ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ТВЕРДЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ Российский патент 1996 года по МПК H01M8/10 

Изобретение относится к электрохимическим устройствам, в частности к высокотемпературным топливным элементам с твердым оксидным электролитом.

Известна облегченная электрохимическая батарея, токоотвод которой изготовлен из порошка углерода или графита или волокон углерода и прядей афита (Патент США N 4960655, кл.5 Н 01 М 6/18, заявл. 27.01.89, опубл. 02.10.90). В токоотвод может быть вплетена металлическая сетка. Токоотвод может быть использован как для отрицательного, так и для положительного электрода, он позволяет снизить массу источника тока в целом, облегчить его изготовление.

Однако, известная батарея с токоотводом из графита или углерода не рассчитана на работу в условиях высоких температур (до 1000^oC), т.к. уже при температурах выше 750^oC токоотвод сгорает. Кроме того, материал токоотвода известной батареи по коэффициенту термического расширения (КТР) несовместим с твердым электролитом, являющимся составной частью электрохимического устройства.

Наиболее близким по технической сути (и достигаемому эффекту) к данному изобретению является топливный элемент с токоотводом от катода из железо-хромового сплава (Патент США N 3516865, кл. Н 01 M 27/04, заявл. 30.08.67, опубл. 23.06.79). Сплав содержит 15 85 хрома, причем в сплав, содержащий 45% хрома, добавляют иттрий, гафний, цирконий и торий всего до 2%
Известный сплав для изготовления токоотвода характеризуется высокой окалиностойкостью, обусловленной образованием поверхностного слоя оксида хрома, для предотвращения отслаивания которого в сплав до 2 мас. введены добавки иттрия, гафния, циркония или тория.

Известное и заявляемое электрохимические устройства объединяет то, что в них токоотводы изготовлены из металлического сплава, содержащего хром, железо и иттрий.

Недостатком известного устройства является то, что в нем токоотвод заявленного состава имеет коэффициент термического расширения (КТР), несколько отличный от КТР твердого электролита, являющегося составной частью электрохимического устройства, в температурном интервале 25 1000^oC, и в процессе работы оказывается невозможным добиться совместимости по КТР этих материалов в указанном диапазоне температур.

Кроме того, указанное устройство имеет достаточно высокое переходное сопротивление на границе: токоотвод/электрод и электрод/токоотвод, поскольку оксидная пленка обладает недостаточно хорошей проводимостью.

Изобретение направлено на обеспечение максимального приближения КТР металлического сплава для изготовления токоотвода к КТР твердого электролита в интервале температур 25 1000^oC и уменьшение переходного сопротивления на границе токоотвод/электрод при сохранении высокой окалиностойкости токоотвода.

Это достигается тем, что в топливном элементе с твердым электролитом токоотвод выполнен из металлического окалиностойкого сплава, включающего в себя железо, хром, редкоземельный элемент. Отличие состоит в том, что сплав дополнительно содержит рений или по крайней мере один из элементов группы платиновых металлов. При этом сплав характеризуется следующим соотношением компонентов, мас.

Хром 25 30
Редкоземельный элемент 0,1- 2,0
Рений или по крайней мере один из элементов группы платиновых металлов - 2,0 4,0
Железо Остальное
Добавки рения или по крайней мере одного из элементов группы платиновых металлов вводились для снижения значений КТР в интервале температур 25 - 1000^oC. Добавка элемента из группы редкоземельных металлов вводится для придания сплаву большей пластичности и окалиностойкости.

Для изготовления токоотвода электрохимического устройства с твердым электролитом состава 0,9 ZrO₂ + 0,1 Y₂O₃ были приготовлены составы сплавов с различными добавками. Каждая смесь выплавлялась отдельно в индукционной печи в атмосфере аргона. Измерения КТР проводились дилатометрическим методом в интервале температур от комнатной (25^oC) до 1000^oС. Результаты измерений коэффициентов термического расширения сплавов с добавками элемента из группы редкоземельных металлов или элемента из группы платиновых металлов представлены в таблице. Cредний коэффициент термического расширения твердого электролита состава 0,9 ZrO₂ + 0,1 Y₂O₃ (мол.) имеет величину 9,8•10^-6 o± 0,3.

Как видно из приведенных в таблице примеров, ближе всего по КТР к твердому электролиту подходит сплав состава (мас.): Сr 29; Re или один из элементов группы платиновых металлов (Оs, Ru) 2 4; Y 0,4; Fe остальное.

Полученные данные подтверждаются длительными испытаниями токоотводов топливных элементов с твердым электролитом из сплава заявленного состава с различным содержанием компонентов. Окисленные образцы сплавов состава 68,6 Fe + 29, 0 Сr + 0,4 Y + 2 Re; 66,6 Fe + 29,0 Cr + 0,4 Y + 4,0 Re; 68,6 Fe + 29,0 Cr + 0,4 Y + 2,0 OS в виде таблеток приклеивались с помощью высокотемпературного клея к керамической подложке из твердого электролита состава, (мол. ): 0,9 ZrO₂ + 0,1Y₂O₃ и выдерживались в печи при температуре 900^oC в течение 360 ч. В течение этого времени образцы сплавов не отслоились от подложки из твердого электролита. При этом слой окалины оставался тонким, плотным. То, что сплавы в течение длительного времени не отслоились от подложки подтверждает максимальное сближение КТР указанных материалов в интервале температур 25 1000^oC. В образцах, полученных подобным образом, переходные сопротивления на границе сплав - электрод и сплав твердый электролит весьма незначительны.

Токоотводы, выполненные из металлического сплава заявленного состава, обеспечивают длительную устойчивую работу топливных элементов с твердым электролитом. Кроме того, по своим эксплуатационным характеристикам металлический сплав заявленного состава может быть использован как наиболее перспективный конструкционный материал не только в качестве конечных токосъемников, но и для межэлементных соединений.

Использование: высокотемпературные топливные элементы и устройства на их основе. Сущность изобретения: топливный элемент с твердым электролитом содержит токоотвод из сплава, содержащего следующие компоненты (мас.%): хром 25,0 - 30,0; редкоземельный элемент 0,1 - 2,0; рений или один из элементов платиновой группы 2,0 - 4,0; железо остальное. Топливный элемент обладает повышенным ресурсом и улучшенными электрическими характеристиками. 1 табл.

Топливный элемент с твердым электролитом, в котором токоотвод выполнен из металлического окалиностойкого сплава, включающего в себя железо, хром и редкоземельный элемент, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит или рений, или один из элементов группы платиновых металлов и характеризуется следующим соотношением компонентов, мас.

Хром 25,0 30,0
Редкоземельный элемент 0,1 2,0
Рений или один из элементов группы платиновых металлов 2,0 4,0
Железо Остальное.