МЕМБРАННО-ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С КОНТАКТНЫМИ СЛОЯМИ

Полезная модель относится к области высокотемпературных топливных элементов и может найти применение при проведении исследовательских испытаний твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и изготовлении сборок ТОТЭ любой мощности.
Твердооксидные топливные элементы - это высокоэффективные электрохимические генераторы электрической и высокопотенциальной тепловой энергии. Отличительной особенностью ТОТЭ являются высокие рабочие температуры - более 800°С для элементов с несущим электролитом - и широкий спектр используемых топлив: водород, различные углеводороды, спирты, угарный газ и т.д. Электрохимический способ генерации позволяет получить рекордные значения коэффициента полезного действия (КПД) по производству электроэнергии, достигающие 60%, а в гибридных установках с газовыми и паровыми турбинами - до 70%. С учетом утилизации сопутствующего высокопотенциального тепла экспериментально показано, что полный КПД может превышать 90%. В основе принципа работы ТОТЭ лежит создание градиента химического потенциала кислорода с двух сторон газоплотной, проводящей электрический ток исключительно по ионам кислорода, мембраны твердого электролита. На катоде ТОТЭ протекает реакция образования ионов из газообразного кислорода, которые затем участвуют в транспорте ионного тока через анион-проводящую мембрану на анод, где проходит реакция окисления топлива: в наиболее распространенном варианте подачи в сборку синтез-газа, получаемого в результате риформинга углеводородов, водород окисляется до воды, а угарный газ - до углекислого. Во внешней цепи при этом протекает равный по величине ток электронов.
2
Плотность снимаемой с мембранно-электродного блока (МЭБ) ТОТЭ мощности, обычно, не превышает 1 Вт/см. Для достижения технически значимых величин полной снимаемой мощности на основе единичных мембранно-электродных блоков ТОТЭ изготавливают сборки МЭБ ТОТЭ. При изготовлении сборки единичных ТОТЭ с целью обеспечения газораспределения и съема тока используют токовые коллекторы, изготавливаемые из керамических или металлических высокопроводящих материалов (например, ферритных нержавеющих сталей). По причине жесткости, как МЭБ ТОТЭ, так и деталей токовых коллекторов, обеспечение плотного прилегания поверхности электродов к контактным областям токовых коллекторов для создания эффективного электрического контакта на всей поверхности электрода является технически сложной задачей.
Известно несколько способов обеспечения эффективного съема тока с электродов планарных ТОТЭ, в частности, в патенте KR 101226489 В1 от 09.05.2011 г. предлагается использовать дополнительный гибкий и сжимаемый буферный элемент, за счет чего компенсируется разнотолщинность и неравномерность изгиба топливного элемента и детали токового коллектора и обеспечивается надежный контакт на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор». Необходимость использования дополнительного элемента усложняет процесс изготовления сборки ТОТЭ и увеличивает ее стоимость. Кроме того, в патенте не конкретизируется фазовый состав предлагаемого буферного элемента, что, потенциально, подразумевает внесение дополнительных материалов, отличных от материалов, используемых при изготовлении МЭБ ТОТЭ и деталей токовых коллекторов, что может приводить к снижению стабильности эксплуатационных характеристик сборки МЭБ ТОТЭ.
0,8
0,2
3-δ
2
3
2
В патенте RU 2568815, опубликованном 20.11.2015 г., для создания надежного контакта на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» предлагается использовать контактные пасты на основе наиболее распространенных электродных материалов: катодного материала LaSrMnO (LSM) – для катодного электрода; керметного материала состава 60 вес. % NiO+40 вес. % YO-ZrO - для анодного электрода. Важной особенностью является возможность формирования проводящего контакта при температурах 700-850°С за счет использования наноразмерных механически активированных исходных порошков. Такой подход не вносит новых материалов в анодную и катодную камеры ТОТЭ, что снижает риск отрицательного влияния на стабильность характеристик сборки ТОТЭ, однако, в патенте не предлагается усовершенствование электродов ТОТЭ за счет нанесения дополнительных не спеченных контактных слоев.
Наиболее близким устройством, выбранным в качестве прототипа, является мембранно-электродный блок ТОТЭ, описанный в патенте № US 8449702 В2 от 28.05.2013 г. В патенте приводится конструкция МЭБ ТОТЭ планарной геометрии электролит-поддерживающей конструкции. Основой такого элемента является анион-проводящая мембрана, несущая основные механические нагрузки при изготовлении и работе МЭБ. На нее последовательно наносят подслои многослойных анода и катода, формирование которых происходит во время совместной высокотемпературной обработки. Для обеспечения эффективного съема тока с поверхности электродов такого МЭБ необходимо применять дополнительные процедуры и детали, не описанные в патенте.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, состоит в формировании высокопроводящего электрического контакта на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор». Результат может выражаться, в частности, в снижении сопротивления контакта «электрод | токовый коллектор», а также в повышении стабильности эксплуатационных характеристик сборки МЭБ ТОТЭ.
Для достижения указанного технического результата мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента содержит мембрану твердого электролита, катодный электрод и анодный электрод, при этом на поверхностях электродов нанесены дополнительные контактные слои, обеспечивающие за счет спекания формирование электрического контакта на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» во время первичного запуска сборки ТОТЭ.
Отличительные признаки, заключающиеся в том, что на поверхностях электродов нанесены дополнительные контактные слои, обеспечивающие за счет спекания формирование электрического контакта на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» во время первичного запуска сборки ТОТЭ, обеспечивают высокопроводящий стабильный во времени электрический контакт между МЭБ ТОТЭ и токовыми коллекторами сборки. Это позволяет снизить полное внутреннее сопротивление сборки и повысить его временную стабильность.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение обычного МЭБ ТОТЭ в разрезе, описанного в патенте № US 8449702 В2. В конструкцию МЭБ входят анодный электрод 1, электролит 2 и катодный электрод 3.
Фиг. 2 показывает схематическое изображение предлагаемого МЭБ ТОТЭ с дополнительными контактными слоями в разрезе.
В конструкцию мембранно-электродного блока твердооксидного топливного элемента с контактными слоями входят, помимо обычных для МЭБ ТОТЭ слоев электролита 2, катодного электрода 3 и анодного электрода 1, дополнительные контактные слои: анодный 4 и катодный 5. Дополнительные анодный 4 и катодный 5 контактные слои наносятся, например, методом трафаретной печати на поверхности анода и катода изготовленного МЭБ, соответственно. Контактные слои не подвергаются спеканию, а только низкотемпературному (около 100-150°С) высушиванию с целью удаления легколетучих компонентов органического связующего паст.
Отличительным признаком предлагаемого МЭБ ТОТЭ от известного прототипа является использование контактных проводящих слоев на поверхности электродов. Состав контактных слоев близок к составу электродов. Формирование контактных слоев проходит в цикле герметизации сборки МЭБ ТОТЭ за счет того, что требуемая для спекания температура не превышает температуру формирования. Благодаря наличию указанных выше признаков организован высокопроводящий стабильный во времени электрический контакт между МЭБ ТОТЭ и токовыми коллекторами сборки. Это позволяет снизить полное внутреннее сопротивление сборки и повысить его временную стабильность.
Заявленная полезная модель мембранно-электродного блока твердооксидного топливного элемента с контактными слоями имеет преимущества перед прототипом, заключающееся в том, что в конструкцию введены дополнительные контактные слои, спекающиеся во время первичного запуска сборки МЭБ, что позволяет формировать надежный контакт на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» непосредственно в процессе первичного запуска сборки ТОТЭ и не требует дополнительных температурных обработок. Также использование МЭБ с дополнительными контактными слоями позволяет уменьшить количество деталей, используемых при изготовлении сборки МЭБ ТОТЭ, что значительно упрощает процесс изготовления сборок и снижает их конечную стоимость.