Электрод твердооксидного топливного элемента и способ его изготовления

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к высокотемпературным топливным элементам с твердым электролитом. Техническим результатом изобретения является повышение электрохимической активности электрода топливного элемента и эффективности получения электрической энергии. Согласно изобретению электрод твердооксидного топливного элемента, нанесенный на слой твердого электролита, состоит из частиц твердого электролита, имеющих смешанную или ионную проводимость, и пористых участков электропроводящего материала из кристаллических столбчатых структур электропроводящих материалов, контактирующих с частицами твердого электролита и поверхностью слоя твердого электролита через подслой электропроводящих кластеров, состоящих из не связанных между собой агломератов размером 0,5-5 мкм, занимающих от 40 до 80% поверхности твердого электролита, причем агломераты кластерного подслоя имеют смешанную электронно-ионную проводимость и нанесены магнетронным напылением одновременно с двух мишеней, состоящих из материала электрода с электронной проводимостью и материала твердого электролита с ионной проводимостью в соотношении по массе от 12:1 до 8:1. 2 н. и 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к высокотемпературным топливным элементам с твердым электролитом.

Известен электрод топливного элемента и способ его изготовления магнетронным напылением (патент США №5395704).

Известен также электрод из частиц твердого электролита, имеющих смешанную или ионную проводимость, и пористых участков электропроводящего материала, состоящих из распределенных по объему электрода кристаллических столбчатых структур электропроводящих материалов, контактирующих с частицами твердого электролита и поверхностью слоя твердого электролита через подслой электропроводящих кластеров, изготовленный способом магнетронного напыления, принятый за прототип (патент РФ №2128385).

Недостатками известных электродов является низкая электрохимическая активность электродов, связанная неразвитой трехфазной границей контакта твердого электролита, электрода и газовой фазы.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что подслой электропроводящих кластеров состоит из не связанных между собой агломератов размером 0,5-5 мкм и занимает от 40 до 80% поверхности твердого электролита, агломераты кластерного подслоя имеют смешанную электронно-ионную проводимость, и напыление кластерного подслоя проводят одновременно с двух мишеней, состоящих из материала электрода с электронной проводимостью и материала твердого электролита с ионной проводимостью в соотношении по массе от 12:1 до 8:1.

Пример 1. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 0,5 мкм, занимающего 40% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 12:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 200 мА/см² при поляризации 50 мВ.

Пример 2. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 5 мкм, занимающего 80% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 8:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 190 мА/см² при поляризации 50 мВ.

Пример 3. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 3 мкм, занимающего 70% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 10:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 230 мА/см² при поляризации 50 мВ.

Пример 4. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 10 мкм, занимающего 50% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 15:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 130 мА/см² при поляризации 50 мВ.

Пример 5. На поверхность твердого электролита на основе диоксида циркония нанесены магнетронным напылением агломераты кластерного подслоя размером 10 мкм, занимающего 95% поверхности твердого электролита с использованием мишеней из никеля и диоксидциркониевого электролита, соотношение материалов мишеней по массе 5:1. Далее на образованный подслой нанесен электрод по способу прототипа. Достигнутое значение плотности тока при окислении водорода составляет 90 мА/см² при поляризации 50 мВ.

Таким образом, использование существенных признаков предлагаемого технического решения, а именно: подслой электропроводящих кластеров состоит из не связанных между собой агломератов размером 0,5-5 мкм и занимает от 40 до 80% поверхности твердого электролита, агломераты кластерного подслоя имеют смешанную электронно-ионную проводимость и напыление кластерного подслоя проводят одновременно с двух мишеней, состоящих из материала электрода с электронной проводимостью и материала твердого электролита с ионной проводимостью в соотношении по массе от 12:1 до 8:1, позволяет существенно улучшить электрохимические характеристики электрода топливного элемента.

1. Электрод твердооксидного топливного элемента, нанесенный на слой твердого электролита, состоящий из частиц твердого электролита, имеющих ионную проводимость, и пористых участков электропроводящего материала из кристаллических столбчатых структур электропроводящих материалов, контактирующих с частицами твердого электролита и поверхностью слоя твердого электролита через подслой электропроводящих кластеров, отличающийся тем, что подслой электропроводящих кластеров состоит из не связанных между собой агломератов размером 0,5-5 мкм и занимает от 40 до 80% поверхности твердого электролита.

2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что агломераты кластерного подслоя имеют смешанную электронно-ионную проводимость.

3. Способ изготовления электрода твердооксидного топливного элемента, заключающийся в магнетронном напылении электрода на твердый электролит, отличающийся тем, что напыление кластерного подслоя проводят одновременно с двух мишеней, состоящих из материала электрода с электронной проводимостью и материала твердого электролита с ионной проводимостью в соотношении по массе от 12:1 до 8:1.