Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНОК YSZ ЭЛЕКТРОЛИТА НА ПОДЛОЖКАХ NiO-YSZ МЕТОДОМ ОКУНАНИЯ В СУСПЕНЗИИ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ

https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.31-36.063-072

Полный текст:

Аннотация

Одним из приоритетных направлений в области электрохимических устройств для генерации электроэнергии является разработка твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), работающих при пониженных температурах (ниже 600 ºС). Активно исследуются способы формирования пленочной электролитной мембраны, когда улучшение эксплуатационных характеристик устройства происходит за счет уменьшения толщины электролитного слоя. В качестве материала электролита ТОТЭ наиболее часто используются твердые растворы на основе оксида циркония, которые обладают достаточной кислородно-ионной проводимостью, химической стойкостью и стабильностью физических свойств как в окислительных, так и в восстановительных атмосферах. В данной работе пленки стабилизированного оксида циркония (YSZ) были получены методом окунания подложек NiO-YSZ в суспензии на водной основе с последующей термообработкой. Рассмотрены некоторые закономерности процессов кристаллизации пленок на электродных подложках в зависимости от способа приготовления пленкообразующей суспензии, морфологии поверхности подложки и режима термообработки получаемого пленочного покрытия. Выявлены оптимальные условия для получения газоплотных пленочных покрытий на подложках различной пористости. Изучено влияние состава компонентов суспензии (концентрации наполнителя и дисперсанта), вязкости и pH системы на процесс формирования пленочного электролита. Варьирование указанных параметров позволяет провести осаждение пленки стабилизированного оксида циркония с толщиной 5–10 мкм без трещин за 1–2 цикла нанесения. Показано, что применение металлокерамических композиций в качестве анодных материалов за счет наличия фазы электролита увеличивает механическую прочность несущего электрода и обеспечивает более благоприятные условия для формирования пленки электролита. Металлический компонент отвечает за хорошие электрофизические характеристики. Для ТОТЭ с кислородно-ионным электролитом на основе стабилизированного оксида циркония рассмотрены композиционные аноды, содержащие NiO и, соответственно, Ni в качестве металлической фазы после восстановления. Данный способ представляет собой простой и экономически эффективный метод изготовления тонкопленочного электролита для твердооксидного топливного элемента.

 

Об авторах

Ю. В. Новикова
Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН; ФГАОУ ВО Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия
канд. хим. наук, научный сотрудник


И. С. Пузырев
Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН; ФГАОУ ВО Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия
канд. хим. наук, старший инженер


А. Ю. Строева
Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН; ФГАОУ ВО Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия

канд. хим. наук, старший научный сотрудник

Research ID: 169181

SPIN: 9453-1231



А. Н. Ковальчук
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Россия
ассистент кафедры экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий


А. В. Кузьмин
Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН; ФГАОУ ВО Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия
канд. хим. наук, заведующий лабораторией


Список литературы

1. Dokiya, M. SOFC system and technology / M. Dokiya // J. Solid State Ionics. – 2002. – Vol. 152–153. – P. 383–392.

2. Kawada, T. Current Electrolytes and Catalysts / T. Kawada, J. Mizusaki // Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology, Applycations. – Vol. 4: Fuel Cell Technology and Applications. – Chichester: Wiley and Sons. – 2003. – P. 987–1001.

3. Коровин, Н.В. Топливные элементы и электрохимические установки / Н.В. Коровин. – М.: Издательство МЭИ. – 2005. – 280 с.

4. Kek, D. Electrical and microstructural investigations of cermet anode/YSZ thin film systems / D. Kek, P. Panjan [et al.] // Journal of the European Ceramic Society. – 2001. – Vol. 21. – P. 1861–1865.

5. Zhang, Y.Recent progress on advanced materials for solid-oxide fuelcells operating below 500 ºC / Y. Zhang [et al.] // AdvancedMaterials. – 2017. V. 29(48) – P. 1–33.

6. Юшина, Л.Д. Пленки твердооксидных электролитов: монография / Л.Д. Юшина. – Екатеринбург: УрО РАН. – 2012. – 138 с.

7. Huang, H.H. Effects of substrate temperatures on the crystallizations and microstructures of electron beam evaporation YSZ thin films / H.H. Huang [et al.] // J. of Alloys and Compounds. – 2010. – Vol. 500. – No 1. – P. 82–86.

8. Wang, Y. Influence of preheating processes on the microstructure of laser glazed YSZ coatings / Y. Wang [et al.] // Ceramics International. – 2017 – Vol. 43. – No 5. – P. 4606–4611.

9. Wang, H. Preparation of YSZ films by magnetron sputtering for anode-supported SOFC / H. Wang [et al.] // Solid State Ionics. – 2011. – Vol. 192. – No 1. – P. 413–418.

10. Hermawan, E. Densification of an YSZ electrolyte layer prepared by chemical/electrochemical vapor deposition for metal-supported solid oxide fuel cells / E. Hermawan [et al.] // Ceramics International. – 2017. – Vol. 43. – No 13. – P. 10450–10459.

11. Veldhuis, S.A. Rapid densification of sol–gel derived yttria-stabilized zirconia thin films / S.A. Veldhuis, P. Brinks // Thin Solid Films. – 2015. – Vol. 589. – P. 503–507.

12. Abakevičienė, B. Synthesis of YSZ thin films by the novel aqueous sol–gel citrate-precursor method / B. Abakevičienė [et al.] // Solid State Ionics. – 2012. – Vol. 225. – P. 73–76.

13. Valiulis, A.V. Liquid phase deposition methods monitoring techniques influence for solid substrates and thin metal oxide films properties / A.V. Valiulis, P. Silickas // J. of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. – 2007. – Vol. 24. – No 1. – P. 188–192.

14. Zhang, Y. Redox cycling of Ni–YSZ anode investigated by TPR technique / Y. Zhang [et al.] // Solid State Ionics. – 2005. – Vol. 176. – P. 2193–2199.

15. Marrero, J. C. Characterization of yttriastabilized zirconia films deposited by dip-coating on La0.7Sr0.3MnO3 substrate: Influence of synthesis parameters / J.C. Marrero [et al.] // J. of Advanced Ceramics. 2013. – Vol. 2. – No 1. – P. 55–62.

16. Panthi, D. A novel multistep dip-coating method for the fabrication of anode-supported microtubular solid oxide fuel cells / D. Panthi, A. Tsutsumi // J. Solid State Electrochem. – 2014. – Vol. 18. – No 7. – P. 1899–1905.

17. Максимов, А.И. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов / А.И. Максимов. – 2-е изд. – СПб.: Элмор, 2008. – 225 с.

18. Аверин, И.А. Особенности синтеза и исследования нанокомпозитных пленок, полученных методом золь-гель технологии / И.А. Аверин [и др.] // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. – 2012. – № 2. – С. 155–161.

19. Дунюшкина, Л.А. Введение в методы получения пленочных электролитов для твердооксидных топливных элементов: монография / Л.А. Дунюшкина. – Екатеринбург: УрО РАН. – 2015. – 128 с.

20. Zhang, Y. Dip-coating thin yttria-stabilized zirconia films for solid oxide fuel cell applications / Y. Zhang [et al.] // Ceramics International. – 2004. – Vol. 30. – No 6. – P. 1049–1053.

21. Zhang, Y. Production of dense yttria-stabilized zirconia thin films by dip-coating for IT-SOFC application / Y. Zhang [et al.] // Journal of Applied Electro-chemistry. – 2004. – Vol. 34. – No 6. – P. 637–641.

22. Meng, X. Fabrication of Y2O3-stabilized-ZrO2(YSZ)/La0.8Sr0.2MnO3-α-YSZ dual-layer hollow fibers for the cathode-supported micro-tubular solid oxide fuel cells by a co-spinning/co-sintering technique / X. Meng [et al.] // Journal of Power Sources. – 2013. – Vol. 237. – P. 277–284.

23. Gaudon, M. Thick YSZ films prepared via a modified sol–gel route: Thickness control / M. Gaudon, Ch. Laberty-Robert // Journal of the European Ceramic Society. – 2006. – Vol. 26. – P. 3153–3160.

24. Marrero, J.C. Characterization of yttriastabilized zirconia films deposited by dip-coating on La0.7Sr0.3MnO3 substrate: Influence of synthesis parameters / J.C. Marrero [et al.] // Journal of Advanced Ceramics. – 2013. – Vol. 2(1). – P. 55–62.

25. Wang, Z. Effect of co-sintering temperature on the performance of SOFC with YSZ electrolyte thin films fabricated by dip-coating method / Z. Wang, K. Sun [et al.] // J. Solid State Electrochem. – 2010. – Vol. 14. – P. 637–642.

26. Mauvy, F. Electrochemical characterization of YSZ thick films deposited by dip-coating process / F. Mauvy, P. Lenormand [et al.] // Journal of Power Sources. – 2007. – Vol. 171. – P. 783–788.

27. Osinkin, D.A. Thermal expansion, gas permeability, and conductivity of Ni-YSZ anodes produced by different techniques / D.A. Osinkin [et al.] // J. Solid State Electrochemistry. – 2014. – Vol. 18. – P. 149–156.

28. Osinkin, D.A. High-performance anode-supported solid oxide fuel cell with impregnated electrodes/ D.A. Osinkin [et al.] // Journal of Power Sources. – 2015. – Vol. 288. – P. 20–25.

29. Shri Prakash, B. Properties and development of Ni/YSZ as an anode material in solid oxide fuel cell: A review // B. Shri Prakash, S. Senthil Kumar, S.T. Aruna // From Renewable & Sustainable Energy Reviews. – 2014. – Vol. 36. – P.149–179.

30. Nakajo, A. Compilation of mechanical properties for the structural analysis of solid oxide fuel cell stacks. Constitutive materials of anode-supported cells / A. Nakajo [et al.] // Ceramics International. – 2012. – Vol. 38. – No 5. – P. 3907–3927.


Для цитирования:


Новикова Ю.В., Пузырев И.С., Строева А.Ю., Ковальчук А.Н., Кузьмин А.В. ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНОК YSZ ЭЛЕКТРОЛИТА НА ПОДЛОЖКАХ NiO-YSZ МЕТОДОМ ОКУНАНИЯ В СУСПЕНЗИИ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2017;(31-36):63-72. https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.31-36.063-072

For citation:


Novikova Y.V., Puzyrev I.S., Stroeva A.Y., Kovalchuk A.N., Kuzmin A.V. FORMATION OF YSZ ELECTROLYTE FILMS ON NiO-YSZ CATHODE SUBSTRATE BY DIP-COATING IN AQUEOUS SUSPENSIONS. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2017;(31-36):63-72. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.31-36.063-072

Просмотров: 106


ISSN 1608-8298 (Print)