Твердый электролит на основе сложных оксидов висмута в системе cao-bi2o3-fe2o3 и способ их получения

Группа изобретений относится к неорганической химии, а именно к твердым электролитам с проводимостью по ионам кислорода. Твердый электролит на основе сложных оксидов висмута в системе СаО-Bi2O3-Fe2O3 содержит, мол.%: СаО - 4-26, Bi2O3 - 45-80, Fe2O3 - 0-40 мол.%. Способ получения твердого электролита характеризуется тем, что синтез образцов осуществляют твердофазным методом, для чего смесь карбоната кальция СаСО3, оксида висмута Bi2O3 и оксида железа Fe2O3, взятых в соотношениях, соответствующих синтезируемому составу, гомогенизируют в планетарной мельнице в течение 15 мин при скорости 350 об/мин, после чего шихту прессуют в таблетки под давлением около 10 МПа и обжигают в две стадии на воздухе в корундовых тиглях при 650 и 750°С - в течение 6 часов при каждой температуре, с промежуточным перетиранием между обжигами для гомогенизации взаимодействующих реагентов. Группа изобретений позволяет синтезировать новые керамические материалы, проводимость которых имеет смешанный кислород-электронный характер с возможностью варьирования соотношения ее составляющих, что делает полученные материалы перспективными во многих отраслях техники. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к твердым электролитам с проводимостью по ионам кислорода, и может быть использовано в качестве элементов электрохимических приборов и устройств, например, в твердо-оксидных топливных элементах, электролизерах для получения особо чистых газов (кислород, водород), электрохимических сенсорах на кислород и т.д.

Поиск и разработка принципов направленного синтеза новых функциональных материалов, обладающих ценными для практических приложений свойствами, являются одной из актуальных задач современного материаловедения. Соединения на основе оксида Bi2O3 занимают особое место среди полифункциональных материалов. Целый ряд соединений на основе висмута показывают хорошие значения кислородно-ионной проводимости, особенно при допировании различными элементами. Таким образом, задача по созданию, модифицированию и исследованию особенностей состава, способов получения и физико-химических характеристик сложнооксидных висмутсодержащих электролитов является весьма актуальной как для фундаментальной науки, так и для практических целей в плане создания научно обоснованного подхода проектирования и производства новых материалов и устройств.

Изучение характера фазовых равновесий в многокомпонентных системах и установления корреляционных зависимостей «состав-структура-свойство» является основой поиска новых материалов и направленного синтеза веществ с заданными свойствами. Несмотря на то, что тройная система СаО - Bi2O3 - Fe2O3 в богатой висмутом области концентраций ранее не изучалась, исследование бинарных систем СаО - Bi2O3 и Bi2O3 - Fe2O3 выявило ряд соединений, обладающих ценными функциональными свойствами.

В частности, из проведенных ранее исследований известно, что оксид висмута образует с оксидами щелочноземельных металлов ромбоэдрические твердые растворы β-типа общей формулы (МеО)х(Bi2O3)1-х (Ме=Ва, Sr, Са). Данные твердые растворы обладают высокой кислород-ионной проводимостью (Takahashi Т., Iwahara Н., Nagai Y. "Higt oxide ion conduction in sintered Bi2O3 containing SrO, CaO or La2O3" J. of Applied Electrochemistry. 1972. V. 2. p. 97-104). Это определяет повышенный интерес к изучению систем, содержащих оксид висмута, как для фундаментальной науки, так и с практической точки зрения и объясняет выбор объектов настоящего исследования, находящихся в кристаллическом состоянии. Однако до сих пор не найдены висмутсодержащие оксидные материалы, обладающие одновременно хорошей стабильностью и высокой кислородной проводимостью.

Еще одним соединением, имеющим высокую практическую значимость, является феррит висмута - BiFeO3. Данное соединение проявляет магнитоэлектрические свойства с достаточно высокими температурами фазовых переходов (температура сегнетоэлектрического перехода Те=1083К и магнитного TN=643К) и, следовательно, обладает магнитоэлектрическим эффектом при комнатной температуре, что обуславливает его возможное применение в спинтронике (Веневцев Ю.И., Гагулин В.В., Любимов В.Н. Сегнетомагнетики // М.: Наука, 1982, 223 с.).

Спиновая электроника является новым направлением микроэлектроники, интенсивно развивающимся в последние годы. Материалы спинтроники должны обладать малой электропроводностью (диэлектрики), спиновым упорядочением при комнатной температуре и высокой скоростью спиновой волны, а также большим магнитоэлектрическим эффектом. Соединения, для которых характерно наличие хотя бы двух из трех типов упорядочения (механического, магнитного и сегнетоэлектрического), называют мультиферроиками, а обладающие одновременно спонтанными магнитным и сегнетоэлектрическим порядками - сегнетомагнетиками. Проявляя сегнетоэлектрическое и антиферромагнитное упорядочения при комнатной температуре, BiFeO3 является наиболее перспективным для практического применения мультиферроиком.

Интерес исследователей к классу материалов, которые называются мултиферроиками, обладающих одновременно как электрической поляризацией, так и магнитным упорядочением, в последнее время значительно вырос в связи с перспективами их применения в качестве рабочей среды в устройствах хранения и обработки информации. На основе феррита висмута BiFeO3, наиболее известного мультиферроика, проводится широкий поиск новых материалов с сегнетоэлектрическими свойствами и специфической электронной и магнитной структурами (Клындюк А.И., Чижова Е.А., Тугова Е.А. и др. "Синтез, структура и свойства Nd, Mn-замещенных твердых растворов мультиферроиков на основе перовскитного феррита висмута" Известия СПбГТИ(ТУ), 2015, №29, с. 3-9).

Известно также, что наличие примесных фаз вызывает в BiFeO3, в чистом виде являющимся диэлектриком, повышение электропроводности.

Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным изобретением признаков, известных из сведений, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения.

Известен твердый электролит на основе оксида висмута, который получают путем добавления к оксиду висмута (Bi2O3) от 6 до 20 мол. % одного или более из следующих оксидов: ВаО, СаО, SrO и La2O3. Полученную композицию смешивают, нагревают при температуре около 800-850°С и быстро охлаждают. Получаемый твердый раствор имеет ромбоэдрическую кристаллическую структуру, см. патент Японии №59 - 227727.

Известен композитный твердый электролит на основе фаз, кристаллизующихся в системе Bi2O3-ВаО-Fe2O3, который характеризуется тем, что он содержит, мол. %: Bi2O3 - 67-79, ВаО - 17-22, Fe2O3 - 2-16, см (патент РФ №2554952). Данный твердый электролит принят в качестве прототипа заявленного материала.

Для получения этого композитного твердого электролита на основе фаз, кристаллизующихся в системе Bi2O3-ВаО-Fe2O3, составляющие его компоненты смешивали с добавлением этилового спирта, полученную шихту прессовали в таблетки под давлением около 10 МПа и обжигали в печи на воздухе последовательно при 650°С и 750°С с выдержкой 24 ч при каждой температуре с промежуточными перетираниями.

Недостатком всех перечисленных выше твердых электролитов является либо их относительно невысокие электрофизические характеристики в средней области температур (300-600°С), либо наличие в данном температурном интервале фазовых переходов, зачастую сопровождаемых механическими деформациями электролита. Прототип также характеризуется немонотонным увеличением проводимости в зависимости от концентрации.

Задача изобретения заключается в синтезировании новых материалов, кристаллизующихся в системе СаО-Bi2O3-Fe2O3 с повышенной проводимостью по сравнению с прототипом и определении доли ионной и электронной проводимости полученной керамики.

Сущность заявляемого изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению твердый электролит на основе сложных оксидов висмута в системе CaO-Bi2O3-Fe2O3 характеризуется тем, что он содержит, мол. %: СаО - 4-26, Bi2O3 - 45-80, Fe2O3 - 0-40 мол. %.

Способ получения твердого электролита на основе сложных оксидов висмута в системе CaO-Bi2O3-Fe2O3, отличающийся тем, что синтез образцов осуществляют твердофазным методом, для чего смесь карбоната кальция СаСО3, оксида висмута Bi2O3 и оксида железа Fe2O3, взятых в соотношениях, соответствующих синтезируемому составу, гомогенизируют в планетарной мельнице в течение 15 минут при скорости 350 об/мин, после чего шихту прессуют в таблетки под давлением около 10 МПа и обжигают в две стадии на воздухе в корундовых тиглях при 650 и 750°С в течение 6 часов при каждой температуре, с промежуточным перетиранием между обжигами для гомогенизации взаимодействующих реагентов.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленной совокупности существенных признаков заявленного изобретения, заключается в обеспечении возможности синтезирования новых керамических материалов, проводимость которых имеет смешанный кислород-электронный характер с возможностью варьирования соотношения ее составляющих, что делает полученные материалы перспективными во многих отраслях техники.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана область концентрационного треугольника изучаемой системы с фигуративными точками, отвечающими синтезированным композициям, на фиг. 2 - результаты рентгенофазового анализа материалов, кристаллизующихся в разрезе (CaO)0.2578(Bi2O3)0.7422 - Fe2O3, при содержании Fe2O3, мол. %: 1) 8; 2) 16; 3) 25; 4) 30; 5) 35; 6) 40, на фиг. 3 - результаты рентгенофазового анализа материалов, кристаллизующихся в разрезе (СаО)0.2(Bi2O2)0.8 - BiFeO3, при содержании Fe2O3, мол. %: 1) 0; 2) 4; 3) 16; 4) 25; 5) 30; 6) 40, на фиг. 4 - микрофотографии синтезированных образцов, где А) в разрезе (СаО)0.2578(Bi2O3)0.7422 - Fe2O3 при содержании Fe2O3, мол. %: 1) 0; 2) 16; Б) (CaO)0.2(Bi2O3)0.8 - BiFeO3 при содержании Fe2O3, мол. %: 1) 0; 2) 35. 1 - BiFeO3; 2 - (CaO)0,26(Bi2O3)0,74; 3 - Bi25FeO40, на фиг. 5 - температурная зависимость электропроводности образцов в системе CaO-Bi2O3 - Fe2O3, кристаллизующихся в разрезах: А) (СаО)0.2(Bi2O3)0.8 - BiFeO3 при содержании Fe2O3, мол. %: 1) 0; 2) 5; 3) 8; 4) 12; 5) 16; 6) 25; 7) 30; 8) 35; 9) 40. Сравнение с литературными данными по хорошо изученным ионным проводникам: 10) (Bi2O3)0.8(Er2O3)0.2; 11) (ZrO2)0.9(Y2O3)0.1. Б) (CaO)0.2578(Bi2O3)0.7422 - Fe2O3 при содержании Fe2O3, мол. %: 1) 0; 2) 2; 3) 4; 4) 6; 5) 16; 6) 20; 7) 25; 8) 30; 9) 35; 10) 40. Сравнение с литературными данными по хорошо изученным ионным проводникам: 11) (Bi2O3)0.8(Er2O3)0.2; 12) (ZrO2)0.9(Y2O3)0.1, на фиг. 6 - зависимость электропроводности от концентрации Fe2O3 в изученных разрезах.

По окончании синтеза полученные таблетки подвергали физико-химическим исследованиям. Фазовый состав образцов определялся с помощью рентгенофазового анализа (РФА).

Определение удельной электропроводности поликристаллических образцов проводилось двухконтактным методом с помощью универсальной ячейки на переменном токе с помощью RLC метра РМ6306 (рабочее напряжение 0,1 В). Предварительно на торцевые поверхности цилиндрических таблеток наносились металлические контакты путем вжигания золотосодержащей проводниковой пасты при температуре 700°С (ППЗл производства ООО «Элма-Пасты»).

Перед помещением образца в ячейку для измерения электрических характеристик проводилось измерение геометрических параметров, проверка точности геометрической формы (образец должен иметь форму правильного цилиндра (D≤12 мм, L≤5-10 мм), не содержать трещин, сколов, расслаивания и т.д).

Для ряда синтезированных материалов была проведена оценка чисел переноса заряда по методу Веста-Таллана. Измерения проводились на постоянном токе (U=0,5 В) при температуре 400°С. Общая проводимость образца определялась в атмосфере воздуха. После этого в ячейку подавался инертный газ - аргон, измерение сопротивления образца производилось после достижения постоянного значения, соответствующего полной поляризации (т.е. соответствующей только электронной составляющей). Затем осуществлялся расчет чисел переноса.

Для определения микроструктуры полученных образцов применялась сканирующая (растровая) электронная микроскопия (СЭМ) аншлифа синтезированной керамики. Исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе Tescan MIRA 3 в режиме отраженных электронов (BSE). Изображение, полученное в режиме отраженных электронов, содержит информацию о составе - композиционный состав. Эмиссия отраженных электронов связана с зависимостью от порядкового номера химического элемента. Поэтому на плоской поверхности образца участок материала с более высоким средним порядковым номером атома на экране выглядит более светлым относительно других участков образца (т.к. участок материала с более высоким средним порядковым номером атома отражает большее количество электронов). Электронная микроскопия сопровождалась микрорентгеноспектральным анализом (МРСА).

В результате проведенных исследований и экспериментов было установлено следующее.

При содержании Fe2O3 до 2 мол. % в изученной области системы СаО-Bi2O3-Fe2O3 образуются фаза состава Bi25FeO40 и твердый раствор (СаО)х(Bi2O3)1-x. При увеличении содержания Fe2O3 до 4 мол. % появляется фаза BiFeO3, которая присутствует и в последующих образцах с содержанием Fe2O3 от 6 до 40 мол. % (фиг. 3-4). Причем при увеличении содержания Fe2O3 до 40 мол. % в образце фаза на основе структуры BiFeO3 носит преобладающий характер, также наблюдается присутствие следов фаз (СаО)х(Bi2O3)1-х (тв.р.) и Bi25FeO40. То есть по результатам РФА в исследуемых разрезах образуются смеси ромбоэдрического твердого раствора (CaO)x(Bi2O3)1-x, фазы со структурой типа силленита (Bi25FeO40) и твердого раствора на основе BiFeO3. При этом в разрезе (СаО)0.2578(Bi2O3)0.7422 - Fe2O3 при увеличении содержания Fe2O3 в основном повышается концентрация фазы BiFeO3. Содержание же силленита Bi25FeO40 в композитах данного разреза невелико, оно достигает максимума (~20 масс. %) при содержании оксида железа х=0,2, а при дальнейшем повышении - падает. При х=0,4 преобладающий характер носит BiFeO3 (тв.р.), однако в керамике сохраняется присутствие следов ромбоэдрической фазы (CaO)х(Bi2O3)1-х (тв.р.). В разрезе (СаО)0.2(Bi2O3)0.8 - BiFeO3 по мере увеличения содержания железа растет концентрация двух фаз Bi25FeO40 и BiFeO3 (тв.р.) и при х≥0,35 по результатам РФА присутствия ромбоэдрической фазы не наблюдается.

Методом СЭМ и МРСА отдельных областей керамики также была проведена идентификация образцов. На фиг. 5 представлены микрофотографии образцов разных составов. Видно, что при содержании Fe2O3 16 мол. % в разрезе (СаО)0.2578(Bi2O3)0.7422 - Fe2O3 фаза на основе BiFeO3 присутствует в виде отдельных зерен, а твердый раствор (СаО)х(Bi2O3)1-х носит преобладающий характер. В разрезе (CaO)0.2(Bi2O3)0.8 - BiFeO3 при содержании Fe2O3 40 мол. % фаза со структурой BiFeO3 является доминирующей, также наблюдается присутствие следов остальных фаз. Стоит отметить, что результаты электронной микроскопии хорошо согласуются с результатами рентгенофазового анализа.

Электропроводность полученных композитных материалов с увеличением содержания Fe2O3 в изученных частных разрезах монотонно увеличивается (фиг. 6). Например, проводимость образца (CaO)0,1547(Bi2O3)0,4453(Fe2O3)0,4 при 500°С на два порядка выше, чем проводимость исходного твердого раствора (σ=5,62⋅10-4 См/см) и составляет 5.6⋅10-2 См/см.

На фиг. 6 видно, что электропроводность керамических материалов, кристаллизующихся в исследуемых частных разрезах при содержании Fe2O3 до х=0,3, соизмерима, а в диапазоне от 0,3 до 0,4 наблюдается ее стабилизация в разрезе (СаО)0.2578(Bi2O3)0.7422 - Fe2O3, тогда как в (СаО)0.2(Bi2O3)0.8 - BiFeO3 она продолжает увеличиваться.

В результате использования заявленного изобретения могут быть получены новые композиционные твердые электролиты, кристаллизующиеся в системе CaO-Bi2O3-Fe2O3, состоящие из следующих фаз: Bi25FeO40, твердый раствор (CaO)×(Bi2O3)1-x и твердый раствор на основе BiFeO3.

Проводимость синтезированных композитов с увеличением содержания Fe2O3 монотонно увеличивается. Например, проводимость образца №10 при 500°С (σ=5.6⋅10-2 См/см) примерно на два порядка выше, чем проводимость исходного твердого раствора (σ=5.62⋅10-4 См/см), и сравнима с хорошо изученными ионными проводниками (ZrO2)0.9(Y2O3)0.1 и (Bi2O3)0.8(Er2O3)0,2.

Проводимость полученных материалов имеет смешанный кислород-электронный характер (по результатам метода Веста - Таллана). В ходе измерений было замечено, что при увеличении содержании Fe2O3 до 40 мол. % в разрезе (СаО)0.2578(Bi2O3)0.7422 - Fe2O3 наблюдалось небольшое увеличение ионной доли проводимости от 87,4% для исходного состава, до 90,2% при 40 мол. % Fe2O3. Во втором разрезе доля кислородной проводимости падает от 94,6% до 78% соответственно.

1. Твердый электролит на основе сложных оксидов висмута в системе CaO-Bi2O3-Fe2O3, отличающийся тем, что они содержат, мол. %: СаО - 4-26, Bi2O3 - 45-80, Fe2O3 - 0-40 мол. %.

2. Способ получения твердого электролита на основе сложных оксидов висмута в системе CaO-Bi2O3-Fe2O3, отличающийся тем, что синтез образцов осуществляют твердофазным методом, для чего смесь карбоната кальция СаСО3, оксида висмута Bi2O3 и оксида железа Fe2O3, взятых в соотношениях, соответствующих синтезируемому составу, гомогенизируют в планетарной мельнице в течение 15 минут при скорости 350 об/мин, после чего шихту прессуют в таблетки под давлением около 10 МПа и обжигают в две стадии на воздухе в корундовых тиглях при 650 и 750°C в течение 6 часов при каждой температуре, с промежуточным перетиранием между обжигами для гомогенизации взаимодействующих реагентов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ), а именно к керамическому материалу. Керамический материал для интерконнекторов топливных элементов представляет собой твердый раствор на основе оксида индия с легирующей добавкой при следующем соотношении компонентов, мол.

Резервный электрический генератор (1) с батареей топливных ПОМ-элементов, включающий в себя: батарею (2) топливных элементов, образованную множеством уложенных стопкой топливных ПОМ-элементов (3), электрически соединенных последовательно, для подачи электрической энергии на электрическую нагрузку; прибор (4) контроля напряжения элемента для измерения напряжения, выдаваемого каждым топливным элементом (3); блок (5) регулирования и преобразования электрической энергии, подсоединенный между батареей (2) топливных элементов и электрической нагрузкой; нагнетатель (6) для подачи количества воздуха, необходимого для химических реакций, которые происходят в топливных элементах (3); рециркулятор (7) водорода для рециркуляции водорода между выпуском и впуском батареи (2) топливных элементов; устройство (8) продувки водорода для осуществления первичной продувки водорода при меньшем расходе и вторичной продувки водорода при большем расходе; и контроллер (11), запрограммированный для управления работой электрического генератора (1) по-разному при запуске, при останове и во время его нормальной работы.

Изобретение может быть использовано в электротехнике и энергетике при изготовлении электродов, литиевых батарей и суперконденсаторов для систем аккумулирования энергии.

Изобретение относится к электроду для топливного элемента, который содержит углеродные нанотрубки; катализатор для топливного элемента, нанесенный на углеродные нанотрубки; и иономер, обеспеченный так, чтобы покрывать углеродные нанотрубки и катализатор для топливного элемента, причем, если длина углеродных нанотрубок обозначена как La [мкм], а шаг между центрами углеродных нанотрубок обозначен как Ра [нм], то длина La и шаг Ра между центрами удовлетворяют двум выражениям, приведенным ниже: 30≤La≤240; и 0,351×La+75≤Ра≤250.

Изобретение относится к электроду для топливного элемента, который содержит углеродные нанотрубки; катализатор для топливного элемента, нанесенный на углеродные нанотрубки; и иономер, обеспеченный так, чтобы покрывать углеродные нанотрубки и катализатор для топливного элемента, причем, если длина углеродных нанотрубок обозначена как La [мкм], а шаг между центрами углеродных нанотрубок обозначен как Ра [нм], то длина La и шаг Ра между центрами удовлетворяют двум выражениям, приведенным ниже: 30≤La≤240; и 0,351×La+75≤Ра≤250.

Заявленное изобретение относится к системе и способу повышения общей производительности топливного элемента, преимущественно твердооксидного топливного элемента, при одновременном отделении почти чистого потока СО2 для изоляции или использования при выработке электроэнергии для дополнительного увеличения общей эффективности процесса.

Изобретение относится к способу защиты от окисления биполярных пластин топливных элементов и коллекторов тока электролизеров с твердым полимерным электролитом (ТПЭ), заключающемуся в предварительной обработке металлической подложки, нанесении на обработанную металлическую подложку электропроводного покрытия благородных металлов методом магнетронно-ионного напыления.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к батареи трубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которая включает в себя по меньшей мере два узла трубчатых твердооксидных топливных элементов, по меньшей мере один общий токоотвод и держатель для удержания секции узлов топливного элемента и общего токоотвода в соединении с ними с точной посадкой, при этом коэффициент термического расширения держателя меньше или равен коэффициенту термического расширения узлов топливных элементов.

Изобретение относится к полимерным мембранам для низко- или высокотемпературных полимерных топливных элементов. Протонопроводящая полимерная мембрана на основе полиэлектролитного комплекса, состоящего из: а) азотсодержащего полимера, такого как поли-(4-винилпиридин) и его производные, полученные посредством алкилирования, поли-(2-винилпиридин) и его производные, полученные посредством алкилирования, полиэтиленимин, поли-(2-диметиламино)этилметакрилат)метил хлорид, поли-(2-диметиламино)этилметакрилат)метил бромид, поли-(диаллилдиметиламмоний) хлорид, поли-(диаллилдиметиламмоний) бромид, б) Нафиона или другого нафионподобного полимера, выбранного из группы, включающей Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta и ионообменные смолы, содержащие карбоксильные и сульфоновые группы; в) жидкой смеси, включающей растворитель, выбранный из группы, включающей метанол, этиловый спирт, н-пропиловый спирт, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, изобутиловый спирт, трет-бутиловый спирт, формамиды, ацетамиды, диметилсульфоксид, N-метилпирроллидон, а также дистиллированную воду и их смеси; в которой молярное отношение азотсодержащего полимера к Нафиону или нафионподобному полимеру находится в пределах 10-0,001.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к получению оксидной пленки электролита толщиной, соизмеримой с размером пор материала электрода, более простым и технологичным, а также более экономичным способом, чем ионно-плазменный.

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам (ЭХУ) с твердым оксидным электролитом, таким как электрохимические генераторы или топливные элементы, кислородные насосы, электролизеры, конвертеры, а именно к конструкции трубчатого элемента с тонкослойным несущим твердым электролитом с газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями. Техническим результатом изобретения является улучшение технологичности изготовления твердооксидного элемента, снижение массогабаритных характеристик и повышение электрических и ресурсных характеристик топливного элемента. Предложенный трубчатый топливный элемент с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями выполнен с монолитными торцевыми утолщениями, которые имеют плавный переход к электролиту, причем снижение толщины несущего твердого электролита достигается за счет торцевых утолщений и/или каркаса в рабочей зоне, а также за счет увеличения толщины одного или обоих токовых электродных коллекторов. Цилиндрическая или слабоконусная труба несущего электролита выполнена из керамики со средним размером кристаллитов менее 500 нм, имеет толщину стенки меньше 0,3 мм с торцевыми утолщениями толщиной до 0,5 мм и тонкослойные 15-20 мкм электроды, расположенные на боковой поверхности электролита в промежутке между торцевыми утолщениями. Способ изготовления трубчатого элемента включает использование наноразмерных порошков твердого электролита, микроразмерных и наноразмерных порошков электродных материалов и интерфейсных слоев, приготовленных в виде пленок с полимерным связующим, из которых формируют многослойную заготовку элемента путем намотки пленок на стержень, производят ламинирование слоев заготовки, например, магнитно-импульсным способом и, по меньшей мере, двухстадийно спекают совместно при температурах ниже 1300°С. 8 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к способам прямого преобразования химической энергии топлив в электрическую и устройствам для их осуществления. Электрохимическая твердотельная топливная ячейка включает корпус 1, газожидкостной тракт 2, электроды 3, которые могут быть выполнены из активированного угля или углеволокна, или пористого графита и пропитаны 20-60% водным раствором гетерополикислоты 2-18 ряда H6[P2W18O62], обжаты с двух сторон перфорированными металлическими пластинами 4 из нержавеющей стали или хрома, или никеля, или меди с диаметром перфорации отверстий 0,5-10 мм, которые в свою очередь могут быть выполнены по бокам корпуса, выполненного из инертного диэлектрического материала, перфорация выполнена таким образом, чтобы отверстия в корпусе были напротив отверстий в металлических перфорированных пластинах электродов. Два электрода размещают в корпусе напротив друг друга с зазором 5-100 мм, через который проходит газовый тракт 2 для подачи и отвода жидкости или газа. К металлическим пластинам электродов 4 прикрепляют электрические выводы 5 и 6, образующие комбинированный анод и комбинированный катод. Изобретение позволяет расширить диапазон используемых типов топлив как жидких, так и газообразных; высокий КПД ячейки; увеличение срока службы работы; простоту в изготовлении и в техобслуживании. 1 ил.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановому листу, который может быть использован для изготовления сепараторов топливных элементов. Титановый лист для сепаратора топливного элемента содержит основу листа из титана или титанового сплава с рекристаллизованной структурой, поверхностный слой и пассивирующий слой. Поверхностный слой содержит титановую матрицу твердого раствора кислорода (O), углерода (C) и азота (N) в титане и соединения титана с по меньшей мере одним из элементов, выбранных из кислорода (O), углерода (C) и азота (N), имеет толщину менее 1 мкм, а пассивирующий слой расположен на поверхностном слое и имеет толщину менее 5 нм. Титановый лист обеспечивает низкое контактное сопротивление. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 ил.
Предложена композитная металлическая фольга, в которой поверхность титановой фольги или фольги из титанового сплава покрыта электропроводящим слоем, при этом в композитной металлической фольге выполнена электропроводящая пленка, в которой TiO диспергируется в оксидной пленке и относительное содержание TiO [ITiO/(ITi+ITiO)], вычисленное по максимальной интенсивности дифракционных пиков TiO (ITiO) и максимальной интенсивности дифракционных пиков металлического титана (ITi) в числе рентгеновских дифракционных пиков поверхности титановой фольги или фольги из титанового сплава составляет 0,5% или более, образуется на поверхности титановой фольги или фольги из титанового сплава, причем электропроводящий слой пленки содержит в мас.%, частицы серебра, у которых средний размер частиц составляет не менее чем 10 нм и не более чем 500 нм от 20% до 90%, диспергирующее вещество от 0,2% до 1,0% и составляющий остальную массу акриловый полимер или эпоксидный полимер, и указанный слой имеет толщину от 5 до 50 мкм. Повышение коррозионной стойкости сепаратора, а также сопротивления к усталости от периодической нагрузки, является техническим результатом изобретения. Кроме того, указанный сепаратор имеет низкое контактное сопротивление. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 13 табл.

Изобретение относится к топливному элементу. Топливный элемент образуется путем наслоения множества блоков выработки электроэнергии. Блок выработки электроэнергии включает в себя: газодиффузионную мембранно-электродную пластинчатую сборку, уплотнительную часть, расположенную вдоль ее внешней периферии, проточную часть из пористого тела, в которой протекает окисляющий газ, подаваемый к каталитическому слою стороны катода, защитную перегородку, находящуюся между уплотнительной частью и проточной частью из пористого тела, и первую и вторую разделительные пластины, выполненные с возможностью помещения между ними газодиффузионной мембранно-электродной пластинчатой сборки и проточной части из пористого тела. Защитная перегородка, проточная часть из пористого тела и первая разделительная пластина, соприкасающаяся с проточной частью из пористого тела, выступают в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, ограниченный уплотнительной частью. Изобретение позволяет ограничить обратный поток воды из выпускного коллектора в проточную часть. 4 з.п. ф-лы, 13ил.

Изобретение относится к получению тонкопленочного твердого электролита в виде газоплотной пленки оксида. На подложку из материала электрода наносят суспензию, приготовленную из раствора 1-8 мас.% оксидообразующих солей в этаноле и порошка–прекурсора, который получают путем термообработки раствора 1-8 мас.% оксидообразующих солей в этаноле при 550°С до образования порошка, при этом порошок–прекурсор вводят в раствор оксидообразующих солей в этаноле в соотношении 1 г порошка на 20-60 мл спиртового раствора, суспензию нагревают со скоростью не более 50°C/ч в интервале температур от комнатной до температуры полного разложения компонентов нанесенной на подложку суспензии, полученный после разложения компонентов слой подвергают термообработке при температуре от 1000 до 1200°C со скоростью нагрева 300°С/ч. Изобретение позволяет просто и экономично получить тонкие беспористые пленки оксидов, нанесенные на пористый электродный материал. 5 ил.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титансодержащему материалу, и может быть использовано для изготовления сепаратора топливной ячейки. Титансодержащий материал для сепаратора топливной ячейки содержит титановый основной материал, состоящий из титана или титанового сплава и содержащий гидрид титана слой на титановом основном материале и оксид титана слой на упомянутом содержащем гидрид титана слое. Доля в композиции гидрида титана [ITi-H/(ITi+ITi-H)] × 100, определенная из максимальной интенсивности пика рентгеновской дифракции металлического титана (ITi) и максимальной интенсивности пика рентгеновской дифракции гидрида титана (ITi-H), измеренных на поверхности титансодержащего материала при угле падения рентгеновских лучей к поверхности, равном 0,3°, составляет 55% или больше. При этом C содержится в количестве 10 ат.% или меньше, N - в количестве 1 ат.% или меньше и B - в количестве 1 ат.% или меньше в положении, в котором поверхность титансодержащего материала была подвергнута ионному распылению с аргоном на 5 нм. Слой оксида титана имеет толщину 3-10 нм. Обеспечивается высокая электропроводность контакта с углеродом и увеличивается долговечность титансодержащего материала. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 14 табл.

Изобретение относится к титановому материалу для сепаратора твердополимерного топливного элемента. Титановый материал содержит пластинчатую матрицу, выполненную из титана или титанового сплава и имеющую шероховатую поверхность, на которой сформированы мелкие выступы; поверхностную оксидную пленку покрытия, сформированную по шероховатой поверхности и содержащую один или более оксидов титана; и покрытие кончиков, сформированное на поверхностной оксидной пленке покрытия в областях, содержащих кончики мелких выступов, и содержащее один или более благородных металлов. Доля в составе TiO [ITiO/(ITi+ITiO)×100], определяемая по максимальной интенсивности ITiO дифракционных пиков TiO и максимальной интенсивности ITi дифракционных пиков металлического Ti на кривой интенсивности рентгеновской дифракции поверхностной оксидной пленки покрытия, больше или равна 0,5%. Изобретение позволяет поддерживать низкое сопротивление контакта с электродом и хорошую начальную эффективность выработки электричества. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх