Электрохимический преобразователь энергии



Электрохимический преобразователь энергии
Электрохимический преобразователь энергии
Электрохимический преобразователь энергии
Электрохимический преобразователь энергии
Электрохимический преобразователь энергии
Электрохимический преобразователь энергии

 


Владельцы патента RU 2556888:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)

Изобретение относится к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим различные виды топлива. Электрохимический преобразователь энергии содержит электроды, электрический соединитель и слой твердого электролита, выполненный из смеси оксидов металлов, включающих диоксид циркония и оксид металла, выбранного из группы, включающей оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смеси, а также электродные слои, проницаемые для газов, проводящие электрический ток и покрытые на части своей поверхности контактными слоями, при этом преобразователь выполнен в виде многорядной секции, ряды которой образованы трубчатыми сборками, набранными из электрохимических ячеек, выполненных в форме конусных шайб, содержащих слой твердого электролита, а также электродные слои, с центральными втулками, формирующими внутренний газовый коллектор, в котором одновременно размещены тоководы, причем часть конусных шайб разделена между собой сепараторами, проницаемыми для газа, а другая часть конусных шайб разделена наружным газовым коллектором. Электродные слои, расположенные на поверхности конусных шайб с их внутренней и внешней сторон, имеют противоположные полярности и разделены слоем твердого электролита, причем внутренний электродный слой и внешний электродный слой соединены с тоководами внутреннего газового коллектора. Cовмещение трубчатых и планарных конструкций в электрохимическом преобразователе обеспечивает его устойчивость к изменению термических нагрузок. 8 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится преимущественно к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим различные виды топлива, а также к источникам получения вторичных энергоносителей, например водорода, и предназначено для обеспечения отопительным теплом, горячей водой, холодом и электроэнергией и другими энергоносителями различных потребителей, включая транспорт, энергетику, ЖКХ, промышленность.

Высокотемпературные электрохимические преобразователи энергии могут использоваться как для получения водорода из воды, в режиме высокотемпературных электролизеров, так и для преобразования химической энергии в электроэнергию. В последнем случае, в частности, высокотемпературные электрохимические преобразователи энергии, называемые также топливными элементами, обеспечивают высокую эффективность процесса преобразования химической энергии в электрическую энергию. Подобные преобразователи обладают преимуществом бесшумной работы без механической вибрации, а также весьма выгодным коэффициентным отношением выработанной энергии к массе и размерам преобразователя. Электрохимические преобразователи оказывают минимальное воздействие на природную среду. Типичный высокотемпературный топливный элемент содержит твердый электролит, обычно изготовленный из диоксида циркония, стабилизированного иттрием. Твердый электролит закрыт с двух сторон электродами, проницаемыми для газов. При высокой температуре циркониевая керамика проявляет высокую ионную проводимость. Поскольку сквозь керамический слой могут проникать только ионы кислорода, электролит поляризуется благодаря падению давления кислорода внутри электролита. Одна из поверхностей электролита будет иметь положительный заряд, в то время как на противоположной поверхности электролита будут выделяться свободные электроны в результате реакции между ионами кислорода и топливом, например водородом или монооксидом углерода, что приведет к ее отрицательной поляризации. Подключение внешней электрической цепи к электродам приведет к образованию электрического тока, который будет уравновешивать ионный поток. Согласно специфическим условиям эксплуатации электроды должны обладать хорошей электрической проводимостью, проницаемостью для газов, устойчивостью к высокой температуре (порядка 800°C), а также устойчивостью к внезапным изменениям температуры. Первостепенное значение имеет обеспечение отсутствия протечек в каналах подачи топлива, поскольку процесс горения, в отличие от электрохимического окисления, приводит к катастрофическому разрушению преобразователя энергии. Проблемы, связанные с обеспечением непроницаемости, налучшим образом были решены в электролитических генераторах энергии, имеющих трубчатую конфигурацию.

Пример осуществления такого варианта конструкции представлен в патенте США US №4395468. Как следует из описания, стабилизованная циркониевая керамика, образующая электролит, в виде тонкого слоя нанесена на цилиндрическую керамическую подложку, что дает ряд важных преимуществ, а именно: простота размещения электрических соединений между топливными элементами, удобство размещения воздухонагревателей. Вместе с тем, преимуществом также служит надежная изоляция зоны электрохимической реакции. Однако трубчатые устройства имеют низкую объемную энергонапряженность и, как следствие, большие габариты.

Существуют плоскостные, так называемые планарные конструкции преобразователей химической энергии в электрическую энергию, известные из патентов US №4276355 и US №7531053. Как следует из описаний, эти конструкции включают множество топливных элементов, связанных электрическими соединениями. Топливные элементы образуют батарею, в которой каждый керамический топливный элемент помещен между двумя пластинами. Каждая пластина является разделителем между соответствующими керамическими элементами и оснащена с обеих сторон открытыми продольными каналами.

Известно электрохимическое устройство (патент РФ №2064210), содержащее электроды, электрический соединитель и слой твердого электролита, выполненные из смеси оксидов металлов, включающих диоксид циркония и оксид металла, выбранного из группы, включающей: оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смеси, включающее дополнительно оксид кобальта.

Недостатками известных устройств являются высокая стоимость изготовления, сложность эксплуатации (вследствие их хрупкости) и высокое электрическое сопротивление, что приводит к увеличению сроков окупаемости инвестиционных проектов по созданию таких устройств до 10 лет и более, что, как правило, неприемлемо. Пониженная электрохимическая активность электродов, связанная с ограниченностью трехфазной границы контакта электролита, электродов и газовой среды реагентов, также служит барьером повышения эффективности. Добиться уменьшения сопротивления позволяет работа устройств при высоких температурах, как правило, превышающих 900°C. Однако высокие рабочие температуры вызывают технические проблемы в работе устройств и деградацию основных материалов, которые могут быть использованы в устройстве, в частности в окислительной среде, например, кислородного электрода. Планарная конфигурация обеспечивает наиболее высокие показатели выработки энергии на единицу объема батареи. Вместе с тем, принимая во внимание тонкую и хрупкую структуру электролита, он является чувствительным к воздействию резкого изменения температуры, плохо переносит термокачки, поэтому требует большего времени разогрева, применения специальных уплотнительных прокладок, устойчивых к высоким температурам.

Частично эти недостатки устранены в патенте РФ №2502158, опубл. 27.08.2013 Бюл. №24 - прототип, согласно которому электрохимический преобразователь энергии имеет плоскую планарную многослойную керамическую конструкцию, средний слой которой образует центральная керамическая пластина, обладающая высокой плотностью и прочностью, неподвижно скрепленная с двух сторон с пористыми металлокерамическими слоями, в которых проделаны каналы подачи топлива. Изготовленная таким образом керамическая база имеет на части своей поверхности с обеих сторон керамические слои твердого электролита, которые наложены на базу и неподвижно закреплены на ней и которые, в свою очередь, имеют на части своей поверхности электродные слои, проницаемые для газов, проводящие электрический ток и покрытые на части своей поверхности контактными слоями. Помимо этого электрохимический преобразователь энергии оснащен металлическими токопроводящими конструкциями, которые целесообразно утоплены в пористых металлокерамических слоях, причем металлические проводящие ток конструкции могут быть изготовлены на основе следующих материалов: проницаемых для газов слоев платины, никелевых нанотрубок или никелевых сеток. Данное решение также имеет недостатки, вызванные слабой устойчивостью к термокачкам и высокой стоимостью изготовления. Решение проблемы может быть достигнуто путем совмещения преимуществ трубчатых и планарных конструкций.

Задача изобретения - создать электрохимический преобразователь энергии, в котором повышена устойчивость к термокачкам и снижена стоимость изготовления.

Поставленная задача решается тем, что:

предложен электрохимический преобразователь энергии, содержащий электроды, электрический соединитель и слой твердого электролита, выполненный из смеси оксидов металлов, включающих диоксид циркония и оксид металла, выбранного из группы, включающей оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смеси, и имеющий на части своей поверхности электродные слои, проницаемые для газов, проводящие электрический ток и покрытые на части своей поверхности контактными слоями, при этом преобразователь выполнен в виде многорядной секции, ряды которой образованы трубчатыми сборками, вдоль своей оси набранными из электрохимических ячеек, выполненных в форме конусных шайб, содержащих слой твердого электролита, а также электродные слои, с центральными втулками, формирующими внутренний газовый коллектор, в котором одновременно размещены тоководы, причем часть конусных шайб разделена между собой сепараторами, проницаемыми для газа, а другая часть конусных шайб разделена наружным газовым коллектором.

Кроме того,

- электродные слои, расположенные на поверхности конусных шайб с их внутренней и внешней сторон, имеют противоположные полярности и разделены слоем твердого электролита, причем внутренний электродный слой соединен с одним тоководом внутреннего газового коллектора, а внешний электродный слой соединен с другим тоководом внутреннего газового коллектора;

- сепараторы имеют каналы для прохода газа и выполнены из упругого материала с высоким омическим сопротивлением, например керамического волокна или матов, и имеют возможность изменения газодинамического сопротивления;

- центральная втулка содержит межэлектродный слой, электрически изолирующий электродные слои, соответственно, на внутренней и внешних поверхностях конусной шайбы;

- по меньшей мере, часть соседних конусных шайб соединены между собой посредством спекания по сопряженным поверхностям втулок и образуют между собой внутреннюю полость, герметично замкнутую по меньшему диаметру наружной поверхностью втулки, а по большему диаметру с помощью наружного газового коллектора, причем электродные слои внутренней полости электрически изолированы от электропроводной части наружного газового коллектора, который имеет выход по газу во внутреннюю полость;

- по меньшей мере, часть центральных втулок имеет, по меньшей мере, на части окружности корончатые или зубчатые выступы, образующие газовый проход во внутренний газовый коллектор;

- металлические проводящие ток элементы изготовлены на основе следующих материалов: проницаемых для газов слоев платины, никелевых нанотрубок или никелевых сеток;

- наружный газовый коллектор имеет кольцевые секции, размещенные, по меньшей мере, между частью конусных шайб и соединенные по газу таким образом, чтобы образовать спиральную трубчатую конструкцию.

- контакты электродных слоев с тоководами, расположенными во внутреннем газовом коллекторе, проложены вдоль газовых проходов во внутренний газовый коллектор.

На фиг. 1 дана схема реализации устройства в варианте электролизера, где 1 - центральная втулка, 2 - конусная шайба, 3 - внутренний электродный слой, 4 - внешний электродный слой, 5 -поток ионов кислорода, 6 - кислородсодержащий газ, 7 - газообразное топливо, 8 - сепаратор.

На фиг. 2 показан вид внешней части конусной шайбы 2 по стрелке К (см. Фиг. 1) с газовым проходом 9 и корончатыми выступами 10 в центральной втулке 1.

На фиг. 3 дана схема спирального исполнения наружного газового коллектора с кольцевыми секциями 11, дистанционирующими электрохимические ячейки, выполненные в форме конусных шайб 2.

На фиг. 4 дан вариант устройства в варианте топливного элемента с разрезом многорядной секции со схемой подключения тоководов 14 к электродным слоям, которые в данном варианте выполняют функции анодов 12 с топливной стороны и катодов 13 с воздушной стороны. Крайние электродные слои через клеммы 15 подключены к внешней нагрузке (на Фигуре не показана), 16 - слой твердого электролита.

На фиг. 5 дана схема реализации устройства в варианте топливного элемента (генератора энергии), где 7 - газообразное топливо, остальные обозначения те же, что и на Фиг.1.

Примером реализации изобретения служит электрохимический преобразователь энергии, описанный ниже.

В излагаемом примере осуществления изобретения электрохимический преобразователь энергии применяется в качестве высокотемпературного электролизера водяного пара, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам получения из воды водорода для использования в различных транспортных или стационарных энергоустановках.

На Фиг. 1-3 дано схемное решение предложенного электрохимического преобразователя энергии.

Электрохимический преобразователь энергии содержит внутренний газовый коллектор, образованный центральными втулками 1, слой твердого электролита, выполненный в форме конусной шайбы 2, которая может быть выполнена заодно с центральной втулкой 1 и имеет в качестве покрытий внутренний электродный слой 3 и внешний электродный слой 4, между которыми через слой твердого электролита, имеющий при рабочей температуре 850-950°C кислородную проводимость, проходит поток ионов кислорода 5, образующихся при разложении водяного пара на внутреннем электродном слое 3 при вступлении с ним в контакт водяного пара. Образующееся при разложении водяного пара газообразное топливо 7, представляющее собой смесь водорода и водяного пара, через сепаратор 8 выходит в межсекционное пространство, где собирается и поступает на систему очистки (на Фигурах не показана). Водяной пар поступает на разложение из внутреннего газового коллектора через газовые проходы 9 во внешней части конусной шайбы 2 (Фиг. 2), имеющей корончатые выступы 10 в центральной втулке 1, которая формирует внутри себя пространство внутреннего газового коллектора. Кислородсодержащий газ 6, представляющий из себя смесь кислорода и водяного пара, образующийся из водяного пара на внешнем электродном слое 4, поступает в кольцевые секции 11 наружного газового коллектора, который может иметь спиральное трубчатое соединение с другими кольцевыми секциями 11 наружного газового коллектора (Фиг. 3). Кольцевая секция 11 может разделять ряды конусных шайб 2 и, в варианте топливного элемента, как показано на Фиг.4, подает кислородсодержащий газ 6 (воздух или кислород) в пространство между катодами 12 соседних конусных шайб 2. Катод 12, расположенный с внешней части конусной шайбы 2, подключен через тоководы, размещенные во внутреннем газовом коллекторе, к аноду 13 (топливному электроду) следующей по ходу конусной шайбы 2 и так далее. Катоды 12 и аноды 13 разделены слоем твердого электролита 16, сформированного в конусной шайбе 2.

В варианте, когда электрохимический преобразователь энергии используется в качестве топливного элемента, как показано на Фиг. 5, газообразное топливо 7 поступает из межсекционного пространства через сепаратор 8 для взаимодействия с ионами кислорода 5, образующимися из кислородсодержащего газа 6 на внешнем электродном слое 4 (катоде), покрывающем поверхность конусной шайбы 2. При взаимодействии с ионами кислорода 5 газообразное топливо 7 на внутреннем электродном слое 3 (аноде) превращается в продукты окисления топлива с одновременной затратой части энергии, высвобождающейся при этой реакции, на создание электродвижущей силы, расходуемой во внешней электрической нагрузке (Фиг. 4).

Сепараторы 8 имеют каналы для прохода газа и могут быть выполнены из упругого материала с высоким омическим сопротивлением, например керамического волокна или матов. В частности, таким материалом может служить муллитокремнеземистое волокно.

Электродные слои, расположенные на поверхности конусных шайб 2 с их внутренней и внешней сторон, имеют противоположные полярности и разделены слоем твердого электролита 16, причем у одной конусной шайбы 2 катод 13 соединен с одним тоководом внутреннего газового коллектора, а анод соединен с другим тоководом 14 внутреннего газового коллектора, подключенным, соответственно, к катоду предыдущей конусной шайбы.

Металлические проводящие ток элементы содержатся в секциях наружного газового коллектора 11, а также расположены на тоководах 14 и 15, электродных слоях 3 и 4 и могут быть изготовлены на основе следующих материалов: проницаемых для газов слоев платины, никелевых нанотрубок или никелевых сеток.

Центральная втулка 1 может содержать межэлектродный слой, электрически изолирующий электродные слои 3 и 4, соответственно, на внутренней и внешних поверхностях конусной шайбы 2.

По меньшей мере, часть соседних конусных шайб 2 могут быть соединены между собой посредством спекания по сопряженным поверхностям центральных втулок 1 и образовывать между собой внутреннюю полость, герметично замкнутую по меньшему диаметру наружной поверхностью центральной втулки 1, а по большему диаметру с помощью кольцевой секции 11 наружного газового коллектора, причем электродные слои 3 и 4 во внутренней полости электрически изолированы от электропроводной части кольцевой секции 11 наружного газового коллектора, который имеет выход по газу во внутреннюю полость.

Устройство в варианте топливного элемента (Фиг. 4, Фиг. 5) работает следующим образом.

Из межсекционного пространства в межэлектродную полость подают газообразное топливо 7, в качестве которого могут использоваться углеводороды, синтез-газ или водород. На электродном слое 3, который в данном варианте является анодом, происходит окисление газообразного топлива 7 ионами кислорода 5, доставляемые через электродный слой конусных шайб 2 из катодной полости, образуемой между электродными слоями 4, выполняющими в данном варианте функцию катода. В электрохимических ячейках, выполненных в форме конусных шайб 2, слой твердого электролита изготовлен из керамического материала и, для обеспечения высокой кислородной проводимости, разогрет до рабочей температуры 950-990°С. В катодную полость из кольцевой секции 11 наружного газового коллектора подают кислородсодержащий газ 6, в качестве которого может использоваться как воздух, так и кислород. Водород, входящий в состав газообразного топлива 7, на электродном слое 3 ионизируется и ионы водорода вступают в реакцию с оксидными ионами кислорода 5 с образованием воды и высвобождением двух электронов. Продукты окисления газообразного топлива 7 отводятся через газовые проходы в центральной втулке 2 во внутренний газовый коллектор, а затем на последующую утилизацию с охлаждением в регенераторе или теплообменнике (на Фигурах не показаны). Катоды 13 межэлектродного пространства соединены тоководами 14 с анодами следующих по ходу конусных шайб 2? как это показано на Фиг.4, что позволяет отводить образующуюся электроэнергию через крайние электродные слои к клеммам 15, подключенным к внешней нагрузке.

Такое решение позволяет последовательно соединить электрохимические ячейки, выполненные в форме конусных шайб 2. Угол конусности может составлять от 120 до 180 град. В каждой ячейке несущим механическую нагрузку может выступать как слой твердого электролита 16 конусных шайб 2, так и внутренние электродные слои 4, передающие нагрузку на центральную втулку 1. В последнем случае удается уменьшить толщину слоя твердого электролита конусных шайб 2.

В таблице даны характеристики экспериментальной ячейки электрохимического преобразователя энергии в варианте топливного элемента (Фиг. 4, Фиг. 5), в котором из межсекционного пространства в межэлектродную полость подают газообразное топливо 7, в качестве которого используют водород, который на электродном слое 3 ионизируется и ионы водорода вступают в реакцию с оксидными ионами кислорода 5 с образованием воды и высвобождением двух электронов. Продукты окисления водорода 7 отводятся через газовые проходы в центральной втулке 2 во внутренний газовый коллектор. Исходя из экспериментов, выполненных для выбранных материалов:

где Т, °C - рабочая температура, Imax, А - сила тока, Uяч, В - напряжение на ячейке, Jpacч, мА/см2 - плотность тока, Рmax, Вт - производимая мощность ячейки.

Благодаря развитой поверхности электродных слоев и принятой их компоновке в многорядной секции, ряды которой образованы трубчатыми сборками, вдоль своей оси набранными из электрохимических ячеек, выполненных в форме конусных шайб 2, содержащих слой твердого электролита 16, а также электродные слои 3 и 4 с центральными втулками 1, формирующими внутренний газовый коллектор 1, в котором одновременно размещены тоководы 14, удается существенно повысить объемную мощность электрохимического преобразователя энергии.

Недостающие 0.1-0.2 В до теоретического значения 1.1 В связаны с поляризацией, характерной для данных электродных слоев 3 и 4 при температуре испытания. Полученные результаты, касающиеся значений удельной мощности (250 мВт/см2 при силе тока 300 мА/см2), показывают, что конструкция ячейки с самонесущей шайботрубчатой конфигурацией позволяет уменьшить толщину слоя твердого электролита 2 в десятки раз, а следовательно, увеличить ток и мощность ячейки.

Дополнительным положительным свойством данного электрохимического преобразователя энергии является возможность использования уже существующих материалов, технических решений и оборудования, необходимых для его создания. Таким образом, указанное устройство позволяет повысить устойчивость к термокачкам, а следовательно, ресурс и надежность работы устройства и снизить стоимость его изготовления.

1. Электрохимический преобразователь энергии, содержащий электроды, электрический соединитель и слой твердого электролита, выполненный из смеси оксидов металлов, включающих диоксид циркония и оксид металла, выбранного из группы, включающей оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смеси, и имеющий на части своей поверхности электродные слои, проницаемые для газов, проводящие электрический ток и покрытые на части своей поверхности контактными слоями, отличающийся тем, что преобразователь выполнен в виде многорядной секции, ряды которой образованы трубчатыми сборками, вдоль своей оси набранными из электрохимических ячеек, выполненных в форме конусных шайб, содержащих слой твердого электролита, а также электродные слои, с центральными втулками, формирующими внутренний газовый коллектор, в котором одновременно размещены тоководы, причем часть конусных шайб разделена между собой сепараторами, проницаемыми для газа, а другая часть конусных шайб разделена наружным газовым коллектором.

2. Электрохимический преобразователь энергии по п. 1, отличающийся тем, что электродные слои, расположенные на поверхности конусных шайб с их внутренней и внешней сторон, имеют противоположные полярности и разделены слоем твердого электролита, причем внутренний электродный слой соединен с одним тоководом внутреннего газового коллектора, а внешний электродный слой соединен с другим тоководом внутреннего газового коллектора.

3. Электрохимический преобразователь энергии по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сепараторы имеют каналы для прохода газа и выполнены из упругого материала с высоким омическим сопротивлением, например, керамического волокна или матов, и имеют возможность изменения газодинамического сопротивления.

4. Электрохимический преобразователь энергии по п.1 или 2, отличающийся тем, что центральная втулка содержит межэлектродный слой, электрически изолирующий электродные слои соответственно на внутренней и внешней поверхностях конусной шайбы.

5. Электрохимический преобразователь энергии по п. 1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть соседних конусных шайб соединены между собой посредством спекания по сопряженным поверхностям втулок и образуют между собой внутреннюю полость, герметично замкнутую по меньшему диаметру наружной поверхностью втулки, а по большему диаметру с помощью наружного газового коллектора, причем электродные слои внутренней полости электрически изолированы от электропроводной части наружного газового коллектора, который имеет выход по газу во внутреннюю полость.

6. Электрохимический преобразователь энергии по п. 1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть центральных втулок имеет, по меньшей мере, на части окружности корончатые или зубчатые выступы, образующие газовый проход во внутренний газовый коллектор.

7. Электрохимический преобразователь энергии по п. 1 или 2, отличающийся тем, что металлические проводящие ток элементы изготовлены на основе следующих материалов: проницаемых для газов слоев платины, никелевых нанотрубок или никелевых сеток.

8. Электрохимический преобразователь энергии по п. 1 или 2, отличающийся тем, что наружный газовый коллектор имеет кольцевые секции, размещенные, по меньшей мере, между частью конусных шайб и соединенные по газу таким образом, чтобы образовать спиральную трубчатую конструкцию.

9. Электрохимический преобразователь энергии по п. 1 или 2, отличающийся тем, что контакты электродных слоев с тоководами, расположенными во внутреннем газовом коллекторе, проложены вдоль газовых проходов во внутренний газовый коллектор.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к катодному материалу для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) на основе сложных оксидов 3d-металлов.

Изобретение относится к композитному кислородному электроду, содержащему пористую структуру основы, включающую две отдельные, но перколированные фазы, причем первая фаза представляет собой электронопроводящую фазу, а вторая фаза представляет собой оксидную ионопроводящую фазу, и электрокаталитический слой на поверхности указанной структуры основы, причем указанный электрокаталитический слой содержит первые наночастицы, представляющие собой электрокаталитически активные наночастицы и вторые наночастицы, формируемые из ионопроводящего материала, при этом первые и вторые частицы произвольно распределены по всему злектрокаталитическому слою.

Изобретение относится к электрохимическим генераторам, в которых химическая энергия топлива преобразуется непосредственно в электрическую энергию, а именно к высокотемпературным электрохимическим устройствам с внутренней конверсией топлива.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к комбинации схем потоков внутри каждого элемента и между элементами пакета топливных элементов (ТЭ) или пакета электролитических элементов.

Изобретение относится к области катализа, а именно каталитическим активным пористым композитным материалам, которые могут быть использованы в качестве несущих электродов электрохимических устройств для получения водорода и/или кислорода либо высоко- и среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Заявленное изобретение относится к твердым окисным топливным элементам (ТЭ), полученным в соответствии со способом, в котором имеют место стадии: - нанесения слоя топливного электрода: слоя электролита, содержащего стабилизированный цирконий, на слой топливного электрода для получения системы из основы топливного электрода и электролита; - спекания системы из основы топливного электрода и электролита друг с другом для получения полуэлемента; - нанесения на слой электролита предварительно спеченного полуэлемента одного или более слоев кислородного электрода, причем, по меньшей мере, один из слоев содержит композит из лантан-стронций-манганита и стабилизированного циркония для получения полного твердого окисного элемента; - спекания одного или более слоев кислородного электрода с предварительно спеченным полуэлементом; а также пропитки марганцем одного или более слоев кислородного электрода полного твердого окисного элемента для получения пропитанного марганцем ТЭ.

Настоящее изобретение относится к материалу для изготовления протонообменной мембраны для электрохимического устройства, в частности топливного элемента, электролизера или аккумулятора.

Система топливного элемента содержит топливный элемент (10), первую камеру (20) сгорания, первый обратный канал (17) для обогревающего газа и систему (50) подачи газа. Топливный элемент (10) включает в себя элемент с твердым электролитом с анодом (12) и катодом (13).

Предложенное изобретение относится к способу изготовления электрохимического преобразователя энергии с твердым электролитом, который включает нанесение металлокерамического материала (2А), (2В) на обе стороны центральной керамической пластины (1), причем на обеих сторонах этой пластины в металлокерамическом материале (2А), (2В) проделывают каналы (3А), (3В), затем каналы (3А), (3В) по обе стороны пластины покрывают слоями металлокерамического материала (4А), (4В).

Изобретение относится к способу оптимизации проводимости, который обеспечен вытеснением Н+ протонов и/или ОН- ионов в проводящей мембране. Способ содержит стадии, на которых используют проводящую мембрану, изготовленную из материала, позволяющего введение пара, используют рабочую температуру в зависимости от указанного материала, вводят под давлением газообразный поток, содержащий пар в указанной мембране для нагнетания указанного пара в указанную мембрану при определенном парциальном давлении с тем, чтобы получить желаемую проводимость при данной температуре, причем указанное парциальное давление выше или равно 1 бар.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к катодному материалу для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) на основе сложных оксидов 3d-металлов.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом. Снижение поляризационного сопротивления электрода, а также улучшение протекания электродных реакций газообмена является техническим результатом предложенного изобретения.

Изобретение относится к устройству электрохимического генератора с твердым электролитом, преимущественно для генераторов малой и средней мощности до 15÷20 кВт. Указанный генератор содержит заключенные в корпус с теплоизолирующими стенками, рабочую камеру с батареей топливных элементов, камеру сгорания, конвертор природного газа, каналы для подачи и отвода топлива и газов, при этом конвертор природного газа установлен в рабочей камере, генератор содержит теплообменник, смонтированный в теплоизолирующих стенках, при этом канал для подачи газа-окислителя в рабочую камеру образован пространством между камерой сгорания и рабочей камерой и соединен с каналом для подачи воздуха в теплообменник, каналы для отходящих газов которого соединены с камерой сгорания.

Изобретение относится к композитному кислородному электроду, содержащему пористую структуру основы, включающую две отдельные, но перколированные фазы, причем первая фаза представляет собой электронопроводящую фазу, а вторая фаза представляет собой оксидную ионопроводящую фазу, и электрокаталитический слой на поверхности указанной структуры основы, причем указанный электрокаталитический слой содержит первые наночастицы, представляющие собой электрокаталитически активные наночастицы и вторые наночастицы, формируемые из ионопроводящего материала, при этом первые и вторые частицы произвольно распределены по всему злектрокаталитическому слою.

Изобретение относится к электродной камере химического источника тока, включающей в себя бинепрерывную микроэмульсию, при этом каталитические частицы создаются in situ в текучей среде, которая может действовать как катод, а также как анод.

Изобретение относится к области химических источников тока, а именно к способу изготовления и материалу каталитического электрода - элемента мембранно-электродного блока для водородных и спиртовых топливных элементов.

Изобретение относится к каталитическому электроду для мембранно-электродных блоков спиртовых (использующих в качестве топлива метанол или этанол) топливных элементов, где в качестве электрокаталитического материала используется электропроводный диоксид титана, легированный оксидом рутения в соотношении рутения к титану от 4 до 7 мол.%, с нанесенными на поверхности сферических частиц оксида титана, легированного рутением, наночастицами платины размером 3-5 нм.

Настоящее изобретение относится к области химических источников тока, а именно к материалу носителя для электрокатализаторов на основе диоксида титана, легированного рутением, для применения в качестве материала анода в спиртовых низкотемпературных топливных элементах с полимерной протонобменной мембраной.

Предложенное изобретение относится к способу изготовления электрохимического преобразователя энергии с твердым электролитом, который включает нанесение металлокерамического материала (2А), (2В) на обе стороны центральной керамической пластины (1), причем на обеих сторонах этой пластины в металлокерамическом материале (2А), (2В) проделывают каналы (3А), (3В), затем каналы (3А), (3В) по обе стороны пластины покрывают слоями металлокерамического материала (4А), (4В).
Изобретение относится к способу плазмохимической обработки углеродного носителя электрохимического катализатора. Способ заключается в том, что обработку производят в вакуумной камере, снабженной устройством для возбуждения холодной плазмы, держателем углеродного порошка, выполненным с возможностью перемешивания порошка, а также устройством подачи кислородо-аммиачной газовой смеси, установленной с возможностью подачи газовой смеси в полость вакуумной камеры, аммиачно-кислородную газовую смесь подают в вакуумную камеру, где возбуждают холодную плазму, перемешивают порошок углеродного носителя и производят обработку поверхности углеродного носителя холодной плазмой при низком давлении, при этом для размещения порошка углеродного носителя используют установленную в держателе пористую подложку с открытой пористостью, выполненную из инертного материала, пневматически связанную с устройством подачи кислородо-аммиачной газовой смеси, помещают на подложку слои частиц углеродного носителя, через пористую подложку продувают кислородо-аммиачную газовую смесь с образованием над подложкой псевдокипящего слоя частиц углеродного носителя.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления каталитического электрода мембрано-электродного блока, преимущественно для водородных и метанольных топливных элементов. Способ изготовления каталитического электрода топливного элемента включает изготовление композитного катализатора на основе гетерополисоединений и активного каталитического слоя на его основе с добавлением гидрофобизирующей добавки. Каталитический электрод представляет собой пористый наноструктурированный слой композита толщиной 5-15 мкм, состоящий из: катализатора - композита из протонопроводящего гетерополисоединения в виде цезиевой соли фосфорновольфрамовой кислоты и электропроводящей добавки из углеродного материала или легированного диоксида олова, на которые химически нанесены частицы каталитического металла платиновой группы со средним размером 3 нм, а также 5-20% гидрофобизатора, предпочтительно политетрафторэтилена. При этом содержание благородного металла в композитном катализаторе составляет от 5 до 30 мас.%, электропроводящих компонентов от 2 до 30 мас.%. Повышение электрохимической активности каталитического электрода и его коррозионной стойкости является техническим результатом изобретения. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 пр.
Наверх