпропилуксусная кислота (C7H14O2) 36; диметилбутилуксусная кислота (C8H16O2) 31; диметиламилуксусная кислота (C9H18O2) 15; диметилгексилуксусная кислота (C10H20O2) 7; диметиллаурилуксусная кислота (C12H24O2) 2.Example 4. For the manufacture of the interface layer on the supporting porous cathode of MLS made according to example 1, a CLS film 0.3-0.6 μm thick is applied. The application is carried out by coloring heated to 530 o With the surface of the cathode with a mixture of carboxylates Cr, La, Sr in an atmosphere of air. The total concentration of Cr, La, Sr in the mixture of carboxylates (in terms of oxides) was 20 g / kg. The organic part of the carboxylates is represented by a mixture consisting of, by weight. %: dimethylpropylacetic acid (C 7 H 14 O 2 ) 36; dimethylbutylacetic acid (C 8 H 16 O 2 ) 31; dimethylamylacetic acid (C 9 H 18 O 2 ) 15; dimethylhexylacetic acid (C 10 H 20 O 2 ) 7; dimethyl lauryl acetic acid (C 12 H 24 O 2 ) 2.
Отношение оксидов Cr, La и Sr после разложения смеси карбоксилатов на нагретой поверхности катода соответствует материалу La0,7Sr0,3CrO3. После нескольких (30 - 50) проходов окрашивания толщина пленки достигает 0,5 - 0,7 мкм.The ratio of Cr, La, and Sr oxides after decomposition of the carboxylate mixture on the heated cathode surface corresponds to La 0.7 Sr 0.3 CrO 3 material. After several (30 - 50) passes of staining, the film thickness reaches 0.5 - 0.7 microns.
Пример 5. Далее температуру нагрева катода с нанесенным слоем CLS снижают до 380oС и на его поверхности в атмосфере азота наносят слой (CeO2)0,85(Gd2O3)0,15 из смеси карбоксилатов Ce и Gd, где органическая часть карбоксилатов представлена диметилбутилуксусной кислотой 97 мас.%. Сумма концентраций Ce и Gd в смеси карбоксилатов (в пересчете на оксиды) составляет 55 г/кг. После нескольких (80 - 100) проходов окрашивания поверх пленки CLS образуется пленка (CeO2)0,85(Gd2O3)0,15 толщиной 5 - 10 мкм.Example 5. Next, the heating temperature of the cathode with the CLS layer deposited is reduced to 380 ° C. and a layer of (CeO 2 ) 0.85 (Gd 2 O 3 ) 0.15 from a mixture of Ce and Gd carboxylates, where organic part of the carboxylates is represented by dimethylbutylacetic acid 97 wt.%. The sum of the concentrations of Ce and Gd in the mixture of carboxylates (in terms of oxides) is 55 g / kg. After several (80-100) passes of staining, a (CeO 2 ) 0.85 (Gd 2 O 3 ) 0.15 film of 5-10 microns thick is formed over the CLS film.
Пример 6. Затем температуру нагрева катода с нанесенными слоями CLS и (CeO2)0,85(Gd2O3)0,15 повышают до 410oС и в атмосфере азота проводят формирование слоя 9YSZ. Нанесение слоя 9YSZ проводят из смеси металлоорганических соединений Zr(OBu)2(2MeBuAc)2 + Y(2MeBuAc)3 с концентрацией Zr и Y (в пересчете на сумму оксидов) (30 - 50)г/кг. После нескольких (60 - 80) проходов окрашивания образуется слой 9YSZ толщиной 3 - 5 мкм.Example 6. Then, the heating temperature of the cathode with the deposited layers of CLS and (CeO 2 ) 0.85 (Gd 2 O 3 ) 0.15 is increased to 410 ° C. and a layer of 9YSZ is formed in a nitrogen atmosphere. The 9YSZ layer is applied from a mixture of organometallic compounds Zr (OBu) 2 (2MeBuAc) 2 + Y (2MeBuAc) 3 with a concentration of Zr and Y (in terms of the sum of oxides) (30-50) g / kg. After several (60 - 80) passes of staining, a 9YSZ layer with a thickness of 3-5 microns is formed.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения по изготовлению токопрохода. A preferred embodiment of the invention is the manufacture of a current passage.
Способ реализуется следующим образом. Приготавливают карбоксилаты индивидуальных металлов. Далее карбоксилаты индивидуальных металлов смешивают в соответствии с пропорцией, необходимой для образования при их пиролизе соединения La1-xMexCrO3, где Me - допирующий элемент.The method is implemented as follows. Carboxylates of individual metals are prepared. Next, the carboxylates of the individual metals are mixed in accordance with the proportion necessary for the formation of the compound La 1-x Me x CrO 3 , where Me is a doping element, during their pyrolysis.
После этого готовят ультрадисперсную смесь из синтезированного отдельно приготовленного порошка электронопроводящего материала La1-xMexCrO3 и смеси карбоксилатов при соотношении твердой фазы порошка и жидкой фазы карбоксилатов в интервале 1/100 - 5/100. Приготовленную ультрадисперсную смесь наносят на предварительно подогретую поверхность несущего катода до температуры, достаточной для образования из металлоорганического комплекса пленки допированного хромита лантана. Практически температура образования упомянутой пленки не превышает 530oС. Нанесение токопрохода на поверхность несущего катода может осуществляться путем окрашивания в токе азота при атмосферном давлении, либо посредством распыления ультрадисперсной суспензии в инертной среде. При этом скорость роста толщины газоплотной пленки токопрохода на поверхности несущего катода составляет 20 - 60 мкм в час.After that, an ultrafine mixture is prepared from the synthesized separately prepared powder of the electrically conductive material La 1-x Me x CrO 3 and a mixture of carboxylates with a ratio of the solid phase of the powder and the liquid phase of carboxylates in the range of 1/100 - 5/100. The prepared ultrafine mixture is applied to the preheated surface of the supporting cathode to a temperature sufficient to form a film of doped lanthanum chromite from the organometallic complex. In practice, the temperature of formation of the above-mentioned film does not exceed 530 o C. The current passage can be applied to the surface of the supporting cathode by staining in a stream of nitrogen at atmospheric pressure, or by spraying an ultrafine suspension in an inert medium. In this case, the growth rate of the thickness of the gas-tight film of the current passage on the surface of the supporting cathode is 20-60 μm per hour.
Пример 7. Смесь карбоксилатов Cr, La и Sr приготавливают аналогично ее приготовлению в примере 1 с использованием тех же органических реагентов. Исходные составы отдельных компонентов по содержанию металлов показаны в табл.1. Example 7. A mixture of carboxylates of Cr, La and Sr is prepared analogously to its preparation in example 1 using the same organic reagents. The initial compositions of the individual components according to the metal content are shown in table 1.
При прокаливании смеси образуется соединение хромита - лантана - стронция следующего состава: La0,8Sr0,3CrO3. Смесь наносится на пористую поверхность несущего катода, выполненного в виде трубки, нагретую до 530oС, в токе азота. На поверхности трубки образуется газоплотная дорожка токопрохода шириной 3 мм. Скорость роста пленки токопрохода составляет 25 - 30 мкм в час.When the mixture is calcined, a chromite-lanthanum-strontium compound of the following composition is formed: La 0.8 Sr 0.3 CrO 3 . The mixture is applied to the porous surface of the supporting cathode, made in the form of a tube, heated to 530 o With in a stream of nitrogen. On the surface of the tube, a gas-tight current path of 3 mm wide is formed. The growth rate of the current passage film is 25-30 microns per hour.
Пример 8. В отличие от примера 4 в смесь карбоксилатов Cr, La и Sr добавляют порошок состава La0,8Sr0,3CrO3, в котором 90% частиц с диаметром меньше одного микрона. Количество добавляемого порошка составляет 1 мас.% к массе карбоксилатов. Затем приготовленную смесь наносят на поверхность несущего катода, как указано в примере 4, при этом скорость роста увеличивается и составляет 60 мкм в час.Example 8. Unlike example 4, a powder of the composition La 0.8 Sr 0.3 CrO 3 , in which 90% of particles with a diameter of less than one micron, is added to the mixture of carboxylates of Cr, La, and Sr. The amount of added powder is 1 wt.% To the mass of carboxylates. Then the prepared mixture is applied to the surface of the supporting cathode, as described in example 4, while the growth rate increases and is 60 μm per hour.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения по изготовлению электролита. Preferred embodiments of the invention for the manufacture of electrolyte.
Для изготовления тонкопленочного электролита из исходных смесей карбоксилатов (Zr/Y) приготавливают смесь соединений типа:
где MA - металл с валентностью A,
MB - металл с валентностью B,
m = 2 - 8,
n = 6 - 12,
x + y = A,
α+β = B
Далее на нагретую подложку приготовленную смесь соединений наносят напылением, окрашиванием или другими способами в инертной атмосфере (N2, Ar, CO2). Температура нагрева подложки зависит от конкретных элементов металлов в составе исходной смеси. На фотографии (фиг.7) показано устройство для нанесения тонких оксидных пленок методом окрашивания в момент изготовления электролита.For the manufacture of thin-film electrolyte from initial mixtures of carboxylates (Zr / Y), a mixture of compounds of the type is prepared:
where M A is a metal with a valency A,
M B - metal with valency B,
m = 2 - 8,
n = 6 - 12,
x + y = A,
α + β = B
Next, on the heated substrate, the prepared mixture of compounds is applied by sputtering, staining or other methods in an inert atmosphere (N 2 , Ar, CO 2 ). The heating temperature of the substrate depends on the specific elements of metals in the composition of the initial mixture. The photograph (Fig. 7) shows a device for applying thin oxide films by the staining method at the time of manufacture of the electrolyte.
Пример 9. В качестве исходных органических реагентов для изготовления материала, позволяющего наносить тонкопленочный оксидный электролит на основе 10YSZ, используются диметилбутилуксусная кислота и бутанол. Карбоксилаты металлов Zr и Y изготавливают методом жидкостной экстракции, а бутилат циркония - методом взаимодействия сульфата цирконила с бутанолом и окисью кальция. Концентрации металлов показаны в табл.1. Example 9. As starting organic reagents for the manufacture of a material that allows the application of a thin-film oxide electrolyte based on 10YSZ, dimethylbutylacetic acid and butanol are used. Zr and Y metal carboxylates are produced by liquid extraction, and zirconium butylate is produced by the reaction of zirconyl sulfate with butanol and calcium oxide. Metal concentrations are shown in table 1.
Исходное соединение для нанесения получают по реакции
Иттрий добавляют в изготовленную смесь в виде карбоксилата Y(2MeBuAc)3. Смесь при прокаливании образует соединение кубической структуры, состав которой показан в табл.5 (поз.1).The starting compound for application is obtained by reaction
Yttrium is added to the prepared mixture in the form of carboxylate Y (2MeBuAc) 3 . The mixture, upon calcination, forms a compound of a cubic structure, the composition of which is shown in Table 5 (item 1).
Изготовленный таким образом материал наносят на поверхность трубки катода из манганита-лантана-стронция. Температуру поверхности трубки поддерживают на уровне 530oС. Реакцию проводят в токе азота. При этом на поверхности катода из манганита-лантана-стронция образуется газоплотная пленка твердого электролита состава - 91ZrO29Y2O3 (указаны мольные проценты). Толщина пленки зависит от количества проходов каретки с дозирующим карбоксилаты устройством. Скорость роста толщины пленки электролита 25 мкм в час. После нанесения электролита трубку подвергают термической обработке при температуре 1100oС. Кубическая структура нанесенного материала пленочного электролита подтверждается измерениями на рентгеновском дифрактомере. Электрохимические измерения показали, что число переноса ионов кислорода в изготовленном электролите практически равно единице.The material thus prepared is applied to the surface of the cathode tube of manganite-lanthanum-strontium. The surface temperature of the tube is maintained at 530 o C. The reaction is carried out in a stream of nitrogen. At the same time, a gas-tight film of a solid electrolyte of the composition - 91ZrO 2 9Y 2 O 3 is formed on the cathode surface from manganite-lanthanum-strontium (molar percentages are indicated). The film thickness depends on the number of carriage passes with a carboxylate dosing device. The growth rate of the thickness of the electrolyte film is 25 microns per hour. After applying the electrolyte, the tube is subjected to heat treatment at a temperature of 1100 o C. The cubic structure of the deposited material of the film electrolyte is confirmed by measurements on an x-ray diffractometer. Electrochemical measurements showed that the transport number of oxygen ions in the manufactured electrolyte is almost equal to unity.
Пример 10. Один из вариантов способа изготовления пленочного электролита по примеру 6 заключается в следующем: в наносимый на поверхность трубки катода материал добавляют порошок стабилизированного диоксида циркония, имеющего состав, приведенный в табл.5 (поз.1), в количестве 1,5 мас.%. Фракционный состав добавляемого порошка показан на фиг.8 96% его частиц имеют диаметр менее 2 мкм. Технология нанесения электролита аналогична используемой в примере 6, но скорость роста толщины слоя электролита увеличилась и составила приблизительно 30 - 40 мкм в час. Фрагмент слоя электролита толщиной 30,7 мкм на пористом катоде показан на фотографии фиг.9. Example 10. One of the variants of the method of manufacturing a film electrolyte according to example 6 is as follows: stabilized zirconia powder having the composition shown in Table 5 (pos. 1) is added to the material applied to the surface of the cathode tube in an amount of 1.5 wt. .%. The fractional composition of the added powder is shown in Fig. 96 96% of its particles have a diameter of less than 2 microns. The electrolyte deposition technology is similar to that used in example 6, but the growth rate of the thickness of the electrolyte layer increased and amounted to approximately 30 - 40 microns per hour. A fragment of an electrolyte layer 30.7 μm thick at the porous cathode is shown in the photograph of FIG. 9.
Пример 11. Изготовление Ba-Ce-Gd электролита на пористом электроде. Example 11. The manufacture of Ba-Ce-Gd electrolyte on a porous electrode.
Смесь карбоксилатов с составом Ba, Ce и Gd, соответствующим табл.5 (поз. 3), изготовлена как в предыдущих примерах. На подложку, температура которой поддерживается на уровне 380oС, представляющую собой пористую пластину из хромита-лантана-стронция, смесь карбоксилатов напыляют в виде газокапельной эмульсии. При разложении карбоксилатов образуется газоплотная пленка электролита с протонной проводимостью. Скорость роста толщины пленки составляет 20 мкм в час.A mixture of carboxylates with a composition of Ba, Ce, and Gd, corresponding to Table 5 (item 3), was made as in the previous examples. On a substrate, the temperature of which is maintained at 380 o C, which is a porous plate of chromite-lanthanum-strontium, a mixture of carboxylates is sprayed in the form of a gas-droplet emulsion. Upon decomposition of carboxylates, a gas-tight electrolyte film with proton conductivity is formed. The growth rate of the film thickness is 20 μm per hour.
Предпочтительный способ изготовления керметного топливного электрода. A preferred method of manufacturing a cermet fuel electrode.
Изготовление керметного топливного электрода с достижением ранее упомянутого технического результата решается тем, что в известном способе изготовления керметного топливного электрода высокотемпературного топливного элемента, включающем формирование на твердом электролите, находящемся в контакте с внутренним воздушным электродом, керметного слоя электрода, состоящего из грубодисперсного электроноводящего материала, выбранного из группы металлических никеля и/или кобальта, грубодисперсного ионопроводящего материала на основе допированного диоксида циркония и/или допированного оксида церия и последующего формирования на грубодисперсном слое отдельного тонкодисперсного электронопроводящего пористого многофазного слоя, состоящего из металлического материала, выбранного из группы никеля и/или кобальта, ионопроводящего допированного материала на основе оксида церия, посредством нанесения и последующего нагрева смесь-пасты, состоящей из упомянутых тонкодисперсных компонентов со связующим, керметный топливный электрод изготавливают одновременным формированием грубодисперсной и тонкодисперсной составляющих пористого многофазного слоя нанесением смесь-пасты на электролит, находящийся в контакте с внутренним воздушным электродом. The manufacture of a cermet fuel electrode with the achievement of the previously mentioned technical result is solved by the fact that in the known method of manufacturing a cermet fuel electrode of a high-temperature fuel cell, comprising forming on a solid electrolyte in contact with an internal air electrode, a cermet electrode layer consisting of a coarse dispersed electron-conducting material selected from the group of metallic nickel and / or cobalt, a coarsely dispersed ion-conducting material based on d carbonated zirconia and / or doped cerium oxide and the subsequent formation on the coarse-dispersed layer of a separate finely divided electrically conductive porous multiphase layer consisting of a metal material selected from the group of nickel and / or cobalt, ion-conductive doped material based on cerium oxide, by applying and subsequent heating the mixture -pastes consisting of the above-mentioned finely dispersed components with a binder, a cermet fuel electrode is made by simultaneously forming by coarse and finely dispersed components of the porous multiphase layer by applying a paste mixture to an electrolyte in contact with the internal air electrode.
Пример 12. Для изготовления керметного топливного электрода готовят смесь карбоксилатов - Ni[O2C-C(CH3)2-(CH2)n-CH3]2, где Ni 60 г/кг, с порошком электролита (ZrO2)0,91(Y2O3)0,09 (N 1 табл.5) при соотношении (Т/Ж) = 1/3. К этой смеси добавляют никелевый порошок при соотношении (TYSZ/TNi) = 1/1,1 и подвергают обработке в планетарной мельнице. Смесь наносят на поверхность электролита способом окрашивания. Далее элемент помещают в вакуумную камеру и выдерживают при температуре 350oС и остаточном давлении 10 мм рт.ст. в течение трех часов. При этом карбоксилат никеля, находящийся в составе смеси, разлагается с образованием металлического никеля, который связывает частицы порошка электролита и ранее замешанного порошка никеля единым проводящим каркасом. Далее готовый элемент термообрабатывают в печи при температуре 1100oС.Example 12. For the manufacture of cermet fuel electrode, a mixture of carboxylates is prepared - Ni [O 2 CC (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n -CH 3 ] 2 , where Ni is 60 g / kg, with electrolyte powder (ZrO 2 ) 0, 91 (Y 2 O 3 ) 0.09 (
Пример 13. Для изготовления высокопористого керметного анода, на котором возможно частичное протекание реформинга топлива, готовят смесь-пасту смешением порошков: никеля, частицы которого имеют регулярную шарообразную форму (фиг. 11а), допированного диоксида циркония, частицы которого имеют волокнистую структуру (фиг.11б), тонкодисперсного порошка допированного оксида церия (фиг. 10) с жидкой фазой диметилбутилуксусного кобальта - Co[O2C-C(CH3)2-(CH2)3-CH3]2, которая в процессе термообработки образует электронопроводящий пористый многофазный слой, скрепляющий между собой грубодисперсную и тонкодисперсную фазы, образующие кермет топливного электрода.Example 13. For the manufacture of a highly porous cermet anode, on which partial reforming of the fuel is possible, a paste mixture is prepared by mixing powders: nickel, the particles of which have a regular spherical shape (Fig. 11a), doped zirconia, the particles of which have a fibrous structure (Fig. 11b), a fine powder of doped cerium oxide (Fig. 10) with the liquid phase of dimethylbutylacetic cobalt — Co [O 2 CC (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) 3 -CH 3 ] 2 , which during the heat treatment forms an electrically conductive porous multiphase layer oh, fastening together coarse and finely dispersed phases that form the cermet of the fuel electrode.
Концентрация кобальта в жидкой фазе карбоксилата 56 г/кг. Весовое отношение порошка никеля металлического к общему количеству ионопроводящих порошков составляет 1,1/1,0. Отношение фаз твердой к жидкой в изготовленной пасте находится в интервале 1/3 - 5/7 масс. Грубодисперсные частицы никелевого порошка имеют диаметр от 10 до 15 мкм, а грубодисперсный порошок электролита YSZ имеет нитевидную форму, где отношение длины частицы к ее диаметру составляет не менее 10, при диаметре нитей 5 - 10 мкм. The concentration of cobalt in the liquid phase of the carboxylate is 56 g / kg. The weight ratio of nickel metal powder to the total number of ion-conducting powders is 1.1 / 1.0. The ratio of solid to liquid phases in the manufactured paste is in the range of 1/3 - 5/7 mass. The coarse particles of nickel powder have a diameter of 10 to 15 μm, and the coarse powder of the YSZ electrolyte has a filiform shape, where the ratio of the particle length to its diameter is at least 10, with a diameter of 5 to 10 microns.
Тонкодисперсный порошок допированного оксида церия содержит в своем составе 90% частиц размером менее 1,0 мкм. The finely divided doped cerium oxide powder contains 90% of particles smaller than 1.0 microns in size.
Нанесение смесь-пасты осуществляют посредством окрашивания в воздушной среде при комнатной температуре и атмосферном давлении. Полуэлемент с нанесенной сырой смесь-пастой подвергают термообработке в вакууме при температуре 350oС и остаточном давлении 10 мм рт.ст.Application of the paste mixture is carried out by coloring in air at room temperature and atmospheric pressure. The semi-element coated with the crude mixture-paste is subjected to heat treatment in vacuum at a temperature of 350 o C and a residual pressure of 10 mm Hg
Предпочтительный вариант осуществления изобретения по изготовлению электроизоляционного слоя. A preferred embodiment of the invention for the manufacture of an electrical insulating layer.
Последним компонентом в ВТТЭ изготавливается электроизоляционный слой между токопроходом и анодом на поверхности электролита. Его необходимость, как отмечалось выше, обусловлена предотвращением паразитных токовых связей между электродами и устранением эффекта тройной точки - топливный газ/электролит/катод в местах вывода токопрохода. The last component in VTTE is an electrical insulating layer between the current passage and the anode on the surface of the electrolyte. Its need, as noted above, is due to the prevention of spurious current bonds between the electrodes and the elimination of the triple point effect - fuel gas / electrolyte / cathode in the places where the current passage leads.
В зависимости от конструкции ВТТЭ, планарная или трубчатая, условия и методы нанесения электроизоляционного слоя различаются. Для планарной конструкции более приемлем метод нанесения из газокапельной эмульсии с маскированием соседних участков, в то время как для трубчатой - метод окрашивания. В связи с этим подготовка исходных материалов для нанесения электроизоляционного слоя различна, хотя в конечном итоге приводит к получению электроизоляционного покрытия одного химического состава с одинаковыми функциональными свойствами. Depending on the design of the VTTE, planar or tubular, the conditions and methods for applying the electrical insulating layer differ. For a planar design, a method of applying from a gas-droplet emulsion with masking of neighboring areas is more acceptable, while for a tubular one, a staining method. In this regard, the preparation of the starting materials for applying the insulating layer is different, although it ultimately leads to an insulating coating of the same chemical composition with the same functional properties.
Пример 14. Для изготовления электроизоляционного слоя методом окрашивания используют дисперсию, состоящую на 30% из порошкового материала и 70% жидкой фазы. В качестве порошкового материала берут магнезиальную шпинель состава MgAl2O4 с 15% добавкой порошка 9YSZ, а в качестве жидкой фазы - смесь карбоксилатов алюминия и Mg, где органическая часть карбоксилатов представлена диметилбутилуксусной кислотой. Весовое отношение между алюминием и магнием в смеси карбоксилатов рассчитано на образование при их прокаливании соединения, соответствующего магнезиальной шпинели MgAl2O4. Содержание Mg и Al в карбоксилатах представлено в табл.1. Дисперсию наносят посредством окрашивания на поверхность, нагретую не выше 530oС.Example 14. For the manufacture of an insulating layer by the method of coloring, a dispersion is used consisting of 30% of the powder material and 70% of the liquid phase. The powder material is magnesia spinel of the composition MgAl 2 O 4 with 15% addition of 9YSZ powder, and the liquid phase is a mixture of aluminum and Mg carboxylates, where the organic part of the carboxylates is represented by dimethylbutylacetic acid. The weight ratio between aluminum and magnesium in the carboxylate mixture is designed to form a compound corresponding to MgAl 2 O 4 when they are calcined. The content of Mg and Al in carboxylates is presented in Table 1. The dispersion is applied by coloring on a surface heated not higher than 530 o C.
Пример 15. Способ изготовления электроизоляционного слоя методом нанесения из газокапельной эмульсии реализуется следующим образом. Металлоорганическая соль Al и Mg состава Mg[Al(Alc)4]2 смешивается с карбоксилатами Zr и Y, где органическая часть представлена диметилбутилуксусной кислотой. Карбоксилаты циркония и иттрия добавляют в количестве, достаточном для образования после пиролиза смеси на нагретой электроизолируемой поверхности 5 - 15% иттрий стабилизированного циркония в составе магнезиальной шпинели. Нанесение производят в виде полосы шириной 2 - 3 мм. Температура электроизолируемой поверхности при нанесении поддерживается на уровне 450oС. В результате образуется электроизолирующий слой толщиной 12 - 15 мкм, имеющий состав, соответствующий химической формуле (MgAl2O4)1-n((ZrO2)0,91(Y2O3)0,09)n, где n - 5 - 15 мас.%.Example 15. A method of manufacturing an insulating layer by the method of applying from a gas-drop emulsion is implemented as follows. The organometallic salt of Al and Mg with the composition Mg [Al (Alc) 4 ] 2 is mixed with the carboxylates Zr and Y, where the organic part is represented by dimethylbutylacetic acid. Zirconium and yttrium carboxylates are added in an amount sufficient to form 5-15% stabilized zirconium yttrium in magnesia spinel after pyrolysis of the mixture on a heated electrically insulated surface. Application is made in the form of a strip with a width of 2 - 3 mm. The temperature of the electrically insulated surface during application is maintained at 450 o C. As a result, an electrically insulating layer with a thickness of 12-15 microns is formed, having a composition corresponding to the chemical formula (MgAl 2 O 4 ) 1-n ((ZrO 2 ) 0.91 (Y 2 O 3 ) 0.09 ) n , where n is 5 - 15 wt.%.
Промышленная применимость. Способ изготовления единичного ВТТЭ и его компонентов: катода, электролита, анода, токопрохода, интерфейсного и изолирующего слоев может найти широкое использование в технологии изготовления единичных ВТТЭ и его компонентов. Industrial applicability. A method of manufacturing a single VTTE and its components: cathode, electrolyte, anode, current passage, interface and insulating layers can be widely used in the technology of manufacturing single VTTE and its components.
Данная группа изобретений предлагает комплексный подход к изготовлению ВТТЭ и его компонентов в виде единого технологического процесса, используя существенно меньший перечень материалов, веществ и реагентов. Однотипные химические соединения металлов с органическими реагентами одного класса, приготавливаемые в соответствии с данной группой изобретений, используются в изготовлении всех компонентов ВТТЭ, что также позволило использовать практически одно устройство для формирования всех компонентов в рамках единого технологического процесса. This group of inventions offers an integrated approach to the manufacture of VTTE and its components in the form of a single technological process, using a significantly smaller list of materials, substances and reagents. The same chemical compounds of metals with organic reagents of the same class, prepared in accordance with this group of inventions, are used in the manufacture of all components of VTTE, which also allowed the use of almost one device for the formation of all components within a single technological process.
В итоге значительно снижается себестоимость единичного ВТТЭ, а, следовательно, и всего изделия в целом. As a result, the cost of a single VTTE, and, consequently, the entire product as a whole, is significantly reduced.
Claims (55)
[(CH3 - CH2)n - C(CH3)2 - CO2]mMe+m,
n = 1 - 7,
m - валентность металла,
Me - Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sc, Y, In, La и лантаноиды, Ti, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, входящие в виде металлов или их оксидов в состав материалов, используемых для формирования катода, анода, токопрохода, электролита, интерфейсного и электроизоляционного слоев.1. A method of manufacturing a high-temperature fuel cell, including the manufacture of a cathode, deposition of an electrolyte and anode, followed by heat treatment of the entire structure of a high-temperature fuel cell, characterized in that after the cathode is fabricated, an interface layer, current passage, an electrolyte based on doped cerium oxide, an electrolyte based on doped oxide are applied zirconium, then the anode and the electrical insulating layer, using one device, and for the manufacture of all applied mating and sintering components s high-temperature fuel cell prepared organometallic complex characterized by the general formula
[(CH 3 - CH 2 ) n - C (CH 3 ) 2 - CO 2 ] m Me + m ,
n = 1 - 7,
m is the valency of the metal,
Me - Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sc, Y, In, La and lanthanides, Ti, Zr, Hf, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, included in the form of metals or their oxides in the composition of materials used to form the cathode, anode, current passage, electrolyte, interface and electrical insulating layers.
c образованием смеси карбоксилатов металлов, или смеси алкоголятов металлов, или смеси карбоксилатов и алкоголятов металлов, характеризуемой общей формулой
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)X(OCmH2m+1)A-X,
где Me - любой из металлов, входящий в функциональный компонент высокотемпературного топливного элемента;
A - валентность данного химического элемента (металла);
X - коэффициент, определяемый из неравенства 0 < X < A;
n = 1 - 7;
m = 2 - 8.12. A method of manufacturing a solid oxide electrolyte of a high-temperature fuel cell, which consists in preparing the initial organometallic compound, heating the ceramic electrode to a predetermined temperature, applying the prepared organometallic compound to the electrode surface and subsequent heat treatment of the electrode with the formed electrolyte, characterized in that the organometallic compound for the manufacture of solid oxide the electrolyte is synthesized using the reaction Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) A + Me + A (OC m H 2m + 1 ) A Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) X (OC m H 2m + 1 ) AX ;
with the formation of a mixture of metal carboxylates, or a mixture of metal alkoxides, or a mixture of metal carboxylates and alkoxides of metals, characterized by the General formula
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) X (OC m H 2m + 1 ) AX ,
where Me is any of the metals included in the functional component of a high-temperature fuel cell;
A is the valency of a given chemical element (metal);
X is the coefficient determined from the inequality 0 <X <A;
n is 1 to 7;
m = 2 - 8.
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)A,
осуществляют методом жидкостной экстракции и/или твердофазной экстракции соответствующих металлов (Me+A) из водных растворов их солей и/или их суспензий в минеральных кислотах.14. The method according to p. 12, characterized in that for the preparation of metal carboxylates, the synthesis of metal carboxylates, characterized by the General formula
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) A ,
carried out by liquid extraction and / or solid-phase extraction of the corresponding metals (Me + A ) from aqueous solutions of their salts and / or their suspensions in mineral acids.
SrCe0,85Gd0,15(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)6 или BaCe0,85Gd0,15(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)6,
где n = 2 - 3, наносят на поверхность электрода, нагретую до температуры не выше 470oC, разлагающуюся под воздействием температуры с образованием пленки протонного электролита состава SrCe0,85Gd0,15O3 или BaCe0,85Gd0,15O3.23. The method according to p. 12 or 14, characterized in that to obtain a proton electrolyte prepare a mixture of carboxylates, characterized by the chemical formula
SrCe 0.85 Gd 0.15 (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) 6 or BaCe 0.85 Gd 0.15 (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) 6 ,
where n = 2 - 3, is applied to the electrode surface, heated to a temperature not exceeding 470 o C, decomposing under the influence of temperature with the formation of a proton electrolyte film of the composition SrCe 0.85 Gd 0.15 O 3 or BaCe 0.85 Gd 0.15 O 3 .
Me+M(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)m,
где Me - Cr, La, Sr, и/или Ca, и/или Mg;
m - валентность металла;
n = 1 - 7.26. The method according to p. 25, characterized in that for the manufacture of a carrier of a fine dispersion of powdered doped lanthanum chromite synthesize chromium carboxylates, lanthanum and doping elements, characterized by the formula
Me + M (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) m ,
where Me is Cr, La, Sr, and / or Ca, and / or Mg;
m is the valency of the metal;
n = 1 - 7.
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)A-X(OCmH2m+1)X,
где Me - металлы, выбранные из группы: Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Y, Zr, La и лантаноиды, Mg, Ca, Sr, Ba;
A - валентность данного химического элемента (металла);
X - коэффициент, определяемый из неравенства 0 < X < A;
n = 1 - 7;
m = 2 - 8.33. A method of manufacturing an interface layer, including the synthesis of an organometallic complex, its deposition on a heated substrate, characterized in that a compound characterized by the general formula is used as an organometallic complex
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) AX (OC m H 2m + 1 ) X ,
where Me are metals selected from the group: Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Y, Zr, La and lanthanides, Mg, Ca, Sr, Ba;
A is the valency of a given chemical element (metal);
X is the coefficient determined from the inequality 0 <X <A;
n is 1 to 7;
m = 2 - 8.
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)A-X(OCmH2m+1)X,
где X = 0;
Me - металлы, выбранные из группы: Mg, Ca, Sr, Ba, Ce, Pr, Sm, Gd, Er.34. The method according to p, characterized in that for the manufacture of a gas-tight film of the interface layer using a mixture of compounds characterized by the General formula
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) AX (OC m H 2m + 1 ) X ,
where X = 0;
Me - metals selected from the group: Mg, Ca, Sr, Ba, Ce, Pr, Sm, Gd, Er.
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)A-X(OCmH2m+1)X,
где X = 0;
Me - металлы, выбранные из группы: Ce, и допирующие элементы Sm, Gd;
n = 1, 2.37. The method according to p, characterized in that for the manufacture of a gas-tight film of the anti-diffusion interface layer using a mixture of compounds characterized by the General formula
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) AX (OC m H 2m + 1 ) X ,
where X = 0;
Me - metals selected from the group: Ce, and doping elements Sm, Gd;
n = 1, 2.
Me+A(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)A-X(OCmH2m+1)X,
где Me - металлы, выбранные из группы: Zr, Y, La и лантаноиды,
А - валентность данного химического элемента (металла);
X - может принимать значения 1, 2, 3, ... А.40. The method according to p. 33, characterized in that for the manufacture of the interface layer that protects the previous layer from the reducing gas medium, a mixture of compounds characterized by the general formula
Me + A (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) AX (OC m H 2m + 1 ) X ,
where Me are metals selected from the group: Zr, Y, La and lanthanides,
A is the valency of a given chemical element (metal);
X - can take the values 1, 2, 3, ... A.
Me+m(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)m,
где Me - Ni и/или Co,
m - валентность металла,
n = 1 - 7,
которая в процессе термообработки образует электронопроводящий пористый многофазный слой, скрепляющий между собой грубодисперсную и тонкодисперсную фазы, образующие кермет топливного электрода.45. The method according to item 44, wherein the paste mixture is prepared by mixing powders of coarse electrically conductive material selected from the group of metallic nickel and / or cobalt, coarsely dispersed ion-conducting material based on doped zirconia and / or doped cerium oxide, finely dispersed ion-conducting material based on doped cerium oxide and the liquid phase of nickel and / or cobalt carboxylates, characterized by the general formula
Me + m (O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) m ,
where Me is Ni and / or Co,
m is the valency of the metal,
n = 1 - 7,
which during heat treatment forms an electrically conductive porous multiphase layer, fastening together coarse and finely dispersed phases that form the cermet of the fuel electrode.
Me+A[(O2C - C(CH3)2 - (CH2)n - CH3)1-X(OCmH2m+1)X]A,
где n = 1 - 7;
m = 2 - 8;
Me - Mg, Al, Zr, Y, Ca, La и лантаноиды;
А - валентность металла;
х - может принимать значения от 0 до 1.54. A method of manufacturing an insulating layer of VTTE, comprising preparing a mixture of components based on magnesia spinel, characterized in that the second component in the prepared applied mixture uses a mixture of organometallic complexes with the general formula
Me + A [(O 2 C - C (CH 3 ) 2 - (CH 2 ) n - CH 3 ) 1-X (OC m H 2m + 1 ) X ] A,
where n = 1 to 7;
m is 2-8;
Me — Mg, Al, Zr, Y, Ca, La, and lanthanides;
A is the valency of the metal;
x - can take values from 0 to 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98111808A RU2125324C1 (en) | 1996-11-11 | 1997-07-02 | Method for producing single high-temperature fuel element and its components: cathode, electrolyte, anode, current duct, interface and insulating layers |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU9600319 | 1996-11-11 | ||
RURU96/00319 | 1996-11-11 | ||
PCT/RU1997/000159 WO1998021769A1 (en) | 1996-11-11 | 1997-05-23 | Method for manufacturing a single unit high temperature fuel cell and its components: a cathode, an electrolyte, an anode, a current conductor, and interface and insulating layers |
RU98111808A RU2125324C1 (en) | 1996-11-11 | 1997-07-02 | Method for producing single high-temperature fuel element and its components: cathode, electrolyte, anode, current duct, interface and insulating layers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2125324C1 true RU2125324C1 (en) | 1999-01-20 |
Family
ID=26653696
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98111808A RU2125324C1 (en) | 1996-11-11 | 1997-07-02 | Method for producing single high-temperature fuel element and its components: cathode, electrolyte, anode, current duct, interface and insulating layers |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2125324C1 (en) |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2224337C1 (en) * | 2002-10-22 | 2004-02-20 | ООО "Салют Текнолоджис Вест" | Method and installation for manufacturing high- temperature fuel cell |
WO2007069939A2 (en) * | 2005-12-16 | 2007-06-21 | Obshchestvo S Ogranichennoy Otvetstvennost'yu 'natsionalnaya Innovatsionnaya Kompaniya 'novye Energeticheskie Proekty' | Tubular element (variants) for electrochemical device batteries provided with a thin-layer solid electrolyte and a method for the production thereof |
WO2008133549A1 (en) * | 2007-04-27 | 2008-11-06 | Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennost'yu 'natsional'naya Innovatsionnaya Kompaniya 'novye Energeticheskie Proekty' | Cathode material for solid oxide fuel cells based on cobalt-containing perovskite-like oxides of transition metals |
RU2479893C2 (en) * | 2007-08-31 | 2013-04-20 | Данмаркс Текниске Университет | Ceramic anode structure (its versions) and its application |
RU2480863C2 (en) * | 2007-08-31 | 2013-04-27 | Данмаркс Текниске Университет | Ceramic-metal anode structure (its versions) and its application |
RU2480865C2 (en) * | 2007-08-31 | 2013-04-27 | Данмаркс Текниске Университет | Reversible solid oxide fuel element (its versions) |
RU2487441C1 (en) * | 2011-11-07 | 2013-07-10 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Chemical cell anode and method of making said anode |
RU2533555C2 (en) * | 2012-09-11 | 2014-11-20 | Аркадий Владимирович Луенков | Method for implementation of high-temperature fuel element with protonic plasma and internal reforming |
RU2542752C1 (en) * | 2014-02-11 | 2015-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Method of manufacturing porous cathode materials based on lanthanum strontium manganite |
WO2015152759A1 (en) * | 2014-04-04 | 2015-10-08 | Закрытое Акционерное Общество "Энергоэффективность" | Tubular sectional solid oxide thin-film high-temperature fuel cell |
RU2601436C1 (en) * | 2015-10-15 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Ceramic material for interconnectors of fuel elements and method for production thereof |
RU2737534C1 (en) * | 2020-05-22 | 2020-12-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Single tubular fuel cell with thin-layer proton electrolyte for direct conversion of hydrocarbon fuel in mixture with water vapor and / or carbon dioxide |
RU2777335C1 (en) * | 2022-03-23 | 2022-08-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate |
-
1997
- 1997-07-02 RU RU98111808A patent/RU2125324C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Thih Film Technigues for Solid Electrolyte Composites, European solid oxide fuel cell forum, 6 - 10 May 1996, Oslo/Norwey, p.331 - 342. * |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2224337C1 (en) * | 2002-10-22 | 2004-02-20 | ООО "Салют Текнолоджис Вест" | Method and installation for manufacturing high- temperature fuel cell |
WO2004038843A1 (en) * | 2002-10-22 | 2004-05-06 | Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennostyu 'saliut Tekhnolodgies Vest' | Method for producing a high temperature fuel cell and device for carrying out said method |
WO2007069939A2 (en) * | 2005-12-16 | 2007-06-21 | Obshchestvo S Ogranichennoy Otvetstvennost'yu 'natsionalnaya Innovatsionnaya Kompaniya 'novye Energeticheskie Proekty' | Tubular element (variants) for electrochemical device batteries provided with a thin-layer solid electrolyte and a method for the production thereof |
WO2007069939A3 (en) * | 2005-12-16 | 2007-08-16 | Obshchestvo S Ogranichennoy Ot | Tubular element (variants) for electrochemical device batteries provided with a thin-layer solid electrolyte and a method for the production thereof |
WO2008133549A1 (en) * | 2007-04-27 | 2008-11-06 | Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennost'yu 'natsional'naya Innovatsionnaya Kompaniya 'novye Energeticheskie Proekty' | Cathode material for solid oxide fuel cells based on cobalt-containing perovskite-like oxides of transition metals |
RU2479893C2 (en) * | 2007-08-31 | 2013-04-20 | Данмаркс Текниске Университет | Ceramic anode structure (its versions) and its application |
RU2480863C2 (en) * | 2007-08-31 | 2013-04-27 | Данмаркс Текниске Университет | Ceramic-metal anode structure (its versions) and its application |
RU2480865C2 (en) * | 2007-08-31 | 2013-04-27 | Данмаркс Текниске Университет | Reversible solid oxide fuel element (its versions) |
RU2487441C1 (en) * | 2011-11-07 | 2013-07-10 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Chemical cell anode and method of making said anode |
RU2533555C2 (en) * | 2012-09-11 | 2014-11-20 | Аркадий Владимирович Луенков | Method for implementation of high-temperature fuel element with protonic plasma and internal reforming |
RU2542752C1 (en) * | 2014-02-11 | 2015-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Method of manufacturing porous cathode materials based on lanthanum strontium manganite |
WO2015152759A1 (en) * | 2014-04-04 | 2015-10-08 | Закрытое Акционерное Общество "Энергоэффективность" | Tubular sectional solid oxide thin-film high-temperature fuel cell |
RU2601436C1 (en) * | 2015-10-15 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Ceramic material for interconnectors of fuel elements and method for production thereof |
RU2737534C1 (en) * | 2020-05-22 | 2020-12-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Single tubular fuel cell with thin-layer proton electrolyte for direct conversion of hydrocarbon fuel in mixture with water vapor and / or carbon dioxide |
RU2777425C1 (en) * | 2021-08-02 | 2022-08-03 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» | Multifunctional base for a membrane electrode assembly of a solid oxide fuel cell |
RU2777335C1 (en) * | 2022-03-23 | 2022-08-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) | Solid oxide electrolyte material with proton conductivity based on barium-lanthanum indate |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TW548865B (en) | Hybrid thin film/thick film solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same | |
US6875532B2 (en) | Method for manufacturing a single high-temperature fuel cell and its components | |
US5143801A (en) | Solid oxide fuel cells, and air electrode and electrical interconnection materials therefor | |
US7709124B2 (en) | Direct hydrocarbon fuel cells | |
US6479178B2 (en) | Direct hydrocarbon fuel cells | |
US20040018298A1 (en) | Method for fabricating ceria-based solid oxide fuel cells | |
US20010041278A1 (en) | Solid oxide fuel cell having composition gradient between electrode and electrolyte | |
US10483550B2 (en) | High temperature solid oxide cell comprising diffusion barrier layer and method for manufacturing the same | |
Charojrochkul et al. | Cathode/electrolyte systems for solid oxide fuel cells fabricated using flame assisted vapour deposition technique | |
RU2125324C1 (en) | Method for producing single high-temperature fuel element and its components: cathode, electrolyte, anode, current duct, interface and insulating layers | |
US8337939B2 (en) | Method of processing a ceramic layer and related articles | |
JP6337146B2 (en) | Method for producing SOFC cathode diffusion barrier layer and SOFC | |
Kountouros et al. | Synthesis, forming and characterization of ceramic materials for the planar solid oxide fuel cell (SOFC) | |
US20080299436A1 (en) | Composite ceramic electrolyte structure and method of forming; and related articles | |
WO2015054065A1 (en) | Liquid phase modification of electrodes of solid oxide fuel cells | |
CN100508259C (en) | A kind of composite electrocatalytic material and preparation method thereof | |
Devi et al. | Solid oxide fuel cell materials: a review | |
JP2005503246A (en) | Oxide ion conductive ceramic membrane structure / microstructure, use to separate oxygen from air | |
US7482077B2 (en) | Direct hydrocarbon fuel cells | |
JPH103930A (en) | Method for producing fuel electrode of solid oxide fuel cell | |
US20080131750A1 (en) | Ceramic electrolyte structure and method of forming; and related articles | |
JP5550223B2 (en) | Ceramic electrolyte processing method and related products | |
KR101698210B1 (en) | Solid oxide electrolyte, solid oxide fuel cell containing solid oxide electrolyte, and preparation method thereof | |
KR101748553B1 (en) | Solid oxide electrolyte, solid oxide fuel cell containing solid oxide electrolyte, and preparation method thereof | |
JP2003288912A (en) | Solid oxide fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20100304 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110703 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20120727 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160703 |