Трубчатый топливный элемент с металлической опорой - RU2005104416A

Реферат

1. Трубчатая твердооксидная сборка топливного элемента, которая содержит

(a) трубчатый главным образом металлический пористый опорный слой и

(b) трубчатый узел функционального слоя в концентрическом граничном контакте с опорным слоем, имеющий толщину стенки меньше или равную 80 мкм, и который содержит в концентрическом расположении керамический или керметный слой внутреннего электрода, керамический средний слой электролита и керамический или керметный слой внешнего электрода;

в которой опорный слой имеет механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать узел функционального слоя, и пористость, достаточную для того, чтобы позволить потоку реагента протекать через него.

2. Сборка топливного элемента по п.1, в которой толщина стенки узла функционального слоя меньше или равна 65 мкм, а диаметр меньше или равен 5 мм.

3. Сборка топливного элемента по п.2, в которой диаметр узла функционального слоя меньше или равен 2 мм.

4. Сборка топливного элемента по п.2, в которой толщина стенки узла функционального слоя меньше или равна 20 мкм.

5. Сборка топливного элемента по п.1, в которой композиция электролита главным образом содержит материал, выбранный из группы, в которую входят стабилизированный диоксидом иттрия диоксид циркония и СеО₂, легированный Gd₂О₃.

6. Сборка топливного элемента по п.5, в которой композиция электролита содержит стабилизированный диоксидом иттрия диоксид циркония и слой электролита имеет толщину меньше или равную 5 мкм.

7. Сборка топливного элемента по п.5, в которой композиция электролита содержит СеО₂, легированный Gd₂О₃, и имеет толщину меньше или равную 15 мкм.

8. Сборка топливного элемента по п.5, в которой композиция электролита содержит по меньшей мере одну спекающую добавку, выбранную из группы, в которую входят оксид кобальта; оксид кобальта и оксид железа; оксид кобальта и оксид меди; оксид кобальта, оксид меди и оксид железа; кобальт и железо; кобальт и медь; кобальт, медь и железо; оксид висмута; керамические сверхпроводники на базе висмута (Bi-Sr-Ca-Cu-О) и Bi-Sr-Ca-Cu-O.

9. Сборка топливного элемента по п.1, в которой опорный слой имеет толщину от 20 до 500 мкм.

10. Сборка топливного элемента по п.9, в которой композиция опорного слоя главным образом состоит из материала, выбранного из группы, в которую входят нержавеющая сталь, ферритная сталь, сплав серебра с никелем и супер-сплав, медь, никель, сплавы меди, сплавы никеля, смесь медь-никель, кермет медь/керамика, кермет сплав меди/керамика, кермет медь-никель/керамика, медь-серебро и медь-никель-серебро.

11. Сборка топливного элемента по п.1, в которой слой внутреннего электрода представляет собой анод и имеет толщину от 1 до 20 мкм.

12. Сборка топливного элемента по п.1, в которой слой внешнего электрода представляет собой катод и имеет толщину от 1 до 30 мкм.

13. Батарея топливных элементов, которая содержит

(a) множество сборок топливных элементов по п.1 и

(b) сплошную твердофазную пористую матрицу, в которую внедрены топливные элементы, имеющую пористость, достаточную для протекания реагента через нее к внешней поверхности внедренных топливных элементов.

14. Сборка топливного элемента по п.1, в которой опорный слой и узел функционального слоя находятся в механическом и электрическом контакте, а опорный слой имеет электропроводность достаточную для накопления тока во время работы топливного элемента.

15. Сборка топливного элемента по п.1, в которой опорный слой расположен внутри узла функционального слоя и находится в контакте со слоем внутреннего электрода.

16. Сборка топливного элемента по п.1, в которой узел функционального слоя расположен внутри опорного слоя, а опорный слой находится в контакте со слоем внешнего электрода.

17. Способ изготовления трубчатой твердооксидной сборки топливного элемента, который включает в себя следующие операции:

(a) покрытие трубчатого главным образом металлического опорного слоя керамическим или керметным слоем внутреннего электрода;

(b) покрытие слоя внутреннего электрода слоем керамического электролита;

(c) покрытие слоя электролита керамическим или керметным слоем внешнего электрода; а затем

(d) спекание слоев, чтобы получить полый трубчатый топливный элемент с металлической опорой; причем слои электродов и электролита имеют общую толщину стенки 80 мкм или меньше, при этом опорный слой имеет механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать слои электродов и электролита, и пористость, достаточную для протекания через него реагента.

18. Способ по п.17, в котором слой внутреннего электрода наносят на опорный слой при помощи технологии, выбранной из группы, в которую входят электрофоретическое осаждение, нанесение покрытия погружением и напыление.

19. Способ по п.17, в котором слой электролита наносят на слой внутреннего электрода при помощи технологии, выбранный из группы, в которую входят электрофоретическое осаждение, нанесение покрытия погружением, золь-гелевое нанесение покрытия и напыление.

20. Способ по п.17, в котором металлический опорный слой содержит выгорающие добавки, выгорающие в операции (d), в результате чего получают пористый металлический опорный слой.

21. Способ по п.17, в котором по меньшей мере один из электродных слоев содержит выгорающие добавки, выгорающие в операции (d), в результате чего получают электродный слой с повышенной пористостью.

22. Способ по п.17, который дополнительно включает в себя между операциями (a) и (b) сушку и спекание слоя внутреннего электрода и опорных слоев ранее нанесения слоев электролита и внешнего электрода.

23. Способ по п.17, который дополнительно включает в себя между операциями (b) и (с) сушку и спекание слоя внутреннего электрода и слоя электролита ранее нанесения слоя внешнего электрода.

24. Способ изготовления трубчатого твердооксидного топливного элемента, который включает в себя следующие операции:

(a) покрытие горючего непроводящего элемента подложки проводящим слоем подложки;

(b) покрытие слоя подложки слоем внутреннего электрода при помощи электрофоретического осаждения;

(c) покрытие слоя внутреннего электрода слоем электролита;

(d) покрытие слоя электролита слоем внешнего электрода, а затем

(e) сушка и спекание слоев таким образом, что элемент подложки выгорает, в результате чего получают полый трубчатый топливный элемент.

25. Способ по п.24, который дополнительно включает в себя между операциями (c) и (d) сушку и спекание покрытой подложки таким образом, что элемент подложки выгорает ранее нанесения слоя внешнего электрода.

26. Способ по п.24, в котором композиция элемента подложки содержит материал, выбранный из группы, в которую входят дерево, полимер, бумага, джутовые волокна и полимерные волокна/нити.

27. Способ по п.24, в котором композиция слоя проводящей подложки содержит материал, выбранный из группы, в которую входят металл, углерод, графит и проводящие полимеры.

28. Способ по п.27, в котором слой проводящей подложки главным образом содержит негорючий металл и выгорающую добавку и в котором достаточное количество проводящего материала слоя подложки наносят для того, чтобы получить слой проводящей подложки с механической прочностью, достаточной для того, чтобы поддерживать слои электрода и электролита во время работы топливного элемента, и в котором во время спекания выгорает выгорающая добавка, в результате чего получают пористый металлический опорный слой.

29. Способ по п.28, в котором металл выбирают из группы, в которую входят нержавеющая сталь, ферритная сталь, суперсплав, Cu, Ni, сплавы меди, сплавы никеля, смесь Cu-Ni, кермет Cu (или сплав Cu)/керамика, кермет Cu-Ni/керамика, Cu-Ag и Cu-Ni-Ag.

30. Способ по п.24, в котором слой проводящей подложки является горючим и выгорает во время спекания.

31. Способ по п.30, в котором между операциями (а) и (b) слой проводящей подложки покрывают главным образом металлическим опорным слоем при помощи электрофоретического осаждения, причем металлический опорный слой имеет механическую прочность, достаточную для того, чтобы поддерживать слои электрода и электролита во время работы топливного элемента, и пористость, достаточную для того, чтобы поток реагента мог протекать через него.

32. Способ по п.30, который дополнительно включает в себя операцию покрытия слоя внешнего электрода главным образом металлическим опорным слоем, чтобы получить пористый главным образом металлический опорный слой, имеющий достаточную механическую прочность для того, чтобы поддерживать слои электрода и электролита во время работы топливного элемента, и достаточную пористость для того, чтобы поток реагента мог протекать через него.

33. Способ по п.30, в котором достаточное количество материала электрода наносят для того, чтобы получить поддерживаемый электродом топливный элемент.

34. Способ по пп.31 или 32, в котором слои электрода и электролита совместно имеют толщину меньше или равную 80 мкм, а опорный слой имеет толщину от 20 до 500 мкм

35. Способ по п.24, в котором материал слоя подложки является главным образом металлическим и между операциями (а) и (b) покрытый элемент подложки сушат и обжигают, так что элемент подложки выгорает, а затем оставшемуся слою металлической подложки придают заданную форму.

36. Способ по п.24, в котором в операции (а) подложку покрывают полимерным связующим раствором ранее нанесения слоя проводящей подложки, чтобы повысить гладкость и понизить пористость поверхности подложки.