Электродный материал для высокотемпературных электрохимических устройств и способ его изготовления

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам различного назначения. Техническим результатом изобретения является увеличение электропроводности и электрохимической активности электродного материала. Согласно изобретению электродный материал содержит диоксид циркония, оксид металла, выбранный из группы, содержащей оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смесь, и добавку оксида металла, содержащую в своем составе смесь оксидов двух- и четырехвалентного урана, отвечающую формуле UO_2-x, где х=0,2÷0,4, при следующем соотношении ингредиентов: смесь оксидов урана 0,2÷2 масс.%, диоксид циркония 2÷10 масс.%, оксид металла - остальное. Способ изготовления указанного электродного материала из исходных компонентов, содержащих соединения кобальта, циркония и металла из группы: кальций, магний, редкоземельные элементы или их смесь, обжиг и помол порошка, спекание порошка, дополнительно включает предварительное спекание материала при температуре от 900 до 1250°С в нейтральной или окислительной атмосфере, затем проводится помол полученного материала с добавлением в него смеси оксидов урана и вторичное спекание при температуре 1100-1550°С. 2 н. и 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам различного назначения: топливным элементам, кислородным насосам, электролизерам воды и других кислородсодержащим газам, а также датчикам для газоанализаторов кислородсодержащих газов.

Известен электродный материал, содержащий диоксид циркония, оксид металла, выбранный из группы, содержащей оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смесь, и добавку оксида металла (патент США №4052532).

Известен также электродный материал, содержащий диоксид циркония, оксид металла, выбранный из группы, содержащей оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смесь, и добавку оксида кобальта (патент РФ №2050642), выбранный за прототип.

Известные электродные материалы обладают недостаточной электропроводностью и электрохимической активностью, что затрудняет их применение в качестве электродных материалов для топливных элементов и электролизеров.

Предлагаемый электродный материал содержит в своем составе дополнительно смесь оксидов двух- и четырехвалентного урана, отвечающую формуле UO_2-x, где х=0,2-0,4, при следующем соотношении ингредиентов: смесь оксидов урана 0,2-2 мас.%, диоксид циркония 2-10 мас.%, оксид металла - остальное.

Способ изготовления предлагаемого электродного материала отличается от известного по патенту РФ №2050642 тем, что спекание материала производится предварительно при температуре от 900 до 1250°С в нейтральной или окислительной атмосфере, затем проводится помол полученного материала с добавлением в него смеси оксидов урана и вторичное спекание при температуре 1100-1550°С.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что за счет введения в состав электродного материала смеси оксидов урана увеличивает электропроводность и электрохимическую активность электродного материала.

Пример 1. Приготовленный известным способом электродный материал, содержащий оксиды металлов и диоксид циркония в количестве 2 мас.%, размалывают в мельнице до микронной фракции с добавлением оксидов урана состава UO₁,₈ 0,2 мас.% и проводят вторичное спекание при температуре 1100°С. Из полученного материала приготовляют электрод и проводят его испытания на восстановление и окисление кислорода, а также измерение электропроводности. Полученные значения поляризационных сопротивлений находятся в диапазоне 0,05-0,10 Ом/см², а электросопротивление 0,001-0,003 Ом·см.

Пример 2. Приготовленный известным способом электродный материал, содержащий оксиды металлов и диоксид циркония в количестве 10 мас.%, размалывают в мельнице до микронной фракции с добавлением оксидов урана состава UO_1,6 2 мас.% и проводят вторичное спекание при температуре 1550°С. Из полученного материала приготовляют электрод и проводят его испытания на восстановление и окисление кислорода, а также измерение электропроводности. Полученные значения поляризационных сопротивлений находятся в диапазоне 0,03-0,07 Ом/см², а электросопротивление 0,0015-0,005 Ом·см.

Пример 3. Приготовленный известным способом электродный материал, содержащий оксиды металлов и диоксид циркония в количестве 1 мас.%, размалывают в мельнице до микронной фракции с добавлением оксидов урана состава UO_1,5 4 мас.% и проводят вторичное спекание при температуре 1300°С. Из полученного материала приготовляют электрод и проводят его испытания на восстановление и окисление кислорода, а также измерение электропроводности. Полученные значения поляризационных сопротивлений находятся в диапазоне 0,08-0,15 Ом/см², а электросопротивление 0,003-0,01 Ом·см.

Пример 4. Приготовленный известным способом электродный материал, содержащий оксиды металлов и диоксид циркония в количестве 12 мас.%, размалывают в мельнице до микронной фракции с добавлением оксидов урана состава UO_1,9 4 мас.% и проводят вторичное спекание при температуре 1300°С. Из полученного материала приготовляют электрод и проводят его испытания на восстановление и окисление кислорода, а также измерение электропроводности. Полученные значения поляризационных сопротивлений находятся в диапазоне 0,1-0,2 Ом/см², а электросопротивление 0,005-0,015 Ом·см.

Из приведенных в примерах данных следует, что наилучшие результаты по электрохимической активности и электросопротивлению имеют электродные составы в заявленном диапазоне изменения состава и температуры вторичного спекания, а именно: смесь оксидов урана 0,2-2 мас.%, диоксид циркония 2-10 мас.%, оксид металла остальное, при этом смесь оксидов урана отвечает формуле UO_2-x, где х - 0,2-0,4, а вторичное спекание проводят при температуре 1100-1550°С.

1. Электродный материал для высокотемпературных электрохимических устройств, содержащий диоксид циркония, оксид металла, выбранный из группы, содержащей оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смесь, и добавку оксида металла, отличающийся тем, что в качестве добавки оксида металла использована смесь оксидов двухвалентного и четырехвалентного урана при следующем соотношении ингредиентов: смесь оксидов урана 0,2÷2 мас.%, диоксид циркония 2÷10 мас.%, оксид металла - остальное.

2. Электродный материал по п.1, отличающийся тем, что смесь оксидов урана отвечает формуле UO_2-x, где х=0,2÷0,4.

3. Способ изготовления электродного материала для высокотемпературных электрохимических устройств исходных компонентов, содержащих соединения кобальта, циркония и металла из группы: кальций, магний, редкоземельные элементы, или их смесь, обжиг и помол порошка, спекание порошка, отличающийся тем, что спекание материала производится предварительно при температуре от 900 до 1250°С в нейтральной или окислительной атмосфере, затем проводится помол полученного материала с добавлением в него смеси оксидов урана и вторичное спекание при температуре 1100÷1550°С.