БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1997 года по МПК H01M8/12 H01M8/24 

Изобретение относится к электрохимическим генераторам, а более конкретно, к батареям, выполненным на основе твердооксидных топливных элементов.

Известны разнообразные конструкции батарей, которые прежде всего определяются формой используемых твердооксидных топливных элементов. Условно твердооксидные топливные элементы можно разделить на три группы: пластинчатые, трубчатые и блочные. Первую группу составляют элементы в виде плоских или близких к плоским пластин различных форм: круглых, кольцеобразных прямоугольных. Батареи, использующие данную группу элементов и к которым относится заявляемое изобретение, называются условно планарными.

Твердооксидный топливный элемент плоской формы состоит из слоя твердого электролита, на противоположные стороны которого нанесены электродные покрытия: анодное и катодное. Планарная батарея формируется при сборке таких элементов в стопку с одновременным образованием электродных камер и коммуникационных каналов. Топливный и окислительный газовые реагенты, поступающие через систему коммуникационных каналов в соответствующие электродные камеры, взаимодействуют с электродными покрытиями отдельного элемента, в результате чего между электродами возникает разность потенциалов, снимаемая токосъемниками, контактирующими с электродными покрытия. Элементы могут соединяться между собой как последовательно, так и параллельно. в частности, известна батарея из собранных в стопку элементов, каждый из которых содержит выполненный из электролита диск, покрытый с каждой стороны электродным покрытием, первое и второе кольца между которыми зажат электролитный диск, электропроводящий диск и сепараторный диск, отделяющий один элемент от другого. Сепараторный диск, электролитный диск и кольца имеют соосные отверстия, образующие при сборке элементов в стопку систему соосных патрубков для газовых реагентов (Пат. США N 3526549, кл. 136-86, 1968 г.)
Недостатком такой конструкции является сложность, обусловленная наличием большого количества разнообразных сборочных единиц: двух разделительных колец, сепараторного диска, электропроводящего диска и, как следствие, большая материалоемкость.

Известна другая батарея из набранных в сборку элементов, каждый из которых содержит первое и второе электропроводные кольца, между которыми зажат электролитный диск с металлическими электродами, электроизоляционный (сепараторный) диск, отделяющий анодное и катодное пространства соседних элементов и систему соосных каналов для газовых реагентов (М.В.Перфильев и др. "Высокотемпературный электролиз газов", М. Наука, 1988 г. с.192, рис. 6.5).

В данной конструкции также необходимо использование сепараторного диска для формирования изолированных друг от друга электродных камер.

Наиболее близкой к заявляемой является батарея топливных элементов, собранных в стопку, каждый из которых содержит топливную ячейку из тонкослойного твердого электролита в форме диска с электродными покрытиями на противоположных сторонах и кольцевую обойму, охватывающую топливную ячейку, а также первый и второй кольцевые токосъемники, разделительные газонепроницаемые диски, вертикальные каналы для подвода и отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов, образованные сквозными отверстиями в кольцевых обоймах и токосъемниках, и горизонтальные каналы для соединения вертикальных каналов с электродными камерами, образованные радиальными отверстиями в разделительных дисках (пат. США N 3505114, кл.136-86,1968.).

Недостатком данной конструкции, как и вышеприведенных, является необходимость использования разделительных газонепроницаемых дисков для организации электродных камер и громоздких токосъемников, что ведет к увеличению материалоемкости конструкции.

Настоящее изобретение направлено на создание такой конструкции твердотопливной батареи, в которой использовалось бы минимальное количество деталей, что обеспечит не только большую технологичность устройства, но и повышенную удельную мощность на единицу веса.

Поставленная задача решается тем, что в батарее топливных элементов, собранных в стопку, каждый из которых содержит топливную ячейку из тонкослойного твердого электролита с электродными покрытиями на противоположных сторонах, кольцевую обойму, охватывающую топливную ячейку, и кольцевой токосъемник, содержащей также электродные камеры, вертикальные каналы для подвода-отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов и горизонтальные каналы для сообщения вертикальных каналов с электродными камерами, согласно изобретению, в верхней части кольцевой обоймы выполнена кольцевая расточка, в которую по периферийной области уложена топливная ячейка, в наружной стенке кольцевой обоймы равномерно выполнены четыре паза, образующие при наложении кольцевых обойм друг на друга вертикальные каналы, а в двух противоположных пазах выполнены сквозные прорези, образующие горизонтальные каналы. Боковая поверхность электродных камер образована внутренними стенками кольцевых обойм, а верхняя и нижняя поверхности одноименными электродными покрытиями соседних топливных ячеек. Кольцевые токосъемники расположены внутри каждой электродной камеры по ее периметру, контактируя с одноименными электродными покрытиями обеих топливных ячеек, и снабжены токовыводами, проходящими через стенки кольцевых обойм.

Благодаря такому выполнению кольцевых обойм и размещению в них топливных ячеек с встречным направлением одноименных электродов, удалось организовать изолированные друг от друга электродные камеры без использования специальных разделительных элементов, при этом использована облегченная конструкция токосъемников.

Кроме того, для обеспечения одинакового коэффициента температурного расширения используемых элементов, кольцевая обойма выполнена из материала, который использован при изготовлении топливной ячейки. Наиболее предпочтителен диоксид циркония с добавками.

Топливная ячейка может быть выполнена в форме диска, как это предложено в прототипе и в большинстве других аналогичных конструкций. Однако с точки зрения устойчивости по отношению к механическим напряжениям, возникающим при температурных расширениях материала электролита, наиболее предпочтительно выполнение топливной ячейки в форме сегмента полой сферы, при этом одноименные электродные покрытия у соседних ячеек предлагается наносить на выпуклую и вогнутую поверхности, соответственно.

Кроме того, токовыводы, кольцевых токосъемников предлагается выводить в полости вертикальных каналов, предназначенных для восстановительного реагента.

На фиг. 1 показан вариант отдельного топливного элемента заявляемой батареи с топливной ячейкой в виде сегмента сферы; на фиг. 2 фрагмент батареи в виде стопки из трех топливных элементов такого типа.

Каждый топливный элемент состоит из топливной ячейки 1 и кольцевой обоймы 2. Топливная ячейка 1 содержит твердый электролит 3 в форме тонкостенного сегмента полой сферы из высокотемпературной керамики, например, диоксида циркония, катодное покрытие 5, выполненное, например, напылением мангинитлантана стронция, и анодное покрытие 4 в виде напыленного слоя, например, никелевого кермета. В кольцевой обойме 2 выполнена расточка 6, на которую уложена топливная ячейка и зафиксирована, например, с помощью высокотемпературного клея. В наружной стенке кольцевой обоймы 2 выполнены четыре наружных паза 7, в противоположных пазах 7 выполнены сквозные прорези 8. При сборке используются два типа топливных ячеек, отличающихся только местонахождением одноименных электродных покрытий, т.е. у двух соседних ячеек одноименные покрытия находятся на выпуклой и вогнутой поверхностях сферических сегментов. Сборка осуществляется простым наложением снаряженных топливными ячейками 1 кольцевых обойм 2 друг на друга (фиг.2) при совмещении пазов 7, которые образуют вертикальные каналы для газообразных реагентов. Пространства между ячейками выполняют функции электродных камер, например, анодной 9 и катодной 10. Сквозные прорези 8 сообщают вертикальные каналы, образованные пазами 7 с соответствующими электродными камерами 9 или 10. При сборке соседние обоймы 2 разворачивают вокруг оси друг относительно друга на 90^o, при этом сквозные прорези 8 сообщают одноименные камеры с соответствующими им вертикальными каналами. До сборки в стопку кольцевой токосъемник 11 надежно соединяют, например спеканием, с вогнутым электродным покрытием по его наружному контуру. Высота кольцевого токосъемника 11 такова, чтобы в образованной при наложении элементов друг на друга электродной камере между электродными покрытиями осуществлялся надежный электрический контакт. Для улучшения контакта на внутреннюю поверхность токосъемника 11 наносят соответствующее электродное покрытие в виде шликера. Снятие напряжения с кольцевых токосъемников 11 осуществляется с помощью проволочных токовыводов 12. Вся стопка помещается в цилиндрический корпус 13, ограничивающий снаружи вертикальные каналы для подвода реагентов. Имеются также верхняя и нижняя крышки с патрубками для подвода и отвода реагентов, электрические вертикальные шины для соединения токовыводов (не показаны), которые принципиально не отличаются от подобных элементов, используемых в аналогичных конструкциях.

Токовыводы 12 через специальные отверстия в стенках кольцевых обойм 2 выводятся в вертикальные каналы, предназначенные для восстановительного реагента, что позволяет расширить выбор материалов токовыводов.

На фиг. 2 показаны каналы 7 для восстановительного реагента, которые с помощью сквозных прорезей 8 сообщаются с анодными камерами 9. Через один канал, например левый, в указанные камеры поступает водородсодержащий газ. Аналогично через подобный канал, развернутый относительного первого на 90^o поступает воздух в катодные камеры 10. Реагенты омывают электродные поверхности топливных ячеек и, взаимодействуя с ними при определенной температуре, обеспечивают преобразованием химической энергии в электрическую. Продукты реакции и непрореагировавшие газообразные продукты удаляются из камер 9, 10 через противоположные каналы.

Проведенный расчет показал работоспособность заявляемой батареи топливных элементов.

Использование: высокотемпературные преобразователи энергии. Сущность изобретения: Батарея содержит стопку твердооксидных топливных элементов, каждый из которых содержит топливную ячейку 1, состоящую из слоя твердого электролита 3 и электродных покрытий 4, 5 и кольцевую обойму 2 с расточкой 6 в ее верхней части, в которую уложена топливная ячейка 1. Электродные камеры в указанной батарее образуются при наложении снаряженных топливными ячейками 1 кольцевых обойм 2 торцами друг на друга и ограничены по боковой поверхности внутренней поверхностью указанных кольцевых обойм, а сверху и снизу - одноименными электродными покрытиями соседних топливных ячеек. Пазы 7 образуют вертикальные канаты для газообразных реагентов, а прорези 8 служат горизонтальными каналами, сообщающими вертикальные каналы с указанными электродными камера. Наиболее предпочтительной формой топливной ячейки является сегмент полой сферы. Кольцевые токосъемники 11 размещены внутри каждой электродной камеры, контактируя с электродными покрытия соседних топливных ячеек и снабжены токовыводами 12. Благодаря минимально необходимому количеству используемых деталей, батарея обладает повышенной удельной мощностью на единицу веса. 3 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Батарея топливных элементов, собранных в стопку, каждый из которых содержит топливную ячейку из тонкослойного твердого электролита с электродными покрытиями на противоположных сторонах, кольцевую обойму, охватывающую топливную ячейку, и кольцевой токосъемник, содержащая также электродные камеры, вертикальные каналы для подвода и отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов и горизонтальные каналы для соединения вертикальных каналов с электродными камерами, отличающаяся тем, что в верхней части кольцевой обоймы выполнена кольцевая расточка, в которую по периферийной области уложена топливная ячейка, в наружной цилиндрической стенке кольцевой обоймы равномерно по окружности вдоль образующей на всю высоту обоймы выполнены четыре паза, образующие при наложении кольцевых обойм друг на друга вертикальные каналы, а в двух противоположных пазах в радиальном направлении выполнены сквозные прорези, образующие при наложении кольцевых обойм друг на друга горизонтальные каналы, при этом боковая поверхность электродных камер образована внутренними стенками кольцевых обойм, а верхняя и нижняя поверхности одноименными электродными покрытиями соседних топливных ячеек, а кольцевые токосъемники размещены внутри каждой электродной камеры по ее периметру, контактируя с одноименными электродными покрытиями обеих топливных ячеек, и снабжены токовыводами, проходящими через стенки кольцевых обойм. 2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что кольцевая обойма выполнена из материала твердого электролита. 3. Батарея по п.2, отличающаяся тем, что топливная ячейка выполнена в форме сегмента полой сферы, при этом одноименные электродные покрытия соседних ячеек нанесены на выпуклую и вогнутую поверхности соответственно. 4. Батарея по п.2, отличающаяся тем, что токовыводы кольцевых токосъемников выведены в вертикальные каналы, предназначенные для восстановительного реагента.