ЕДИНИЧНЫЙ БЛОЧНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Единичный блочный топливный элемент
Полезная модель относится к единичным блочным твердооксидным топливным элементом с несущим толстостенным пористым электродом и может быть использована в высокотемпературных электрохимических устройствах, электрогенераторах,
электролизерах, кислородных насосах и других устройствах, позволяющих осуществлять прямое преобразование химической энергии топлива непосредственно в электрическую энергию с высоким коэффициентом полезного действия.
Известен единичный блочный топливный элемент, входящий в топливную электрохимическая ячейку (US 5770326, дата публикации 1998 г.), содержащий разноименные электроды и газовые каналы, выведенные на взаимно пересекающиеся (смежные) внешние поверхности элемента. Общим для известного и заявленного элементов является исполнение топливного элемента в виде несущего блока, пронизанного каналами, расположенными под углом друг к другу, на стенках каналов нанесены тонкослойные покрытия из материала с высокой электронной проводимостью.
Большая толщина стенок электролита является причиной относительно высокого внутреннего сопротивления с большими омическими потерями напряжения. Это не позволяет снимать большие плотности тока, как с единичного топливного элемента, так и со всего электрохимического устройства в целом. Кроме того, механические свойства известного устройства, определяющиеся исключительно свойствами твердого электролита, достаточно низки.
Наиболее близким по технической сущности является единичный блочный топливный элемент, используемый в электрохимическом устройстве, (патент RU №2444095, МПК H01M 8/10, опубликованный 27.02.2012), выполненный в форме параллелепипеда с расположенными под углом друг к другу каналами, на стенки которых нанесены тонкослойные покрытия, а образованные при этом группы разноименных газовых каналов выведены на взаимно пересекающиеся поверхности топливного элемента, выполненного из пористого материала одного из электродов, при этом твердый электролит в виде тонкослойного плотного покрытия и второй электрод, расположенный поверх него, нанесены на группу каналов одного знака, а каналы другого знака сформированы в самом несущем электроде.
Единичные блочные топливные элементы электрически соединены последовательно посредством использования биполярной пластины, смонтированной с возможностью контакта одной ее стороны с реберной частью электрода, нанесенного на внешнюю поверхность каналов предыдущего топливного элемента, а другой - с возможностью контакта с торцом несущего электрода последующего топливного элемента.
Недостатком данного единичного блочного топливного элемента является сложность последующей сборки электрохимического устройства, обусловленная наличием конструктивно сложной биполярной пластины, необходимостью ее уплотнения и герметизации.
Кроме того, электрохимическое устройство, собранное из известных блочных топливных элементов, в рабочем режиме постоянно находится в подвешенном состоянии на трубках подвода топлива и отвода отработанного газа, что не исключает его прогиб и, как следствие его разгерметизацию.
Существенным недостатком известного единичного блочного топливного элемента, входящего в известное электрохимическое устройство, является малая общая площадь электродов, являющаяся источником тока и малая площадь контакта токоперехода с внешней поверхностью несущего электрода, что требует значительного количества блочных топливных элементов.
Техническим результатом является повышение мощности и жесткости единичного блочного топливного элемента, увеличение активной поверхности электродов и площади контакта разнополярных электродов при последующей сборке.
Технический результат достигается тем, что единичный блочный топливный элемент, выполненный в виде несущего электрода с расположенными под углом друг к другу каналами, на стенки которых нанесены тонкослойные покрытия, а образованные при этом группы разноименных газовых каналов выведены на взаимно пересекающиеся поверхности топливного элемента, выполненного из пористого материала одного из электродов, твердый электролит в виде тонкослойного плотного покрытия и второй электрод, расположенный поверх него, нанесены на группу каналов одного знака, а каналы другого знака сформированы в самом несущем электроде, согласно полезной модели несущий электрод выполнен в виде кольцевого элемента, с наружной поверхностью в виде усеченного конуса и внутренней поверхностью в виде обратного усеченного конуса, и снабжен равномерно расположенными радиальными каналами, выходящими на наружную и внутреннюю конусные поверхности и расположенными между ними вертикальными каналами, соединяющими основания топливного элемента и образующими N электрохимических ячеек, при этом меньшее основание выполнено плоским, большее основание снабжено расположенными по периметру наружного и внутреннего конусов выступами, покрытыми тонким слоем электролита, при этом конусные поверхности выступов выполнены с одинаковой конусностью.
Выполнение единичного блочного топливного элемента в виде кольцевого элемента, наружная поверхность которого выполнена в виде усеченного конуса, а внутренняя поверхность виде обратного усеченного конуса с одинаковой конусностью, позволяет обеспечить точную посадку при сборке топливных элементов путем расположения меньшего основания следующего топливного элемента в кольцевых выступах большего основания предыдущего топливного элемента, что позволяет соединять их по всей кольцевой площади несущего электрода и значительно уменьшает потери напряжения, а следовательно, повышает мощность, как топливного элемента, так и всего электрохимического устройства.
Кроме того, предлагаемая конструкция блочного топливного элемента позволяет при их сборке образовать внутри центральное отверстие, в котором возможно расположить конвертор, который в процессе работы подвергается дополнительному нагреву отходящим из радиальных каналов воздухом, что повышает эффективность электрохимических процессов, а следовательно повышает мощность электрохимического устройства.
Равномерное расположение радиальных каналов, выходящих на наружную и внутреннюю конусные поверхности единичного топливного элемента и расположение между ними вертикальных каналов, соединяющих его основания, позволяет компактно расположить каналы по всему периметру кольцевого элемента и тем самым повысить мощность, снимаемую с единицы площади электродов.
Предлагаемая конструкция блочного топливного элемента обеспечивает свободный проход топлива и воздуха, что позволяет минимизировать размеры каналов, повысить плотность их расположения и увеличить их количество без ущерба свободного похода топлива и воздуха, что обеспечивает повышение мощности блочного топливного элемента.
Кроме того, повышение мощности единичного блочного топливного элемента возможно путем увеличения его наружного диаметра
Заявляемая конструкция единичного блочного топливного элемента является более жесткой и прочной по сравнению с известными за счет большого количества электрохимических ячеек, которые являются своего рода ребрами жесткости.
Возможность соединения единичных блочных топливных элементов путем расположения меньшего основания одного единичного блочного топливного элемента в кольцевых выступах большего основания другого единичного блочного топливного элемента позволяет увеличить поверхность перехода тока через интерконнект между разноименными электродами.
Заявляемые существенные признаки полезной модели, предопределяющие получение указанного технического результата, не известны из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «новизна». Возможность осуществления полезной модели раскрыта в примере конкретного ее выполнения.
На фигуре 1 изображен общий вид единичного блочного топливного элемента.
На фигуре 2 изображено сечение по осям радиальных и вертикальных каналов единичного блочного топливного элемента.
Единичный блочный топливный элемент включает (фиг. 1) несущий электрод 1, выполненный толстостенным и являющийся катодом, наружная поверхность которого выполнена в виде усеченного конуса, а внутренняя поверхность в виде обратного усеченного конуса, электролит 2 в виде тонкослойного газо-плотного покрытия и анод 3, радиальные каналы 4 для подачи воздуха, вертикальные каналы 5 для подачи топлива. Радиальные каналы 4 и вертикальные каналы 5 делят топливный элемент на N электрохимических ячеек. Каждая электрохимическая ячейка (не обозначена) включает катод из материала несущего электрода 1, расположенный внутри ее, электролит 2, расположенный поверх катода 1 и анод 3, расположенный поверх электролита 2. Большее основание единичного блочного топливного элемента (не обозначено), снабжено выступом 6, расположенным по периметру наружного конуса и выступом 7 (фиг. 2), расположенным по периметру внутреннего конуса. Торцы выступов 6 и 7 и их боковые поверхности покрыты электролитом 2. Верхние торцевые поверхности и боковые поверхности электрохимических ячеек в вертикальных каналах 5 покрыты электролитом 2, поверх которого нанесен анод 3. Таким образом, верхнее основание, состоящее из верхних торцевых поверхностей электрохимических ячеек и внутренних боковых поверхностей выступов, является анодом 3. В вертикальных каналах 5 анод 3 не доходит до нижнего основания 8 на 1,5-2 мм. Меньшее основание единичного топливного элемента, образованное нижними торцами электрохимических ячеек, является катодом 1.
Несущий электрод 1 выполнен из пористого манганит лантана стронция. Электролит 2 выполнен в виде тонкого газо-плотного слоя твердого электролита из диоксида циркония, стабилизированного иттрием. Анод 3 выполнен в виде пористого электрода из никель-кермета.
Единичный блочный топливный элемент работает следующим образом. По каналам 4 на несущий электрод - катод 1 подают разогретый до рабочей температуры воздух, отдающий ионы кислорода электролиту 2, обладающему кислород-ионной проводимостью, которые достигают анода 3, на котором адсорбированная и каталически активированная молекула топлива, например, водорода взаимодействует с ионом кислорода, в результате чего появляются свободные электроны, которые переходят в анод 3 и далее во внешнюю цепь. Вырабатываемый ток равен сумме токов всех электрохимических ячеек.
Съем тока разной полярности происходит с поверхностей большего основания - анода 3, образованного верхними торцами электрохимических ячеек, и с меньшего основания 8 - катода, образованного нижними торцовыми поверхностями электрохимических ячеек.
2
2
2
Пример. Наружный диаметр единичного блочного топливного элемента - 9 см, внутренний диаметр 3 см, высота 1,5 см. Площадь электродов электрохимической ячейки 9 см. В единичном блочном топливном элементе 24 электрохимических ячеек общей площадью 216 см. При плотности тока 0,5 А/см и напряжении 0,7 В электрохимическая ячейка вырабатывает силу тока 4,5 А, мощность 3,5 Вт. Суммарная мощность и ток единичного блочного топливного элемента составляет 75,6 Вт. и 102 А соответственно.
Заявляемый единичный блочный топливный элемент компактный, жесткий с развитой активной поверхностью электродов, высокой плотностью тока и большой поверхностью токопрохода между разноименными электродами через токопроводящий материал с минимальным омическим сопротивлением. Общая сумма площадей контакта между разными знаками значительная, что дает возможность при малом омическом сопротивлении передавать большие токи в электрохимическом устройстве от одного единичного топливного элемента к другому и в целом по всему модулю электрохимического с минимальными потерями напряжения и местными перегревами к разноименным клеммам отбора электрической мощности. Доставка топлива и воздуха к электродам свободная.