Ячейка высокотемпературного элемента электрохимического устройства с твердым электролитом
Авторы патента:
Использование: в конструкциях топливных элементов. Сущность изобретения: ячейка содержит трубчатый элемент из твердого электролита с катодным и анодным слоями, газоподводящую трубку, установленную внутри трубчатого элемента, электропроводный дисперсный материал, размещенный в полости между газоподводящей трубкой и внутренней поверхностью трубчатого элемента и кольца, размещенные в слое дисперсного материала, беззазорно зафиксированные на газоподводящей трубке и установленные с зазором относительно внутренней поверхности трубчатого кольца, дисперсный материал содержит частицы размером 0,25-1,5 мм, кольца и газоподводящая трубка выполнены из металла. Технический результат - повышение удельной мощности ячейки. 1 ил. , 1 табл.
Изобретение относится к высокотемпературной электрохимии, а более конкретно к конструкциям газодиффузионных ячеек электрохимических устройств с твердым электролитом, и может быть использовано в конструкциях топливных элементов, в электролизерах, датчиках активности кислорода.
Известна конструкция электрода для высокотемпературного электрохимического устройства с твердым электролитом, защищенная а. с. N 1748508, G 01 N 27/50, 16.01.90 г. Электрод содержит пробирку из твердого электролита с анодным и катодным слоем из электродно-активного вещества и газоподводящую трубку. В качестве электродно-активного вещества используют дисперсный материал дендритовой структуры. Недостатком известного устройства является то, что потенциал, снимаемый с такого электрода, невелик, что обусловлено малой рабочей поверхностью пробирки. Конструкция датчика неэкономична, так как требует использования элементов передачи электрического сигнала, выполняемых из платины, область применения датчика ограничена потенциометрической регистрацией концентрации кислорода. Известна конструкция зонда с твердым электролитом, описанная в заявке ФРГ N 3709196, G 01 N 27/50, 1998 г. Зонд содержит пробирку твердого электролита, в которой установлена газоподводящая трубка, в пространство между трубкой и внутренней поверхностью пробирки помещают зерна дисперсного материала с электронной или смешанной проводимостью, которая ограничивается засыпкой изолирующего материала. В слое засыпки размещается металлический проволочный электрод, а по наружной поверхности пробирки размещается аналогичный электрод для передачи электрического сигнала. Данное устройство является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и выбрано в качестве прототипа. Недостатком известного устройства является высокое электрическое сопротивление вдоль электрода, обусловленное плохим контактом между большим количеством зерен порошка, высокое гидравлическое сопротивление, ухудшающее эксплуатационные свойства электрода, приводящее к диффузионным затруднениям, мешающим использованию этого электрода в устройствах с постоянным подводом и отводом реагентов от трехфазной границы. Заявляемым изобретением решались задачи повышения удельной мощности ячейки, снижения электрического и регулирования гидравлического сопротивления при экономичном конструктивном выполнении. Для достижения этой задачи в ячейке высокотемпературного электрохимического устройства с твердым электролитом, содержащей трубчатый элемент из твердого электролита с катодом и анодом, газоподводящую трубку, установленную внутри трубчатого элемента, электропроводный дисперсный материал, размещенный в полости между газоподводящей трубкой и внутренней поверхностью трубчатого элемента и кольца, согласно изобретению кольца дополнительно размещены в слое дисперсного материала, беззазорно зафиксированы на газоподводящей трубке и установлены с зазором относительно внутренней поверхности трубчатого элемента, дисперсный материал содержит частицы размером 0,25 - 1,5 мм, кольца и газоподводящая трубка выполнены из металла, например никеля. Наличие отличительных признаков от прототипа позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна". В процессе поиска не выявлено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения, что позволяет сделать заключение о соответствии его критерию "изобретательский уровень". Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что выбранный диапазон размеров частиц позволяет, с одной стороны, преодолеть диффузионные затруднения, возникающие при подводе топлива и отводе продуктов реакции от трехфазной границы, с другой стороны, снизить внутреннее сопротивление ячейки, в совокупности эти признаки позволяют обеспечить высокую электрическую мощность ячейки. Кроме того, кольца, зафиксированные на газоподводящей трубке и установленные в дисперсном материале, позволяют предотвратить осевые перемещения трубки и использовать трубку как элемент крепления ячейки в батарее. Кольца выполнены из высокоэлектропроводного металлического материала, что позволяет им выполнять функцию эффективного токосъема, а беззазорная фиксация колец на трубе позволяет организовать надежный токосъем через металлическую газоподводящую трубку. Расположение колец в слое дисперсного материала увеличивает поверхность активного токосъема. Установка колец с зазором относительно внутренней поверхности трубчатого элемента позволяет более рационально осуществить газораспределение и направить газовый поток вдоль поверхности трубчатого элемента, где он активно участвует в электрохимических процессах. Все эти функции различных элементов ячейки направлены в конечном итоге на увеличение электрической мощности последней. Предлагаемая конструкция ячейки иллюстрируется чертежом общего вида ячейки. Ячейка представляет собой пробирку 1 из твердого электролита, анод 2, расположенный на внутренней поверхности пробирки в виде припеченного слоя из никель - кермета. Катод 3 размещен на наружной поверхности пробирки в виде припеченного слоя из манганита лантана - стронция. В полости пробирки размещается газоподводящая трубка 4 из высокоэлектропроводного металлического материала, например никеля. Полость между внутренней поверхностью пробирки 1 и наружной поверхностью трубки 4 заполнена дисперсным материалом 5 из никель - кермета, частицы которого имеют дисперсность 0,25 - 1,5 мм. В слое материала размещены кольца 6, которые зафиксированы на газоподводящей трубке и установлены на последней беззазорно. Кольца 6 установлены как ограничивающие засыпку дисперсного материала и в слое засыпки. Наружный диаметр кольца меньше, чем внутренний диметр трубчатого элемента, поэтому образуется зазор 7 между кольцом и стенкой трубчатого элемента. Газоподводящая трубка 4 и кольца 6 выполнены из высокоэлектропроводного металлического материала, например никеля. Токосъем может представлять собой слой проводящего дисперсного материала (например, манганита лантана - стронция, на фиг. не показан), расположенного снаружи пробирки, либо токосъем 8 выполнен в виде проволочных колец и передает ток от катода 3 к токовыводу 9. Устройство работает следующим образом. Топливо - газ подают в трубку 4, в донной части пробирки 1 газ проходит через перфорацию 10 в трубке 4, затем через зазор 7 и дисперсный материал 5 к аноду 2. Наличие зазора позволяет направить газовый поток к трехфазной границе "газ - материал анода 2 - твердый электролит 1", где происходит электрохимическое взаимодействие топлива с ионами кислорода, поступающими через электролит 1 с катода 3. При взаимодействии образуются свободные электроны и пары воды. Вода удаляется через дисперсный материал, а электроны через кольца 6 и электропроводный материал засыпки 5 поступают к электропроводной газоподводящей трубке 4, которая выполняет роль токосъема, и по ней электроны поступают в цепь нагрузки. Через цепь нагрузки электроны поступают на токосъем 8, который контактирует с катодом 3. На трехфазной границе "газ - окислитель - катод 3 - твердый электролит 1" происходит электрохимическое взаимодействие электронов с молекулой кислорода с образованием ионов кислорода, которые, двигаясь через электролит, замыкают цепь. Наличие колец, размещенных в слое дисперсного материала, ограничивает уплотнение материала, позволяет формировать поток топлива, направляя его к трехфазной границе и повышая эффективность электрохимических процессов и, как следствие, увеличивает мощность ячейки. Кроме того, выбор размеров частиц не менее 0,25 мм позволяет снизить поляризационное сопротивление и обеспечить оптимальный режим подвода топлива и отвода продуктов реакции у трехфазной границы. В то же время, ограничение размера частиц не более 1,5 мм позволяет создать оптимальное количество точек контакта, что обуславливает снижение омического сопротивления ячейки. Данные о характеристиках ячейки при различных размерах частиц дисперсного материала приведены в таблице. По данным таблицы видно, что размер частиц из выбранного диапазона позволяет в два раза повысить мощность ячейки. Электропроводность материала кольца выше, чем электропроводность дисперсного материала, поэтому каждое кольцо является эффективным токосъемом. Использование в качестве токосъема гранул дисперсного материала создает условия равномерного токосъема по анодной рабочей поверхности пробирки, что уменьшает путь тока и снижает потери на сопротивлении ячейки. В процессе отработки конструкции ячейки в институте испытана ячейка, представляющая собой пробирку из электролита на основе стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония (YSZ) с размерами - диаметр 10 мм, длина 210 мм с катодом на наружной поверхности из манганита лантана - стронция толщиной 0,25 мм и анодом на внутренней поверхности из никель - кермета толщиной 0,06 мм. В пробирке установлена газоподводящая трубка из никеля, по которой пропускали топливо - водород. Газ проходил через слой дисперсного материала никель - кермета, расположенного между наружной поверхностью трубки и анодом. В слое материала установлены кольца из никеля, жестко зафиксированные на газоподводящей трубке. Диаметр кольца - 8 мм. Токосъем с катода осуществлялся при помощи колец 8 из платиновой проволоки. Токосъемы соединялись методом сварки с никелевым токовыводом 9.Формула изобретения
Ячейка высокотемпературного элемента электрохимического устройства с твердым электролитом, содержащая трубчатый элемент из твердого электролита с катодом и анодом, газоподводящую трубку, установленную внутри трубчатого элемента, электропроводящий дисперсный материал, размещенный в полости между газоподводящей трубкой и внутренней поверхностью трубчатого элемента, и кольца, ограничивающие засыпку дисперсного материала, отличающаяся тем, что ячейка снабжена дополнительными кольцами, которые размещены в слое дисперсного материала, беззазорно зафиксированы на газоподводящей трубке и установлены с зазором относительно внутренней поверхности трубчатого элемента, дисперсный материал содержит частицы размером 0,25-1,5 мм, причем кольца и газоподводящая трубка выполнены из металла.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2
Похожие патенты:
Изобретение относится к ионоизбирательным мембранам, более конкретно к ионоизбирательной керамической мембране с протонной проводимостью, способной к работе в условиях высоких температур
Газоанализатор // 2138799
Изобретение относится к области промышленной теплоэнергетики, в частности, к топкам котельных агрегатов и промышленных печей
Сравнительный ph-электрод // 2127427
Изобретение относится к потенциометрическим измерениям концентрации ионов в растворах, а именно к сравнительному рН-электроду, содержащему корпус, расположенные в корпусе электролит, ионопроводящую мембрану, разделяющую электролит и исследуемую среду, и помещенный в электролит чувствительный элемент, при этом электролит выполнен в виде кристаллогидрата NH4Ca(NO3)3nH2O, полученного реакцией обмена Ca(OН)2 с насыщенным раствором NH4NO3
Изобретение относится к электрохимическому датчику для определения концентрации газа, содержащему корпус, измерительный электрод, содержащий каталитически активный материал, который обладает способностью вызывать превращение анализируемого газа, противоэлектрод, содержащий углеродный материал с электрохимически активными поверхностными соединениями, которые могут обратимо окисляться или восстанавливаться, и электролит, находящийся в контакте с измерительным электродом и противоэлектродом, при этом углеродный материал в противоэлектроде имеет удельную поверхность по меньшей мере 40 м2/г
Композиционный твердый электролит для электрохимических датчиков парциального давления окислов серы // 2095800
Изобретение относится к аналитическому приборостроению и касается твердого электролита для электрохимических датчиков парциального давления окислов серы
Изобретение относится к области газового анализа, а именно к устройству для измерения парциального давления кислорода, содержащему твердый электролит и электроды, соединенные с выводами для снятия сигнала, твердым электролитом является пленка оксида материала, из которого изготовлен первый электрод, выполненный в виде металлической матрицы и размещенный внутри пленки оксида, первый вывод для снятия сигнала подсоединен к металлической матрице в области раздела металл - оксид, при этом второй электрод расположен на поверхности пленки оксида и выполнен в виде проницаемого для кислорода электропроводящего слоя
Устройство для анализа газа // 2091783
Изобретение относится к устройствам для анализа газа с помощью электрохимических ячеек на твердом электролите и может быть использовано для контроля и регулирования процесса сжигания всех видов топлива
Способ изготовления электрода // 2029946
Изобретение относится к области газового анализа и газоаналитическому приборостроению, в частности к технологии изготовления электродов на твердом электролите из стабилизированного диоксида циркония, и может быть использовано при производстве электрохимических твердоэлектролитных датчиков концентрации кислорода в различных кислородсодержащих газах, например в отходящих газах ТЭЦ, выхлопных газах ДВС и т.д
Изобретение относится к высокотемпературной электрохимии, а более конкретно к конструкциям газодиффузионных ячеек электрохимических устройств с твердым электролитом, и может быть использовано в конструкциях топливных элементов, в электролизерах, датчиках активности кислорода
Изобретение относится к газовому анализу и может быть применено в аналитической химии для определения ароматических аминов в воздухе
Сенсорная ячейка детектирования // 2247367
Изобретение относится к технике проведения анализа газовой фазы и может быть использовано при анализе качества порошкообразных, твердых веществ (например, чая, кофе, табака, табачных изделий)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в металлургии, энергетике, химической промышленности для определения активности кислорода в различных средах
Изобретение относится к аналитической химии и приборостроению и может быть использовано как в лабораторной практике, так и в различных отраслях промышленности, в частности на тепловых электростанциях, где остро встают проблемы экологии, энергосбережения и экономии топлива, в других случаях, где требуется оптимизация процессов горения с минимальными выбросами окиси углерода
Способ изготовления рутениевых электродов электрохимического датчика с твердым электролитом // 2342652
Изобретение относится к технологии изготовления электродов на твердом электролите из стабилизированного диоксида циркония и может быть использовано при производстве электрохимических твердоэлектролитных датчиков концентрации кислорода в различных кислородсодержащих газах
Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах // 2489711
Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам, предназначенным для анализа газовых сред и металлических расплавов на кислородосодержание
Изобретение относится к датчикам для определения концентрации газообразных компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. В заявленном датчике под расположенным со стороны отработавших газов электродом расположен слой электролита толщиной от 10 до 50 мкм, состоящий из оксида циркония, стабилизированного скандием, и/или смеси оксида циркония, стабилизированного скандием, и оксида циркония, стабилизированного иттрием, и/или оксида циркония, стабилизированного смесью скандия и иттрия, причем для минимизации внутреннего сопротивления датчика постоянному току слои электродов выполнены на электролите таким образом, что они имеют геометрически максимально возможную площадь поверхности. При этом обеспечивается достижение, прежде всего в области низких температур, меньших значений внутреннего сопротивления. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения значений коэффициентов диффузии в твердых электролитах, обладающих проводимостью по ионам исследуемых газов, таких, например, как водород, кислород, фтор, хлор и некоторые другие. Согласно изобретению в газовый поток с известным содержанием исследуемого газа, находящегося в смеси с азотом или иным инертным газом, помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной герметично соединенными между собой двумя дисками из твердого электролита с двумя парами электродов, расположенных на противоположных поверхностях этих дисков. К электродам подают напряжение постоянного тока величиной 300-500 мВ и полярностью, обеспечивающей откачку исследуемого газа из полости электрохимической ячейки в окружающую газовую среду, измеряют величину возникающего в ячейке предельного тока, которая определяется диффузионным потоком исследуемого газа через твердый электролит, и по измеренной величине предельного тока рассчитывают коэффициент диффузии исследуемого газа в твердом электролите в соответствии с приведенным уравнением: 3 ил., 1 табл.
