Батарея твердооксидных топливных элементов

 

Изобретение относится к высокотемпературным преобразователям энергии на основе топливных элементов. Согласно изобретению батарея содержит твердооксидные топливные элементы, каждый из которых состоит из тонкослойного электролита и двух электродных слоев, расположенных с обеих сторон электролита. Каждый электродный слой каждого элемента выполнен с утолщением по периферийному контуру с образованием пары сквозных пазов, смещенных относительно такой же пары сквозных пазов в утолщении второго электродного слоя того же топливного элемента. При стопировании между одноименными электродными покрытиями соседних элементов за счет утолщений образуются чередующиеся электродные камеры, соединенные с помощью системы сквозных пазов с газоподводящими и газоотводящими каналами - коллекторами, примыкающими снаружи к блокам сквозных пазов. Утолщение может быть выполнено из отдельных электропроводных слоев, примыкающих друг к другу, при этом токосъемником может служить один из слоев, к которому подсоединяют проволочные токовыводы. Топливные элементы могут иметь разнообразную геометрическую форму. В результате уменьшается себестоимость батареи, т.к. улучшен токосъем, повышается ее технологичность, улучшаются электрические характеристики. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую на базе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов, а более конкретно к монтажу топливных элементов так называемой планарной конструкции.

Высокотемпературные топливные элементы планарной конструкции характеризуются наиболее простой геометрией, что делает их удобными для создания пространственно-экономичных компактных батарей. Создание таких батарей обеспечивается стопированием элементов при наложении их друг на друга, при этом поверхности элементов в основном параллельны друг другу.

В частности, известна батарея собранных в стопку твердооксидных топливных элементов, каждый из которых выполнен в форме диска из тонкослойного твердого электролита с электродными покрытиями на противоположных сторонах с кольцевой обоймой, охватывающей топливную ячейку, содержащая также кольцевые токосъемники, разделительные газонепроницаемые диски, систему вертикальных и горизонтальных каналов для подвода и отвода газообразных реагентов в электродные камеры, образованные между электродными покрытиями топливных ячеек и разделительными газонепроницаемыми дисками.

Недостатком данной конструкции является большая номенклатура разнообразных деталей, которые участвуют в сборке батареи элементов, что ухудшает пространственно-энергетические характеристики.

Известна батарея высокотемпературных топливных элементов в форме плоских прямоугольных пластин из твердого электролита с электродными покрытиями на противолежащих сторонах, содержащая биполярные разделительные пластины с выступами в форме ребер, стоек или заклепок, обеспечивающими образование электродных камер между электродными покрытиями и разделительными пластинами при стопировании топливных элементов поочередно с биполярными пластинами, и систему каналов для подачи и отвода газовых сред к стопке и от нее.

В такой батарее совмещены функции разделителей и электросоединителей между отдельными элементами за счет использования биполярных плат.

Недостатком данной конструкции являются невозможность варьирования типов электрических соединений и некоторая громоздкость из-за необходимости использования большегабаритных вертикальных газовых каналов, примыкающих к боковым стенкам стопки с полным охватом их боковой поверхности.

Прототипом выбрана батарея твердооксидных топливных элементов, каждый из которых содержит тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, стопированных с образованием между одноименными электродными покрытиями соседних элементов чередующихся электродных камер, содержащая также систему вертикальных каналов для подвода и отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов и систему горизонтальных каналов для соединения вертикальных каналов с электродными камерами. Образование электродных камер осуществлено с помощью сепараторных пластин с направляющими лопатками, а система вертикальных каналов организована в центре стопки.

Как и предыдущая, эта конструкция также является достаточно сложной, т. к. требует использования сепараторных пластин.

Настоящее изобретение направлено на создание батареи твердооксидных топливных элементов, использующей малое количество элементов, участвующих в стопировании, т. е. обладающей улучшенными технологическими и пространственно-энергетическими характеристиками. Изобретение позволяет отказаться от сепараторных пластин, имеющих достаточно сложную конструкцию, за счет изменения формы топливных элементов. При этом предполагается сохранение и даже расширение количества вариаций планарных форм используемых топливных элементов и повышение технологичности герметичного соединения элементов между собой.

Поставленная задача решается тем, что в батарее твердооксидных топливных элементов, каждый из которых содержит тонкослойный электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, стопированных с образованием чередующихся электродных камер, содержащей систему вертикальных каналов для подвода и отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов и систему горизонтальных каналов для соединения вертикальных каналов с соответствующими электродными камерами, предлагается согласно изобретению каждый электродный слой каждого топливного элемента выполнить с утолщением по периферийному контуру с образованием в утолщении пары сквозных пазов, смещенных относительно такой же пары сквозных пазов в утолщении второго электродного слоя того же топливного элемента; при этом электродные камеры образованы одноименными электродными покрытиями соседних топливных элементов при непосредственном наложении утолщений друг на друга с совмещением пазов, образующих соответствующие электродным камерам горизонтальные каналы; вертикальные каналы выполнены наружными и примыкающими к соответствующим горизонтальным каналам.

Благодаря введенным периферийным утолщениям электродные камеры образуются при непосредственном наложении топливных элементов друг на друга без использования дополнительных сепараторных плат, и соединение топливных элементов осуществляется в области одинакового материала, т.е. имеющего один и тот же коэффициент температурного расширения.

Каждое периферийной утолщение предлагается выполнить в виде электропроводной поперечно-слоистой структуры, и по крайней мере один из слоев этой структуры предлагается использовать в качестве токосъемника.

Кроме того, предлагается отношение высоты периферийного катодного утолщения к высоте периферийного анодного утолщения выбирать из диапазона 1 - 10. Выбором величины указанного отношения задается различный объем анодных и катодных камер, что обусловлено, как правило, повышенным расходом кислородсодержащего газа по сравнению с топливным.

Кроме того, предлагаются различные варианты формы электролита, определяющего форму топливного элемента в целом. В частности, предлагаются - электролит плоской формы; - электролит выпукло-вогнутой формы; - электролит выпукло-вогнутой формы с плоской периферийной зоной.

Плоская форма электролита может иметь форму диска, эллипса, квадрата, прямоугольника.

Выпукло-вогнутая форма может быть образована как часть полой сферической поверхности, проекция которой на плоскость может иметь круглую, прямоугольную или квадратную форму.

На фиг. 1 показан отдельный топливный элемент выпукло-вогнутой формы, на фиг. 2 - стопка из нескольких элементов, на которой показано как формируются электродные камеры, на фиг. 3 - общий вид заявляемой батареи в аксонометрии, на части которой для наглядности выполнен вырыв, открывающий блоки горизонтальных каналов.

Каждый топливный элемент 1 содержит тонкий слой высокотемпературного твердого электролита 2 из диоксида циркония со стабилизирующими добавками. В данном варианте исполнения электролит имеет выпукло-вогнутую форму с плоской периферийной зоной и с круглой проекцией. На одну из сторон электролита 2 нанесено катодное покрытие 3 в виде напыленного слоя манганита лантана стронция, а на другую сторону нанесено анодное покрытие 4 в виде напыленного слой никелевого кермета. Каждое электродное покрытие 3 и 4 выполнено с периферийными утолщениями 5 и 6, образующими две серповидные полосы с каждой стороны и имеющими в данном варианте исполнения одинаковую высоту. Утолщения образованы токосъемными пластинками с многослойным напылением на них соответствующих электродных материалов. Токосъемные пластинки зафиксированы, например, на слое электролита с помощью клея. В тех местах, где утолщения отсутствуют, образуются пазы 7 и 8. В представленном варианте пазы 7 смещены относительно пазов 8 на 90^o, хотя не исключены варианты с другими углами смещения. Между утолщениями 5, 6 и электролитом 2 размещены четыре токосъемных полукольца 9, к которым приварены коммутирующие проволочки 10. Токосъемники 9 выполняются из электропроводного материала с коэффициентом температурного расширения (к. т. р. ), соответствующим к.т.р. других материалов элемента, и зафиксированы на электролите высокотемпературным стеклоприпоем. Каждый единичный топливный элемент представляет собой единую сборочную единицу, из которых при стопировании формируется батарея. Для элементов выпукло-вогнутой формы одноименные электродные покрытия у соседних элементов должны быть нанесены на выпуклую сторону электролита 2 у одного элемента и на вогнутую сторону электролита 2 у другого элемента.

Сборка единичных топливных элементов 1 в батарею (фиг. 2, 3) осуществляется простым наложением периферийных утолщений друг на друга. При этом соседние элементы развернуты относительно друг друга на 90^o (или другой угол в зависимости от того, как выполнены пазы в противолежащих электродных слоях каждого элемента). Между одноименными электродами 3 и 4 соседних элементов формируются чередующиеся катодные и анодные камеры 11 и 12. Одновременно образуются четыре вертикальных блока горизонтальных пазов, смещенных в предложенном варианте относительно друг друга на определенный угол, например на 90^o. К ним примыкают четыре вертикальных канала - коллектора, два из которых 13 и 14 видны на фиг. 3. Эти каналы служат для подвода и отвода газореагентов в соответствующие электродные камеры через горизонтальные пазы 7, 8. Коллекторы изготавливают из жаростойкого материала, закрепляя их в верхних и нижних фланцах наружного кожуха батареи (не показаны), защищая места прилегания к батарее затвердевающим электроизоляционным герметиком 15. Коммутирующие проводники 10 от токосъемников 9 выводятся в коллекторы, предназначенные для восстановительных реагентов, в которых размещены токопроводящие шины 16 и 17. Топливные элементы 1 с помощью проводников 10 и шин 16 и 17 соединены в зависимости от предъявляемых требований к выходным электрическим параметрам батареи.

Для работы батареи необходимо организовать поступление топливного газа в коллектор 14 и кислородсодержащего газа, например, в коллектор 13 (или противолежащий ему). Из коллекторов реагенты поступают в соответствующие электродные камеры 11 и 12 и, омывая электродные покрытия 3 и 4 топливных элементов 1 при определенной температуре, обеспечивают преобразование химической энергии в электрическую. Продукты реакции и непрореагировавшие газы удаляются из камер 11, 12 через соответствующие пазы 7, 8 и другую пару коллекторов, противолежащих входным.

Таким образом, заявляемая батарея отличается тем, что количество трудоемких деталей из диоксида циркония уменьшено вдвое. Кроме того, улучшен токосъем. Это приводит к уменьшению себестоимости батареи, повышению ее технологичности и улучшению электрических характеристик.

Формула изобретения

1. Батарея твердооксидных топливных элементов, каждый из которых содержит тонкослойный электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, стопированных с образованием чередующихся электродных камер, содержащая систему вертикальных каналов для подвода и отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов и систему горизонтальных каналов для соединения вертикальных каналов с электродными камерами, отличающаяся тем, что каждый электродный слой каждого топливного элемента выполнен с утолщением по периферийному контуру с образованием в утолщении пары сквозных пазов, смещенных относительно такой же пары сквозных пазов в утолщении второго электродного слоя того же топливного элемента, при этом электродные камеры образованы одноименными электродными покрытиями соседних топливных элементов при непосредственном наложении утолщений друг на друга с совмещением пазов, образующим соответствующие электродным камерам горизонтальные каналы, а вертикальные каналы выполнены наружными и примыкающими к соответствующим горизонтальным каналам.

2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что каждое периферийное утолщение выполнено имеющим электропроводную поперечно-слоистую структуру и по крайней мере один из слоев этой структуры использован в качестве токосъемника.

3. Батарея по п.1 или 2, отличающаяся тем, что отношение высоты периферийного катодного утолщения к высоте периферийного анодного утолщения лежит в диапазоне от 1 до 10.

4. Батарея по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что электролит имеет плоскую форму.

5. Батарея по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что электролит имеет выпукло-вогнутую форму.

6. Батарея по п.5, отличающаяся тем, что электролит имеет плоскую периферийную зону.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3