Токовый коллектор батареи твердооксидных топливных элементов

Полезная модель относиться к области электрохимии, а точнее к токопроводным интерконнекторам батарей ТОТЭ планарной геометрии. ТОТЭ состоит из керамического газоплотного электролита с высокой ионной проводимостью с нанесенными по обе стороны пористыми катодом и анодом. Через систему газовых каналов к пористым электродам ТОТЭ раздельно и непрерывно подводятся топливо и воздух. Компоненты топлива и кислород диффундируют сквозь электроды к поверхности твердого электролита, где на трехфазной границе «газ-электрод-электролит» происходят электрохимические реакции. В результате между электродами ТОТЭ возникает разность потенциалов, которую можно использовать во внешней нагрузке. Для увеличения снимаемой мощности отдельные ТОТЭ объединяют в батареи. В батареях ТОТЭ для токосъема используют токовые коллекторы, которые так же выполняют функцию разделения и распределения газовых потоков. Изменив конструкцию токового коллектора, можно увеличить характеристики батареи. Технический результат направлен на увеличение эффективности работы батареи ТОТЭ.
В патенте US 4640876 описана конструкция токового коллектора с газовыми каналами в сонаправленной конфигурации. Такое расположение топливных и окислительных каналов создает дополнительные трудности для герметизации газовых пространств.
Наиболее близкой конструкцией обладает токовый коллектор, предложенной в патенте RU179208 U1. Газовые потоки организованы в скрещенной конфигурации. Также для герметизации анодной камеры используются керамические вкладыши. Однако, по мере прохождения газа по каналам концентрация топлива и окислителя вблизи трехфазных границ снижается, уменьшая тем самым эффективность работы батареи ТОТЭ.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является создание конструкции токового коллектора, позволяющей увеличить эффективность работы батареи ТОТЭ, и улучшить энергетические показатели за счет обеспечения равномерности потоков топлива и окислителя по всей длине канала.
Заявленный технический результат достигается тем, что токовый коллектор батареи ТОТЭ, включающий в себя топливные и окислительные каналы в скрещенной конфигурации, имеет на поверхности топливных и окислительных каналов шероховатость (~40 мкм) вдоль всей длины канала.
Предлагаемая полезная модель токовых коллекторов батареи ТОТЭ иллюстрируется чертежами, где
на фиг 1 показана схема составляющей части батареи ТОТЭ с двумя токовыми коллекторами и топливным элементом между ними;
1 - токовый коллектор;
2 - топливный элемент;
3 - окислительные каналы;
4 - топливные каналы;
на фиг. 2а - изображение канала без шероховатости;
на фиг. 2б - изображение канала с шероховатостью.
В процессе изготовления токового коллектора (1) внутри окислительных (3) и топливных (4) каналов создается шероховатость (~40 мкм) путем прессования, электроэрозионной обработки или любым другим доступным способом.
В топливных (4) и окислительных (3) каналах между токовым коллектором (1) и топливным элементом (2) создается ламинарный поток. Перемешивание внутри таких каналов происходит только диффузионным путем. Диффузионного перемешивания недостаточно для равномерного обеспечения реагентами реакционных центров по всей длине канала. При добавлении шероховатости на стенки окислительных (3) и топливных (4) каналов (фиг. 2б) вместо ламинарных потоков образуются турбулентные, что приводит к более качественному внутреннему перемешиванию потоков, что, в свою очередь, обеспечивает равномерность распределения топлива или окислителя по всей длине канала.
Задача увеличения эффективности работы батареи ТОТЭ решается путем обеспечения достаточного перемешивания потока окислителя или топлива по всей длине канала. Использование токовых коллекторов батареи ТОТЭ с поверхностью каналов, имеющей шероховатость, позволит увеличить эффективность работы батареи ТОТЭ, не меняя размеры, как мембранно-электродного блока, так и самой батареи ТОТЭ в целом. То есть при заданных массогабаритных характеристиках можно будет получить лучшие энергетические показатели, что очень важно, так как батареи ТОТЭ часто используются как мобильные источники энергии.