БАТАРЕЯ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1997 года по МПК H01M8/24 H01M8/12 H01M8/10 

Изобретение относится к электрохимическим генераторам, а более конкретно к топливным батареям на твердых электролитах.

Известны различные типы конструкций твердотопливных батарей, классификация которых, как правило, осуществляется по форме используемых элементов. В основном, это трубчатые, пластинчатые и блочные батареи [1]
Каждая из конструкций характеризуется собственными достоинствами и недостатками, и в зависимости от предъявляемых требований и области применения предпочтение отдается той или иной конструкции.

Заявляемая батарея относится к типу пластинчатых, которые, в свою очередь, также характеризуются многообразием конструкций, в основном, из-за формы используемых пластин, круглых, кольцеобразных, прямоугольных и т.д. из-за различного выполнения системы газовводов, организации компоновки и прочего.

В частности, известная пластинчатая батарея из дисковых элементов, содержащая стопку наложенных друг на друга дисков из твердого электролита с нанесенными на противоположные стороны электродами и разделенных кольцеобразными токопроходами, а также газоподводящие и газоотводящие трубки с боковыми вырезами, примыкающими к пазам, выполненным по периферии стопки [2] [3]
Недостатком такой батареи является необходимость обеспечения высокой герметичности анодных и катодных пространств, что технологически не простая задача.

Наиболее близкой к заявляемой является батарея твердотопливных элементов, содержащая стопку отдельных планарных элементов с центральным отверстием, каждый из которых имеет анод и катод, размещенные на противоположных сторонах твердоэлектролитной подложки, проходящие через центральные отверстия элементов первый и второй трубопроводы соответственно для газообразного топлива и кислородсодержащей смеси, имеющие по всей высоте систему перфорированных отверстий для истечения газообразных реагентов в соответствующие электродные пространства, причем отверстия для истечения газообразного топлива смещены относительно отверстий для истечения кислородсодержащей смеси, а вся стопка помещена в теплоизоляционный корпус с боковым зазором и выходным отверстием [4]
Недостатком батареи является невысокая удельная мощность. Это обусловлено следующим. Для обеспечения начала генерации необходимы высокие температуры, которые получают путем использования дополнительного резистивного нагревателя или газовой горелки, что существенно увеличивает непроизводительный рабочий объем батареи. Кроме того, тепловые деформации, воздействующие на замкнутые конструктивные узлы: скрепленные по периферии кольца, зафиксированную с обеих сторон центральную трубку могут привести к преждевременному разрушению конструкции.

Задачей изобретения является создание батареи твердотопливных элементов, обладающих повышенной удельной мощностью за счет отказа от использования внешнего нагревателя и повышение устойчивости к тепловым деформациям.

Это достигается тем, что в батарее твердотопливных элементов, содержащей стопку отдельных планарных элементов с центральным отверстием, каждый из которых имеет анод и катод, размещенные на противоположных сторонах твердоэлектролитной подложки, проходящие через центральные отверстия элементов первый и второй трубопроводы соответственно для газообразного топлива и кислородсодержащей смеси, имеющие по всей высоте систему перфорированных отверстий для истечения газообразных реагентов в соответствующие электродные пространства, причем отверстия для истечения газообразного топлива смещены относительно отверстий для истечения кислородсодержащей смеси, а вся стопка помещена в телоизоляционный корпус с боковым зазором и выходным отверстием, согласно изобретению оба трубопровода образуют закрепленный только на основании корпуса единый несущий стержень, на котором между перфорированными отверстиями закреплены по контуру центрального отверстия отдельные топливные элементы, обращенные одноименными электродами друг к другу, а в боковом зазоре полости корпуса размещено устройство для стартового поджига газовой смеси.

Кроме того, с этой же целью предлагается поверхности пластин выполнить с микрогофрами, при этом глубина и шаг гофрировки на порядок меньше толщины пластины.

Достижение преимущества обеспечивается следующим. Наличие пространства, охватывающего сборку пластин, в котором в начальный период смешиваются горячие газы, позволяет организовать их поджиг непосредственно в этом пространстве, т. е. заставить работать батарею в режиме горелки. В то же время, благодаря консольному закреплению пластин и центральной трубки, возникающие тепловые деформации не вызывают механических напряжений в конструкции и не способствует ее разрушению.

Кроме того, увеличение рабочей поверхности электролита в предлагаемой конструкции позволяет в тех же габаритах дополнительно увеличить снимаемую мощность.

На фиг.1 показан общий вид батареи; на фиг. 2 фрагмент батареи с плоскими пластинами; на фиг. 3 пластины с кольцеобразными гофрами; на фиг. 4 фрагмент пластины с кольцеобразными микрогофрами; на фиг. 5 фрагмент пластины с прямоугольной микрогофрировкой.

Батарея содержит кольцеобразные пластины 1 из твердого электролита, герметично закрепленные на центральной газовводной трубке 2, которая выполнена из непроводящей керамики, имеет закрытый свободный торец 3 и установлена на основании 4 корпуса 5. Перегородка 6 делит внутреннее пространство трубки 2 на полости 7 и 8. На боковой поверхности трубки выполнены отверстия 9 и 10, при этом отверстия 9 смещены относительно отверстий 10, а каждая из полостей соединена с собственным газопроводом 11 или 12. В верхнем торце корпуса 5 выполнено сквозное отверстие 13. Между внутренней поверхностью корпуса 5 и периферийными окончаниями пластин 1 имеется пространство 14, в котором помещено устройство поджига газовой смеси 15, например, электроискровая зажигалка. Это же пространство используется для организации электроконтактных соединений (на чертеже не показаны). Каждая пластина 1 содержит слой твердого электролита 16, на противоположные стороны которого нанесены электроды 17 и 18 (фиг. 2). При этом одноименные электроды в каждой соседней паре пластин обращены навстречу друг другу, что обеспечивает чередование анодных и катодных пространств. Благодаря смещению отверстий 9 относительно отверстий 10, полость 7 сообщается с первыми электродными пространствами, например, катодными, а полость 8 со вторыми электродами пространствами, например, анодными.

Аналогичные анодные и катодные пространства формируются между гофрированными пластинами (фиг. 3). Глубина А шаг Т макрогофров 19, равные порядка 10h, где h толщина пластины, примерно равная зазору между пластинами, обеспечивают: во-первых, несущественное изменение объема батареи, набранной из нескольких десятков макрогофрированных пластин, и, во-вторых, отсутствие проблем, связанных с касанием соседних пластин друг о друга из-за накопления ошибки по шагу.

Глубина a и шаг t микрогофров 20 (фиг. 4) порядка 0,1h несущественно повлияет на разнотолщинность пластин, а следовательно, на электрохимические параметры батареи, но даст заметное приращение рабочей поверхности электролита. Микрогофрировка может быть как однокоординатной: кольцеобразной (фиг. 4 а, б) или радиальной, так и двухкоординатной, например, прямоугольной (фиг. 5).

Батарея работает следующим образом.

В стартовом режиме через газоподводы 11 и 12 подаются топливо и окислитель, поступающие в полости 7 и 8 трубки 2. Топливо через систему первых отверстий, например 9, поступает в катодные пространства, а окислитель через систему вторых отверстий, например, 10, поступает в анодные пространства. Размер отверстий 9 и 10, начальное давление подпора, расстояние между пластинами 1 и их диаметр подбирают так, чтобы было обеспечено одновременное заполнение межэлектродных пространств соответствующими газами. Истекая в пространство 14, топливо и окислитель смешиваются и поджигаются устройством 15, при этом батарея превращается в своеобразную газовую горелку. После разогрева до температур 600-800^oC батарея начинает работать как электрохимический генератор и за счет потерь разогревается до рабочей температуры 900^oC. При этом топливо и окислитель по-прежнему поступают в те же пространства между пластинами 1, а их расход и пропорции при необходимости регулируются. Количество непрореагировавших газов, поступающих в пространство 14, резко снижается и горение прекращается. Благодаря тому, что кольцеобразные пластины 1 закреплены по центру и свободны по периферии по типу консоли, возникающие в них тепловые деформации не вызывают разрушительных механических напряжений. То же самое можно сказать и о консольном закреплении центральной газовводной трубки 4.

Поскольку рабочая поверхность электролита определяет мощность снимаемую с батареи, увеличение поверхности за счет выполнения пластин в виде гофров позволяет увеличить снимаемую мощность. Так, макрогофрировка пластин электролита в простейшем случае выполнения гофр в виде равностороннего треугольника увеличивает рабочую поверхность в раз. Использование аналогичных микрогофр позволяет также увеличить площадь в раз. При одновременном использовании макрогофров и микрогофров можно увеличить рабочую поверхность в 2 раза, что соответственно вызовет увеличение снимаемой мощности.

Таким образом, заявляемая батарея по сравнению с известными не требует дополнительного подогревателя, т. к. способна работать в режиме стартового саморазогрева, и устойчива к температурным деформациям. Благодаря отсутствию подогревателя, а также возможности увеличения рабочей поверхности пластин в данном объеме, батарея обладает повышенной удельной мощностью.

В институте-заявителе выпущены рабочие чертежи для изготовления батареи по данному предложению.

Использование: батарея твердотопливных элементов, с повышенной устойчивостью к тепловым деформациям. Сущность изобретения: батарея содержит кольцеобразные пластины 1, закрепленные на центральной газовводной трубке 2 с закрытым свободным торцем 3, установленной на основании 4 корпуса 5. Перегородка 6 делит внутреннее пространство трубки 2 на полости 7 и 8. Пластины 1 образуют чередующиеся катодные и анодные пространства, которые посредством отверстий 9 и 10 сообщаются с полостями 7 и 8 газовводной трубки 2. В свою очередь полости 7 и 8 соединены с газоподводами 11 и 12. Истекающая в полости 14 смесь газов поджигается устройством стартового поджига 15. Пластины выполнены с одинаковыми кольцеобразными гофрами, при этом глубина гофрировки и расстояние между вершинами гофров на порядок превышают толщину пластины. Консольное закрепление газовводной трубки 2 и пластин 1 предотвращает возникновение механических напряжений в результате тепловых деформаций. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Батарея твердотопливных элементов, содержащая стопку отдельных планарных элементов с центральным отверстием, каждый из которых имеет анод и катод, размещенные на противоположных сторонах твердоэлектролитной подложки, проходящие через центральные отверстия элементов первый и второй трубопроводы соответственно для газообразного топлива и кислородсодержащей смеси, имеющие по всей высоте систему перфорированных отверстий для истечения газовых реагентов в соответствующие электродные пространства, причем отверстия для истечения газообразного топлива смещены относительно отверстий для истечения кислородсодержащей смеси, а вся стопка помещена в теплоизоляционный корпус с боковым зазором и с выходным отверстием для отработанных газов, отличающаяся тем, что оба трубопровода образуют закрепленный только на основании корпуса единый несущий стержень, на котором между перфорированными отверстиями закреплены по контуру центрального отверстия отдельные топливные элементы, обращенные одноименными электродами навстречу друг другу, а в боковом зазоре полости корпуса размещено устройство для стартового поджига газовой смеси. 2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что пластины выполнены с одинаковыми кольцеобразными гофрами, при этом глубина гофрировки и расстояние между вершинами гофров на порядок превышают толщину пластины. 3. Батарея по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что поверхности пластин выполнены с микрогофрами, при этом глубина гофрировки и расстояние между вершинами микрогофров на порядок меньше толщины пластины.