активный электрод для высокотемпературных электрохимических устройств с твердым электролитом
Классы МПК: | H01M8/10 топливные элементы с твердым электролитом H01M8/12 работающие при высокой температуре, например со стабилизированным электролитом ZrO2 |
Автор(ы): | Богданович Н.М., Неуймин А.Д., Кожевина Е.В., Власов А.Н., Кузьмин Б.В., Костарева В.В. |
Патентообладатель(и): | Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-11-16 публикация патента:
20.05.1997 |
Использование: электроды (катод и анод) для различных электрохимических устройствах, в частности высокотемпературных топливных элементов, электролизеров и концентраторов кислорода. Сущность изобретения: активный электрод для высокотемпературных электрохимических устройств с твердым электролитом содержит основу и добавку твердого электролита состава Bi2O3 - Y2O3 или смесь электролитов Bi2O3 - Y2O3 и ZrO2 - Sc2O3, или смесь Bi2O3 - Y2O3 и ZrO2 - Y2O3 в количестве 3 - 20 мас.%. В качестве основы, представляющей собой соединение типа перовскита с электронной проводимостью, служат хромиты, манганиты или кобальтиты состава Lnx Ca1-x Me1-y MyO3 или Lnx Sr1-x Me1-y MyO3, где Ln - La, Nd, Sm, Gd; Me-Cr, Mn, Co; M-Mg, Cu, Co, Mn, Cr; 0,5
x
0,2; 0,1
y
0. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Рисунок 1




Формула изобретения
1. Активный электрод для высокотемпературных электрохимических устройств с твердым электролитом, выполненный на основе соединения перовскитного типа с электронной проводимостью, отличающийся тем, что в качестве добавки взят электролит состава Bi2O3 Y2O3 или смесь электролитов Bi2O3 Y2O3 и ZrO2 - Sc2O3 или Bi2O3 Y2O3 и ZrO3 Y2O3 в количестве 3-20 мас. 2. Электрод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве основы взяты хромиты или манганиты или кобальтиты состава LnxCa1-xMe1-y MyO3 или LnxSr1-x Me1-yMyO3, где Ln La, Nd, Sm, Gd; Me-Cr, Mn, Co; M-Mg, Cu, Co, Mn, Cr; 0,5



Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области высокотемпературной электрохимии и может быть использовано в качестве электродов (катода и зонда) для твердых электролитов при их эксплуатации в окислительной среде в различных электрохимических устройствах, в частности в высокотемпературных топливных элементах, электролизерах и концентраторах кислорода, а также в кислородных датчиках различного назначения. Электроды на основе хромитов редкоземельных элементов (РЭЭ) могут эксплуатироваться в восстановительной среде. Сегодняшний уровень исследований и технологических разработок в качестве материалов электродов высокотемпературных электрохимических устройство взамен дорогостоящей платины предлагает кобальтиты, манганиты и хромиты РЭЭ с частичным замещением РЭЭ на щелочноземельные элементы Sr или Ca (Пальгуев С. Ф. Гильдерман В.К. Земцов В.И. Высокотемпературные оксидные электронные проводники для электрохимических устройств. М. Наука, 1990). Каждый из вышеуказанных материалов имеет свои преимущества, что позволяет удовлетворить требования, предъявляемые к конкретному электрохимическому устройству. Так, например, если коэффициент термического расширения (КТР) хромитов РЭЭ для множества составов практически идеально совпадает с КТР электролитной подложки из стабилизированного диоксида циркония и такие электроды могут работать как в окислительной, так и в восстановительной среде, то электрохимическая активность и электропроводность их наиболее низкая в ряду; кобальтиты, манганиты, хромиты (Takeda Y. Kanno R. Noda M. Tomida Y. Yamomoto O. 11.J.Electrochem. Soc.1987. Vol. 134,N11. P.2656-2661). Однако потери энергии и на более электропроводных и электрохимически активных электродах тоже довольно существенны и составляют не менее 50% от общих потерь в высокотемпературном электрохимическом устройстве (Stell B.C.H. Development and application of ceramic electrocemical react ors. II Conference on Ceremics in Energy Applications; Sheffild, 1990. P 173-182). Известен анод высокотемпературных топливных батарей на основе никеля, содержащий также добавку до 50 процентов по массе порошка электролита состава ZrO2-Y2O3. (T.Kawada, N. Sakai, H.Yokokawa, W.Dokiya, Characteristics of Slurry-Coated Nickei Zirconia Cermet Anodes for Solid Oxide Fuel Cells. II J.Electrochem. Soc. 1990. Vol. 137, N10. P.3042-3047). Использование анодов известного состава позволяет повысить термомеханическую устойчивость электродов за счет приближения КТР электрода к КТР электролита. Однако при этом электрод характеризуется высокой температурой формирования и может быть использован только в восстановительных средах. Общим для известного и заявляемого электродов является наличие в его составе материалов как с электронной, так и с ионной проводимостью соответственно основы и добавки. Причем в качестве одной из частей добавки в заявленном электроде также может быть использован твердый электролит состава ZrO2-Y2O3. Ближайшим аналогом по технической сущности к заявляемому решению является способ изготовления кислородных электродов (заявка ФРГ N 3611291, кл. H 01 M 4/88, опубл. 15.10.87). Электрод, изготовленный по известному способу, содержит основу, представляющую собой материал с электронной проводимостью (манганиты лантана-стронция или лантана-кальция), и добавку твердых электролитов, имеющую ионную проводимость (CeO2, ZrO2-CaO, ZrO2-Y2O3, ZrO2-Yb2O3, ZrO2-CeO2, ZrO2-MgO). Предложенное в заявке решение предполагает увеличение срока службы для электролизных элементов с твердым электролитом, но конкретных примеров не приводится. Рассматриваемый в описании пример свидетельствует только о достаточно высокой для манганитов температуре формирования электрода 1250oC, что очевидно при введении твердых растворов на основе тугоплавких оксидов. Нами воспроизведен один из составов заявки (90% La0,6Sr0,4MnO3 + 10% ZrO2-Y2O3). Температура формирования электрода также 1250oC. Электропроводность электрода по сравнению с составом без добавки порошка твердого электролита (сформирован также при 1250oC) снизилась при 900oC с 36 Ом-1






Измеряется электропроводность электрода 4- зондовым методом из постоянного тока при температуре 1000oC на воздухе. Она составляет 2,58 Ом-1

Класс H01M8/10 топливные элементы с твердым электролитом
Класс H01M8/12 работающие при высокой температуре, например со стабилизированным электролитом ZrO2