Способ низкотемпературного нанесения низкоомного каталитически активного покрытия на контактные слои биполярной пластины в катодной полости твердооксидного топливного элемента

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ) с рабочими температурами 500-750°С. Согласно изобретению на упругие элементы высокочастотным магнетронным напылением наносят покрытие из каталитически активных и обладающих высокой электрической проводимостью керметов YSZ+Pt+V или YSZ+Ag. Высокочастотное магнетронное напыление кермета YSZ+Pt+V производят в смеси инертного газа и кислорода с углом наклона упругих элементов к оси пучка на 60° при непрерывном вращении упругих элементов вокруг оси разряда в одном направлении, а высокочастотное магнетронное напыление кермета YSZ+Ag проводят в инертном газе. Положение упругих элементов при напылении фиксируют точечной сваркой. Техническим результатом является повышение выходных характеристик и ресурса средне- и низкотемпературных ТОТЭ. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ) с рабочими температурами 500-750°С

В настоящее время широко разрабатывается ТОТЭ с рабочими температурами 500-750°С, где применение сталей в качестве конструкционных элементов в ТОТЭ на несущей биполярной пластине делает актуальной проблему разработки контактных слоев на сталях, снижающих контактные сопротивления разъемных контактов в катодной полости батарей ТОТЭ. Проведение процесса нанесения контактных слоев необходимо осуществлять в условиях низких температур без окисления поверхностей пластин.

Предшествующий уровень техники

Известен метод нанесения на поверхность нержавеющей стали пористого слоя LSCF (феррито-кобальтит лантана-стронция) методом электрофореза (Zhitomirsky I., Petric A. Electrophoretic deposition of ceramic materials for fuel cell application. // Joum. Europ.Cer. Soc. 20 (2000) 2055). Недостаток этого метода связан с тем, что пока не удается достигнуть уровня температур спекания менее 1200°С, что недопустимо для ТОТЭ с рабочими температурами 500-750°С

Из известны способов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ нанесения функциональных слоев методом магнетронного напыления (патент РФ № 2197039 С2, кл. Н01М 8/12, 2003). Указанный способ нанесения функциональных слоев не обеспечивает повышение каталитической активности катодов, так нанесенные слои не содержат катализаторов процесса восстановления адсорбированного кислорода.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является разработка способа низкотемпературного нанесения каталитически активных контактных покрытий на упругие элементы биполярной пластины в катодной области ТОТЭ, повышающих скорость восстановления кислорода на катоде.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе, на упругие элементы биполярной пластины в катодной области ТОТЭ методом высокочастотного магнетронного напыления наносят покрытие из каталитически активных и обладающих высокой электрической проводимостью керметов. Способ позволяет получить слои керметных соединений с частицами наноразмеров (1-10 нм) из устойчивых к окислению металлов и с ультрадисперсными частицами с размерами (10-100 нм), взаимодействующих с кислородом. Температура подложки при нанесении покрытия составляет не более 300°С, что предотвращает окисление поверхностей подложки.

Целесообразно, чтобы в качестве кермета был взят YSZ+Pt+V или кермет YSZ+Ag. Указанные керметы обладают низким удельным сопротивлением, составляющим при температуре 800°С ˜ 0.04 Ом/см², что способствует повышению выходных электрических характеристик ТОТЭ.

Целесообразно, чтобы высокочастотное магнетронное напыление керметов YSZ+Pt+V или YSZ+Ag проводили в смеси инертного газа и кислорода или в инертном газе соответственно при угле наклона упругих элементов биполярной пластины к оси разрядного пучка 60° при непрерывном вращении упругих элементов вокруг оси разрядного пучка в одном направлении.

Целесообразно, чтобы положение упругих элементов было фиксировано точечной сваркой. Крепление упругих элементов при нанесении покрытия обеспечивает заданный угол напыления кермета. Предлагаемый способ позволяет повысить выходные характеристики и ресурс средне- и низкотемпературных ТОТЭ.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения.

Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием примера конкретного реализации способа.

Перечень чертежей.

На фиг.1 Представлена схема процесса нанесения покрытия на биполярную пластину методом магнетронного распыления металлических мишений, где

1 - постоянный магнит, 2 - мишень 3 - анод, α - угол между осью разрядного пучка и плоскостью подложки.

На фиг.2 - схема элемента катодной коммутации, где 1 - биполярная пластина, 2 - пружина, 3 - токосъем, 4 - деформируемый контактный слой.

Пример осуществления способа.

На пластину из стали 15Х28 методом высокочастотного реактивного магнетронного распыления в газовой среде смеси инертного газа и кислорода наносили кермет YSZ+Pt+V при угле наклона образца α=60° и непрерывном его вращении вокруг оси разряда в одном направлении. Толщина наносимых слоев кермета YSZ+Pt+V сотавляла ˜2 мкм. Элементный состав определялся методом XPS: О - 30 ат.%, Zr - 13 ат.%, Y - 6 ат.%, Pt+V - 51 ат.%. Как показали проведенные измерения, при поверхностной концентрации Pt 40-54 ат.% удельное объемное электрическое сопротивление кермета близко к сопротивлению металлической платины. Натурные испытания контактных сопротивлений между слоями кермета и сталью 15Х28 на рабочем участке, моделирующем биполярную пластину и катод ТОТЭ, продемонстрировали стабильность контактов. Их омическое сопротивление при 800°С составило ˜0.04 Ом/см².

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный способ нанесения покрытия может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию промышленная применимость

1. Способ низкотемпературного нанесения низкоомного каталитически активного покрытия на контактные слои биполярной пластины в катодной полости твердооксидного топливного элемента, включающий магнетронное напыление функциональных слоев, отличающийся тем, что магнетронным напылением наносят покрытие из каталитически активных и обладающих высокой электрической проводимостью керметов на упругие элементы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кермета взят YSZ+Pt+V.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кермета взят YSZ+Ag.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что высокочастотное магнетронное напыление кермета YSZ+Pt+V производят в смеси инертного газа и кислорода с углом наклона упругих элементов к оси пучка на 60° при непрерывном вращении упругих элементов вокруг оси разряда в одном направлении.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что высокочастотное магнетронное напыление кермета YSZ+Ag проводят в инертном газе с углом наклона упругих элементов к оси пучка на 60° при непрерывном вращении упругих элементов вокруг оси разряда в одном направлении.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что фиксацию положения упругих элементов осуществляют точечной сваркой.