МЕМБРАНА ТВЕРДОГО ЭЛЕКТРОЛИТА ДЛЯ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к области изготовления мембран твердого электролита и может найти применения при изготовлении мембранно-электродных блоков (МЭБ) твердооксидных топливных элементов.
2-
Мембрана твердого электролита - основной элемент МЭБ ТОТЭ электролит-поддерживающей конструкции. При работе ТОТЭ от катода к аноду через нее диффундируют анионы кислорода O. По этой причине мембрана должна обладать высокой анионной проводимостью. Помимо этого, при использовании электролит-поддерживающей конструкции мембрана твердого электролита несет на себе основные механические нагрузки и обладает максимальной толщиной. По этой причине она должна обладать высокой механической прочностью для того, чтобы избежать появления трещин и разломов при нанесении электродов, их спекании, а также при работе МЭБ.
2
3
2
Известное устройство-аналог описано в патенте ЕР 1146583 A1 опубликован 17.10.2001, заявлен 21.03.2001. Устройство представляет собой мембрану твердого электролита, изготовленную из материала анионного проводника CGO (GdO-CeO).
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении механической прочности мембраны при сохранении высокой проводимости по анионам.
2
2
3
2
3
2
2
3
Для достижения указанного технического результата мембрана твердого электролита для твердооксидного топливного элемента из проводника с проводимостью по анионам дополнена двумя внешними слоями со структурой состоящей из зерен размером меньше 2 мкм, дающей повышенную пористость, при этом в качестве проводника с проводимостью по анионам основных слоев используется материал на основе оксида циркония 10Sc1YSZ (89 мол. % ZrO+10 мол. % ScO+1 мол. % YO), а в качестве дополнительных внешних слоев используется материал на основе оксида циркония 6ScSZ (94 мол. % ZrO+6 мол. % ScO).
Внутренний слой мембраны состоит из проводника с проводимостью по анионам на основе оксида циркония одного состава, а дополнительные внешние слои с повышенной пористостью имеют иной состав.
Отличительным признаком предлагаемых мембран твердого электролита для твердооксидных топливных элементов является наличие двух внешних слоев, обеспечивающих механическую прочность мембраны при сохранении достаточного значения анионной проводимости.
Благодаря наличию этого признака мембрана твердого электролита обладает повышенной механической прочностью при сохранении достаточного значения анионной проводимости.
Схема мембраны твердого электролита показана на фиг. 1. Внутренний слой (1) формируется из материала с проводимостью по анионам, обладающего высоким значением анионной проводимости. Данный слой является газоплотным и имеет максимальную толщину из слоев. Для обеспечения газоплотности внутренний слой изготавливается из зерен большого размера. Внешние слои (2) изготавливаются из материала с проводимостью по анионам, обладающего достаточной анионной проводимостью. Помимо анионной проводимости на материал для этих слоев накладывается требование высокой механической прочности. Внешние слои могут быть пористыми для обеспечения механической прочности мембраны. Микропоры требуются для остановки распространения трещин, которые могут возникать в слоях. Для обеспечения пористости слой формируется из зерен меньшего размера.
2
2
3
2
3
Пример материала для изготовления внутреннего слоя - проводник с анионной проводимостью на основе оксида циркония 10Sc1YSZ (89 мол. % ZrO+10 мол. % ScO+1 мол. % YO). Данный состав обладает высоким значением анионной проводимости, а также достаточным значением механической прочности.
2
2
3
Пример материала для внешних слоев - 6ScSZ (94 мол. % ZrO+6 мол. % ScO). Данный материал обладает достаточно высоким значением анионной проводимости (примерно в 3 раза ниже, чем 10Sc1YSZ в области рабочих температур ТОТЭ). Основным преимуществом данного материала является та особенность, что даже при высоких температурах спекания он сохраняет структуру, состоящую из зерен размером меньше 2 мкм, что приводит к тому, что зародыши микротрещин останавливаются на границах зерен и порах между ними.
Зависимости проводимости составов 10Sc1YSZ и 6ScSZ от температуры представлены на фиг. 2. Микроструктура материала 6ScSZ, спеченного при высокой температуре показана на фиг. 3.