ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных электрохимических устройств для топливных элементов, получения кислорода из воздуха или водорода и кислорода из воды и электрохимических конверторов.
Известны высокотемпературные электрохимические модули с цилиндрическими электролитическими элементами, изготовленными из твердого электролита на основе диоксида циркония с нанесенными на поверхность двумя электродами, анодом и катодом, для различных электрохимических устройств, например, электролизеров, топливных элементов и т.п. (пат. США №4520082, пат. РФ №2199172).
Известно электрохимическое устройство из последовательно соединенных электрохимических элементов, имеющих твердый электролит, нанесенные на него внешний и внутренний электроды и соединительный узел между элементами, принятое за прототип (пат. РФ №2389110).
Недостатком данного технического решения является сложный соединительный узел, представляющий собой комбинацию разнородных материалов, включающих металлический кожух, четыре участка твердых припоев и изолирующий элемент, контактирующих с твердым электролитом и электродными материалами, что может привести к возникновению механических напряжений при изменении температуры устройства, изменению свойств электролита и электродных материалов за счет высокотемпературной диффузии в них материалов соединительного узла, что в конечном итоге может привести к выходу электрохимического устройства из строя. К тому же конструктивно соединительный узел весьма сложен и трудоемок при изготовлении, а это приводит к удорожанию электрохимического устройства.
Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является исключение возникновения механических напряжений при изменении температуры устройства, изменения свойств электролита и электродных материалов за счет высокотемпературной диффузии в них материалов соединительного узла, что приводит к увеличению ресурса работы устройства, а также радикальное упрощение конструкции соединительного узла и, как следствие, удешевление электрохимического устройства.
Для достижения указанного результата предложен высокотемпературный электрохимический модуль, состоящий из последовательно соединенных электрохимических элементов из твердого электролита с нанесенными на них внешними и внутренними электродами с соединительными узлами между электрохимическими элементами, при этом электрохимических элементы имеют на концах одну расширяющуюся и одну сужающуюся конусные части, сопрягающиеся друг с другом, на наружную поверхность сужающейся конической части электрохимического элемента нанесен непористый слой наноструктурного электродного материала, контактирующий с внешним электродом, на внутреннюю поверхность расширяющейся конической части электрохимического элемента нанесен непористый слой наноструктурного электродного материала, контактирующий с внутренним электродом, сужающаяся коническая часть предыдущего электрохимического элемента вложена в расширяющуюся часть последующего электрохимического элемента.
Кроме того, угол раствора конусной части электрохимического элемента составляет 20÷60°, а длина конусной части электрохимического элемента составляет 10÷20% от длины элемента.
Также, материал внешнего и внутреннего электродов имеет состав на основе оксидов никеля.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что вложенные друг в друга конусные части соседних элементов обеспечивают высокую прочность соединения, твердый электролит контактирует только с электродным материалом, наноструктурные непористые слои электродного материала обеспечивают прочность и герметичность соединительного узла и электрический контакт между электродами, что в совокупности обеспечивает длительный ресурс и дешевизну электрохимического устройства.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого высокотемпературного электрохимического модуля, где
1 - электрохимический элемент,
2 - расширяющаяся конусная часть элемента,
3 - сужающаяся конусная часть элемента,
А - соединительный узел между элементами.
На фиг.2 приведена схема соединительного узла А, где
4 - внешний электрод элемента,
5 - внутренний электрод элемента,
6 - наноструктурированный электродный материал,
7 - твердый электролит.
Предлагаемый высокотемпературный электрохимический модуль состоит из последовательно соединенных цилиндрических электрохимических элементов 1 из твердого электролита 7, имеющих на концах одну расширяющуюся 2 и одну сужающуюся 3 конусные части, сопрягающиеся друг с другом. На внешнюю и внутреннюю поверхности цилиндрической части элементов 1 нанесены внешний 4 и внутренний 5 электроды, состоящие из электродного материала на основе оксидов никеля. На внутреннюю поверхность расширяющейся конусной части 2 элемента 1 и внешнюю поверхность сужающейся части 3 элемента 1 нанесены слои из наноструктурного непористого электродного материала 6. Элементы соединяются между собой конусными частями и спекаются, образуя единую конструкция электрохимического модуля. Оптимальными для прочного соединения размерами являются угол конуса 20÷60° и длина конусной части элемента 10÷20% от длины элемента.
Предлагаемый высокотемпературный электрохимический модуль работает следующим образом. Для режима топливного элемента внутрь модуля подается воздух, а снаружи модуль омывается газообразным топливом, например продуктами конверсии природного газа. На внешнем электроде 4, в данном случае аноде, происходит окисление топлива ионами кислорода, что приводит к появлению свободных электронов. Эти электроны через наноструктурный электродный материал 6 соединительного узла передаются к внутреннему электроду 5 - катоду следующего элемента, на котором восстанавливают кислород воздуха до ионов кислорода, которые через твердый электролит 7 поступают к внешнему электроду 4. Таким образов, образуется последовательное соединение элементов по току. С крайних электродов модуля электроэнергия снимается для передачи на внешнюю нагрузку.
3
4
2
3
В качестве электродного материала используются композиции на основе оксидов никеля с добавками оксидов кобальта, например, состава 95%NiO+5%СоO. Возможно легирование электродного материала оксидами празеодима и церия в количестве до 1,5÷2%, а также платиной в количестве до 0,5%.
Таким образом, предлагаемый высокотемпературный электрохимический модуль позволит исключить возникновение механических напряжений при изменении температуры устройства, изменение свойств электролита и электродных материалов за счет высокотемпературной диффузии в них материалов соединительного узла, радикально упростить конструкцию соединительного узла и, как следствие, удешевить изготовление электрохимического устройства и увеличить его ресурс.