Способ формирования контактного слоя в планарном твердооксидном топливном элементе на катодной стороне биполярной пластины
Владельцы патента RU 2355073:
Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") (RU)
Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ) с рабочими температурами 500-750°С. Согласно изобретению способ формирования контактного слоя в планарном ТОТЭ на катодной стороне биполярной пластины осуществляют путем нанесения покрытия из оксида металла, при этом слой формируют из оксида индия в процессе вывода ТОТЭ на мощность. Слой оксида индия формируют в потоке воздуха при температуре 200°С±5%, затем осуществляют термостабилизацию в течение 50÷60 минут и термоциклирование с скоростью 80÷100°С в диапазоне 450÷150°С с выдержкой на верхнем значении температуры в течение 60÷70 минут, а на нижнем значении температуры 30÷40 минут. Термоциклирование повторяют 3÷4 раза. Техническим результатом является технологически простой способ формирования контактных покрытий на катодной стороне биполярной пластины, обладающего низким контактным сопротивлением. 2 з.п. ф-лы.
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 контактного слоя LSCF (ферритокобальтит лантана-стронция) методом электрофореза и последующего спекания (Zhitomirsky I., Petric А. Electrophoretic deposition of ceramic materials for fuel cell application // Journ.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 известных способов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ формирования контактного слоя на катодной стороне биполярной пластины путем нанесения покрытия из оксида металла при термообработке в окислительной атмосфере при температуре 500-1150°С. Указанный способ формирования контактного слоя сложен технологически, а рабочая температура 1150°С недопустима для ТОТЭ с рабочими температурами 500-750°С.
Сущность изобретения
Техническим результатом изобретения является разработка простого технологически способа формирования контактных покрытий на катодной стороне биполярной пластины, обладающего низким контактным сопротивлением.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе формирования контактного слоя в планарном ТОТЭ на катодной стороне биполярной пластины путем нанесения покрытия из оксида металла, слой формируют из оксида индия в процессе вывода ТОТЭ на мощность. Формирование оксидного слоя в процессе вывода ТОТЭ на мощность упрощает технологию изготовления ТОТЭ, поскольку не требуется специальных технологических операций для формирования контактного слоя.
Целесообразно, чтобы слой оксида индия формировали в потоке воздуха при температуре 200°С±5%, затем осуществляли термостабилизацию в течение 50-60 минут и термоциклирование с скоростью 80-100°С в диапазоне 450-150°С с выдержкой на верхнем значении температуры в течение 60-70 минут, а на нижнем значении температуры 30-40 минут. Указанные параметры формирования контактного слоя обеспечивают получение оптимальных характеристик слоя в части его стойкости в катодной области, значения контактного сопротивления и адгезии к поверхности биполярной пластины.
Целесообразно, чтобы термоциклирование повторяли 3-4 раза.
3-4 цикла термоциклирования обеспечивают необходимую толщину пленки.
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 описанием примера конкретного реализации способа.
Пример осуществления способа
На биполярную пластину из стали 15X28 методом напыления наносили слой индия толщиной 50 мкм. Затем собирали пакет составляющих ТОТЭ, помещали его в печь и выводили на мощность при температуре 200°С, немного превышающей температуру плавления индия. И осуществляли термостабилизацию в течение 50 минут. Затем повышли температуру до 450°С и проводили термоциклирование в диапазоне температур 450-150°С. На верхнем пределе температуры выдерживали 60 минут, на нижнем 40 минут. Термоциклирование проводили три раза. Натурные испытания контактных сопротивлений между слоем оксида индия и сталью 15X28 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 контактного слоя может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию промышленная применимость
1. Способ формирования контактного слоя в планарном твердооксидном топливном элементе (ТОТЭ) на катодной стороне биполярной пластины путем нанесения покрытия из оксида металла, отличающийся тем, что слой формируют из оксида индия в процессе вывода ТОТЭ на мощность.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой оксида индия формируют в потоке воздуха при температуре 200°С±5%, затем осуществляют термостабилизацию в течение 50÷60 мин и термоциклирование со скоростью 80÷100°С в диапазоне 450÷150°С с выдержкой на верхнем значении температуры в течение 60÷70 мин, а на нижнем значении температуры - 30÷40 мин.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что термоциклирование повторяют 3÷4 раза.
