ТРУБЧАТЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА С ТОНКОСЛОЙНЫМ ТВЕРДООКСИДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

1. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, причем снижение толщины несущего твердого электролита достигается за счет торцевых утолщений и/или каркаса в рабочей зоне.
2. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, а 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 до 0,5 мм и тонкослойные электроды 15-20 мкм, расположенные на боковой поверхности электролита в промежутке между торцевыми утолщениями, включающие дополнительно интерфейсные и коллекторные слои.
3. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, а цилиндрическая или слабоконусная труба твердого электролита выполнена из керамики со средним размером кристаллитов менее 500 нм, имеет толщину стенки меньше 0,3 мм с торцевыми утолщениями до 0,5 мм и тонкослойные электроды 15-20 мкм, расположенные на боковой поверхности электролита в промежутке между торцевыми утолщениями, включающие дополнительно интерфейсные и коллекторные слои, и толщина трубы твердого электролита в рабочей части элемента снижена за счет увеличения толщины одного или обоих токовых электродных коллекторов.
4. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, а цилиндрическая или слабоконусная труба электролита выполнена из керамики со средним размером кристаллитов менее 500 нм и имеет в рабочей части элемента каркас с ячейками, имеющими форму N-угольника (например, треугольника, прямоугольника и т.д.), круга и др., в которых толщина электролита до нескольких раз меньше толщины стенки каркаса, и содержит функциональные по толщине газодиффузионные электроды, расположенные по всей боковой поверхности элемента в промежутке между торцевыми утолщениями.
5. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, а цилиндрическая или слабоконусная труба твердого электролита выполнена из тонко структурированной со средним размером кристаллитов менее 500 нм керамики:
y
1-y
x
1-x
2-δ
на основе диоксида циркония с общей формулой (AB)ZrO (А, В-Nd, Gd, Dy, Но, Y, Er, Tm, Yb, Lu, Sc, Ca, Mg и др.), где 0,05≤x≤0,20, 0≤y≤1;
x
1-x
2-δ
0,95-y
y
0,05
x
1-x
2-δ
на основе диоксида церия с общей формулой LnCeO или (LnSrBa)CeO (Ln-Sm, Gd, La), где 0,15≤x, у≤0,20, с кристаллической структурой типа флюорита;
1-x
x
1-y
y
3-δ
на основе галлата лантана с общей формулой (LaSr)(GaMg)O, где 0,12≤x≤0,20, 0,10≤y≤0,20, с перовскитоподобной кристаллической структурой, имеет толщину стенки меньше 0,3 мм с торцевыми утолщениями до 0,5 мм и тонкослойные электроды 15-20 мкм, расположенные на боковой поверхности электролита в промежутке между торцевыми утолщениями и выполненные из композиционных материалов со смешанной ионно-электронной проводимостью, один из которых устойчив в окислительной атмосфере, например, композит LSM-YSZ, другой - в восстановительной атмосфере, например, кермет Ni-YSZ, причем трубчатый элемент с электродами, анодом и катодом из вышеназванных материалов, один из которых расположен на внутренней или на внешней поверхности элемента, другой - на противоположной, позволяет использовать его в электрохимическом устройстве типа топливного элемента (электролизного элемента), а трубчатый элемент с обоими устойчивыми в окислительной среде электродами - в электрохимическом устройстве типа кислородного насоса, а трубчатый элемент с обоими устойчивыми в восстановительной среде электродами - в электрохимическом устройстве типа конвертера.
6. Трубчатый элемент электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющий торцевые утолщения, отличающийся тем, что торцевые утолщения выполнены монолитно с плавным переходом к электролиту, причем снижение толщины твердого электролита в рабочей зоне достигается за счет торцевых утолщений и/или каркаса, которые выполнены из материала дисперсионно-упрочненного твердого электролита, или из совместимого с твердым электролитом материала, обладающего большей механической прочностью.
2
7. Способ изготовления трубчатого элемента электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями, имеющего торцевые утолщения трубы твердого электролита, включающий намотку полос пленок из компонентов элемента, сформированных литьем спиртовой или водной суспензии на основе полимера с последующим компактированием и спеканием, отличающийся тем, что пленки твердого электролита и торцевых утолщений, изготавливают из слабо агрегированных нанопорошков с размером частиц 15-20 нм и удельной поверхностью не менее 50 м/г, пленки электродов и интерфейсных слоев - из смеси микроразмерных и наноразмерных порошков, входящих в состав компонентов, которые в виде полос необходимой ширины и длины наматывают в нужной последовательности на конусный (0,3-0,5°) стержень для получения требуемого количества слоев и взаимного расположения компонентов, помещают заготовку элемента на стержне в металлическую трубу, а в зазор между трубой и заготовкой засыпают промежуточный буферный слой порошка, например, из материала электролита с размером частиц 1-30 мкм, дегазируют внутреннее пространство трубы с одновременным подогревом до 70-120°С, производят ламинирование (омоноличивание) слоев магнитно-импульсным способом в индукторе при давлении импульсного магнитного поля амплитудой 150-250 МПа и длительностью 50-200 мкс, извлекают компактную заготовку элемента из пресс-формы, производят совместное, по меньшей мере, двухстадийное спекание многослойной заготовки элемента из полимер-керамики на воздухе с нагревом до температуры 400-600°С со скоростью 0,05-1°/мин с выдержкой 0-30 мин и продолжением нагрева со скоростью 5-10°/мин до температуры 1100-1250°С с выдержкой 1-10 ч.
2
8. Способ изготовления трубчатого элемента электрохимического устройства с тонкослойным твердооксидным электролитом, газодиффузионными электродами, интерфейсными и коллекторными слоями по п. 4, включающий намотку полос пленок из компонентов элемента, сформированных литьем спиртовой или водной суспензии на основе полимера с последующим компактированием и спеканием, отличающийся тем, что пленки твердого электролита и торцевых утолщений, изготавливают из слабо агрегированных нанопорошков с размером частиц 15-20 нм и удельной поверхностью не менее 50 м/г, пленки электродов и интерфейсных слоев - из смеси микроразмерных и наноразмерных порошков, входящих в состав компонентов, которые в виде полос необходимой ширины и длины наматывают в нужной последовательности на конусный (0,3-0,5°) стержень для получения требуемого количества слоев и взаимного расположения компонентов, причем для изготовления каркаса трубы электролита, на тонкий сплошной слой (слои) из пленки электролита наматывают требуемое количество слоев несущего каркаса с ячейками выбранной формы, изготовленными, например, методом вырубки, помещают заготовку элемента на стержне в металлическую трубу, а в зазор между трубой и заготовкой засыпают промежуточный буферный слой порошка, например, из материала электролита с размером частиц 1-30 мкм, дегазируют внутреннее пространство трубы с одновременным подогревом до 70-120°С, производят ламинирование (омоноличивание) слоев магнитно-импульсным способом в индукторе при давлении импульсного магнитного поля амплитудой 150-250 МПа и длительностью 50-200 мкс, извлекают компактную заготовку элемента из пресс-формы, производят совместное, по меньшей мере, двухстадийное спекание многослойной заготовки элемента из полимер-керамики на воздухе с нагревом до температуры 400-600°С со скоростью 0,05-1°/мин с выдержкой 0-30 мин и продолжением нагрева со скоростью 5-10°/мин до температуры 1100-1250°С с выдержкой 1-10 ч.