Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLaInO4), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии. Материал представляет собой индат бария-лантана, допированный гадолинием, имеет состав: BaLa0.9Gd0.1InO4. Технический результат заключается в создании материала на основе индата бария-лантана, характеризующегося высокими значениями протонной проводимости при T < 450°C и pH2O = 2⋅10−2 атм. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно, к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLaInO4), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии.

Большинство известных материалов, характеризующихся протонной проводимостью в сочетании с низкой химической устойчивостью, обладают структурой перовскита или производной от нее. К таким материалам относится, например, материал протонпроводящего электролита на основе BaCeO3 [Ryu K.H., Haile S.M. Chemical stability and proton conductivity of doped BaCeO3-BaZrO3 solid solutions // Solid State Ionics. – 1999. V. 125, P. 355–367. https://doi.org/ 10.1016/S0167-2738(99)00196]. Данный материал обладает низкой химической устойчивостью к углекислому газу, что снижает его эффективность при работе в топливных элементах.

В качестве новых перспективных протонных проводников можно рассматривать химические соединения со структурой, отличной от структуры перовскита. В качестве таковых известен индат бария-лантана, характеризующийся блочно-слоевой структурой Раддлесдена-Поппера. Этот материал представляет собой протонный проводник при температуре ниже 450°C и влажности атмосферы pH2O = 2⋅10−2 атм, однако значения протонной проводимости для него сравнительно невысоки и при 450°C составляют 4.2⋅10−7 Ом−1⋅см−1.

Задача настоящего изобретения состоит в повышении протонной проводимости материала на основе индата бария-лантана, который может быть использован в качестве электролита в твердооксидном топливном элементе.

Для этого предложен твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана, представляющий собой индат бария-лантана, допированный гадолинием, имеющий состав: BaLa0.9Gd0.1InO4.

При введении катионов гадолиния в подрешетку лантана происходит расширение кристаллической решетки индата бария-лантана, что подтверждается увеличением параметров и объема кристаллической решетки, вследствие чего возрастают значения кислородно-ионной и протонной проводимости индата бария-лантана, допированного гадолинием.

Полученный индат бария-лантана, допированный гадолинием, характеризуется высокими значениями протонной проводимости с доминированием протонного транспорта при T < 450°C и pH2O = 2⋅10−2 атм, что является необходимыми условиями для применения материала в качестве электролита протонпроводящего топливного элемента.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в создании материала на основе индата бария-лантана, характеризующегося высокими значениями протонной проводимости при
T < 450°C и pH2O = 2⋅10−2 атм.

Изобретение иллюстрируется таблицей (см. в графической части), в которой представлены параметры и объем ячейки сложных оксидов BaLaInO4, BaLa0.9Gd0.1InO4, а также рисунками, где на фиг. 1 показана дифрактограмма образца материала BaLa0.9Gd0.1InO4; на фиг. 2 и 3 – температурные зависимости электропроводности образца материала BaLa0.9Gd0.1InO4 в сравнении с материалом BaLaInO4 в сухой (pH2O = 3.5⋅10−5 атм) и влажной (pH2O = 2⋅10−2 атм) атмосферах соответственно; на фиг. 4 – температурные зависимости протонной проводимости образца материала BaLa0.9Gd0.1InO4 в сравнении с материалом BaLaInO4.

Материал BaLa0.9Gd0.1InO4 получен методом твердофазного синтеза, известным из [Sumio Kato, Masataka Ogasawara, Mikio Sugai, Shinichi Nakata Synthesis and oxide ion conductivity of new layered perovskite La1-xSr1+xInO4-d // Solid State Ionics. – V. 148. – P. 53–57. doi:10.1016/S0167-2738(02)00138-8]. Проведен рентгенофазовый анализ образца материала BaLa0.9Gd0.1InO4 (Фиг. 1) на дифрактометре Bruker Advance D8 в СuКα-излучении при напряжении на трубке 40 кВ и токе 40 мА. Съемка производилась в интервале 2θ = 20°–80° с шагом 0.05°θ и экспозицией 1 секунда на точку. Анализ показал, что материал BaLa0.9Gd0.1InO4 является однофазными и характеризуется ромбической симметрией.

Методом импедансной спектроскопии на приборе Impendancemeter Elins Z-1000P определяли электропроводность полученного материала BaLa0.9Gd0.1InO4, (в температурном диапазоне от 300°C до 900°С, в частотном интервале 1 Гц÷1 МГц и в атмосферах воздуха (pO2 = 0.21 атм) и аргона (pO2 = 10–5 атм). Результаты измерения, показанные на фиг. 2 и 3, демонстрируют высокие значения электропроводности в исследуемом температурном интервале, которые для материала BaLa0.9Gd0.1InO4 выше, чем для материала BaLa2In2O7.

Значения протонной проводимости были получены, как разность значений электропроводности в атмосферах влажного и сухого аргона при одинаковой температуре. Из температурной зависимости протонной проводимости материалов BaLa0.9Gd0.1InO4 и BaLaInO4, представленных на фиг. 4, видно, что при 450°C величина протонной проводимости материала BaLa0.9Gd0.1InO4 составляет 1.0⋅10−5 Ом−1⋅см−1, а материала BaLaInO4 – 4.2⋅10−7 Ом−1⋅см−1.

Таким образом, получен новый протонпроводящий материал на основе индата бария-лантана, и который потенциально может быть применен в качестве материала электролита протонпроводящего твердооксидного элемента.

Твердооксидный электролитный материал с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана, представляющий собой индат бария-лантана, допированный гадолинием, имеющий состав: BaLa0.9Gd0.1InO4.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLaInO4), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии.

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно, к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLa2In2O7), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии.

Изобретение относится к области электрофоретического осаждения слоя твердого электролита на непроводящую пористую подложку и может быть использовано для изготовления твердооксидных топливных элементов с тонкопленочным электролитом. Способ включает синтез проводящего слоя полипиррола на поверхности непроводящей подложки и электрофоретическое осаждение слоя твердого электролита на непроводящую подложку с проводящим слоем полипиррола.

Группа изобретений относится к теплообменнику (1) для системы (100) топливных элементов, в частности, работающей на жидком топливе, к применению такого теплообменника (1) и системы (100) топливных элементов, к способу их работы. Через теплообменник (1) может передаваться термическая энергия между трубопроводом (3) отработанного газа системы и трубопроводом (4) подачи на анод указанной системы (100) топливных элементов, имеющего область (5) испарения, область (6) перегрева и область (7) риформинга, которые соединены по потоку друг с другом, при этом теплопередающие элементы (2) по меньшей мере частично включают в себя каталитический материал на той стороне, через которую предусмотрена возможность протекания отработанного газа системы.

Изобретение относится к производству материалов для электрохимических устройств, а именно к твердооксидным электролитным материалам с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLa2In2O7), которые могут быть использованы в качестве материала электролита в протонпроводящих твердооксидных топливных элементах, используемых для получения электроэнергии.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к элементам электрохимических устройств для получения электроэнергии, и может быть использовано для создания твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Способ изготовления трубчатого ТОТЭ заключается в том, что на сформированную путем экструзии с фазовой инверсией трубчатую основу анодного электрода с пористой градиентной структурой осуществляют нанесение, по меньшей мере, слоя электролита, после чего производят одновременное спекание трубчатой основы анодного электрода с нанесенным слоем путем отжига.

Изобретение относится к способу получения недеформированных слоевых структур - полуэлементов, которые могут быть использованы в качестве основы твердооксидных электрохимических устройств, таких, например, как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) и электролизеры (ТОЭ). Способ включает формирование пленок из высушенной смеси порошка твердооксидного материала с органической связкой и высушенной смеси порошка твердооксидного материала с органической связкой и крахмалом, которые затем совместно прокатывают до получения структуры, содержащей плотный и пористый слои, при этом используют органическую связку на основе бутадиен-нитрильного каучука, а в качестве твердооксидного материала используют оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, полученную двухслойную структуру отжигают при температуре, 1500-1600°С, пористый слой отожженной структуры пропитывают раствором нитрата никеля с последующим обжигом при температуре 600°С, при этом пропитку и обжиг пористого слоя повторяют от 8 до 10 раз.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к высокотемпературным твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ) трубчатой геометрии с несущим анодным электродом и способу их изготовления. Повышение надежности микротрубчатых батарей ТОТЭ является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что единичные трубчатые ТОТЭ размещают в сквозных отверстиях опорной пластины, наносят припой в зоны размещения трубчатых ТОТЭ в отверстиях опорной пластины, после чего производят пайку, при этом припой изготовлен из электропроводящего материала, имеющего температуру плавления выше рабочей температуры ТОТЭ и коэффициент термического расширения (КТР), близкий к КТР материалов опорной пластины и электродов ТОТЭ.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к модульной системе (1) топливных элементов, в частности модульной SOFC-системе, включающей в себя несколько модулей (2) для предоставления электрической энергии, при этом каждый модуль (2) имеет холодный бокс (9) и горячий бокс (10); источник (3) воздуха и трубопровод (4) подачи воздуха, при этом модули (2) через трубопровод (4) подачи воздуха соединены с источником (3) воздуха; источник (5) топлива и трубопровод (6) подачи топлива, при этом модули (2) через трубопровод (6) подачи топлива соединены с источником (5) топлива; и по меньшей мере одно устройство (7) управления.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электролитному материалу твердооксидных топливных элементов с протонной проводимостью на основе индата бария-лантана (BaLa2In2O7). Повышение протонной проводимости электролита и повышение эффективности выработки электроэнергии тведооксидным топливным элементом с таким электролитом является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что предложенный материал представляет собой индат бария-лантана, допированный стронцием состава BaLa2−хSrхIn2O7−0.5х, где х = 0.1-0.2.
Наверх