СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАНЕСЕНИЯ НИЗКООМНОГО КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ НА КОНТАКТНЫЕ СЛОИ БИПОЛЯРНОЙ ПЛАСТИНЫ В КАТОДНОЙ ПОЛОСТИ ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2008 года по МПК H01M8/12 

Описание патента на изобретение RU2335830C1

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

Похожие патенты RU2335830C1

название год авторы номер документа
ЭЛЕКТРОД ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 1997
  • Маслов А.В.
  • Межерицкий Г.С.
  • Москалев Ю.И.
  • Прилежаева И.Н.
  • Резвых И.Н.
  • Храмушин Н.И.
RU2128385C1
ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 1997
  • Маслов А.В.
  • Межерицкий Г.С.
  • Москалев Ю.И.
  • Прилежаева И.Н.
  • Резвых И.А.
  • Храмушин Н.И.
RU2128384C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СЛОЕВ 2000
  • Межерицкий Г.С.
  • Колпаков Е.Е.
  • Москалев Ю.И.
  • Прилежаева И.Н.
  • Резвых И.А.
  • Рубцов В.И.
  • Соловьев Н.П.
  • Храмушин Н.И.
RU2197558C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 2009
  • Сочугов Николай Семенович
  • Ковшаров Николай Федорович
  • Соловьев Андрей Александрович
  • Шипилова Анна Викторовна
RU2401483C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЯЧЕЙКИ ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА НА НЕСУЩЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ 2014
  • Лу-Фу Александр Викторович
  • Маслов Алексей Станиславович
  • Бубенчиков Михаил Алексеевич
  • Тюрин Юрий Иванович
  • Соловьев Андрей Александрович
  • Кирдяшкин Александр Иванович
  • Ионов Игорь Вячеславович
  • Ковальчук Анастасия Николаевна
  • Шипилова Анна Викторовна
  • Сёмкина Людмила Иосифовна
RU2571824C1
ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2000
  • Межерицкий Г.С.
  • Колпаков Е.Е.
  • Москалев Ю.И.
  • Прилежаева И.Н.
  • Резвых И.А.
  • Рубцов В.И.
  • Соловьев Н.П.
  • Храмушин Н.И.
RU2197039C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ПОЛУЧЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ 2021
  • Левченко Егор Александрович
  • Сивцев Владислав Петрович
  • Попов Михаил Петрович
  • Гвоздков Илья Алексеевич
  • Науменко Егор Дмитриевич
  • Сивак Александр Владимирович
  • Тимербулатов Руслан Сергеевич
RU2781046C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОНТАКТНОГО СЛОЯ В ПЛАНАРНОМ ТВЕРДООКСИДНОМ ТОПЛИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ НА КАТОДНОЙ СТОРОНЕ БИПОЛЯРНОЙ ПЛАСТИНЫ 2007
  • Колесников Валентин Павлович
  • Москалев Юрий Иванович
  • Прилежаева Ирина Николаевна
  • Соловьев Николай Павлович
  • Храмушин Николай Иванович
RU2355073C1
ТРУБЧАТЫЙ ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОПОРОЙ, ЕГО ТРУБЧАТЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПОРИСТЫЙ ОПОРНЫЙ СЛОЙ И СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2007
  • Коржов Валерий Поликарпович
  • Бредихин Сергей Иванович
  • Кведер Виталий Владимирович
  • Карпов Михаил Иванович
  • Жохов Андрей Анатольевич
  • Севастьянов Владимир Владимирович
  • Никитин Сергей Васильевич
  • Лавриков Александр Сергеевич
RU2332754C1
Способ электрофоретического осаждения слоя твердого электролита на непроводящих подложках 2021
  • Калинина Елена Григорьевна
  • Пикалова Елена Юрьевна
RU2778334C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 335 830 C1

Реферат патента 2008 года 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.

Формула изобретения RU 2 335 830 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2335830C1

ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2000
  • Межерицкий Г.С.
  • Колпаков Е.Е.
  • Москалев Ю.И.
  • Прилежаева И.Н.
  • Резвых И.А.
  • Рубцов В.И.
  • Соловьев Н.П.
  • Храмушин Н.И.
RU2197039C2
US 5021304, 04.06.1991
US 5085742 А, 04.02.1992
US 5395704 А, 07.03.1995.

RU 2 335 830 C1

Авторы

Колпаков Евгений Евстафьевич

Низовцев Артем Александрович

Прилежаева Ирина Николаевна

Рубцов Владимир Иванович

Соловьев Николай Павлович

Храмушин Николай Иванович

Даты

2008-10-10Публикация

2007-05-10Подача