БАТАРЕЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО КИСЛОРОДНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Полезная модель относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам, в частности к электрохимическим электролизерам для получения кислорода и газовых смесей на основе воздуха, и может быть использована в медицинской, химической и парфюмерной промышленности, в станциях озонирования (очистки) воды и других.
Известна высокотемпературная электрохимическая батарея (патент SU №1840822, дата публикации 27.02.2012 г.), состоящая из элементов с твердым электролитом в виде двухсторонней спиралей Архимеда, соединенных последовательно по газу и току через электронопроводящие пластины, при этом элемент имеет четыре отверстия, по два в центральной и периферийной частях смежных витков спирали, а пластины - два отверстия, которые совмещают при сборке с двумя рабочими отверстиями элемента, при этом пластина перекрывает два нерабочих отверстия.
Недостатком известной батареи является то, что основной элемент выполнен из твердого электролита с толстыми стенками, что сопряжено с большим омическим сопротивлением. Смежные элементы батареи соединены платиновыми пластинами, что повышает стоимость батареи. Кроме того в батарее длинный путь реагентов воздух-кислород с большим аэродинамическим сопротивлением и перепадом давлений на входе и выходе, что может вызвать разрывающие усилия.
Известен электрохимический блок (батарея), входящий в высокотемпературный электролизер (патент RU №2154017, МПК C01B 13/20, C25B 9/00, дата публикации 10.08.2000 г.), состоящий из твердоэлектролитных модулей, набранных из последовательно соединенных единичных блочных твердооксидных элементов кислородного насоса, выполненных в форме параллелепипеда и содержащих разноименные электроды и газовые каналы, выведенные на взаимно пересекающиеся (смежные) внешние поверхности элемента, при этом на стенках каналов нанесены тонкослойные покрытия из материала с высокой электронной проводимостью.
Недостатком известной батареи электролизера является большая толщина стенок электролита единичных блочных твердооксидных элементов кислородного насоса, что является причиной относительно высокого внутреннего сопротивления для прохождения ионов кислорода и уменьшения эффективности батареи. Кроме того, механические свойства известных единичных блочных твердооксидных элементов кислородного насоса, определяющиеся исключительно свойствами твердого электролита, достаточно низкие.
Наиболее близким по технической сущности является электрохимическое устройство (батарея высокотемпературного электрохимического кислородного электролизера), патент RU №2444095, МПК H01M 8/10, опубликованный 27.02.2012), содержащее последовательно соединенные единичные блочные твердооксидные элементы кислородного насоса, выполненные в виде несущего электрода 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 несущего электрода, который выполнен 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, при этом блоки электрически соединены последовательно.
Существенным недостатком известной батареи электрохимического кислородного электролизера является малая общая площадь электродов и малая площадь контакта между разнополярными электродами, что требует значительного количества единичных блочных твердооксидных элементов кислородного насоса.
Техническим результатом является, увеличение активной поверхности электродов и площади контакта разнополярных электродов.
Указанный технический результат достигается тем, что батарея высокотемпературного электрохимического кислородного электролизера, содержащая последовательно соединенные единичные блочные твердооксидные элементы кислородного насоса, выполненные в виде несущего электрода из пористого материала одного из электродов, с расположенными в них под углом друг к другу разноименными газовыми каналами, выведенными на взаимно пересекающиеся поверхности, при этом твердый электролит в виде тонкослойного плотного покрытия и второй электрод, расположенный поверх него, нанесены на группу каналов одного знака, электроды другого знака сформированы в самом несущем электроде, согласно полезной модели несущий электрод выполнен в виде кольцевого элемента, с наружной поверхностью в виде обратного усеченного конуса и внутренней поверхностью в виде усеченного конуса, и снабжен равномерно расположенными радиальными и вертикальными каналами, а также выступами, расположенными на большем основании по периметру конусов, единичные блочные твердооксидные элементы кислородного насоса соединены между собой путем расположения меньшего основания последующего между выступами большего основания предыдущего, образуя вертикальные кислородные каналы от верхней до нижней крышек, установленных с возможностью контакта с электродами, верхняя крышка выполнена с возможностью перекрытия кислородных каналов, а нижняя соединена с патрубком отвода кислорода, при этом вторые электроды выполнены из материала несущего электрода.
В центральном канале, образованном поверхностями внутренних усеченных конусов, расположен токопровод от анода к источнику питания постоянного тока.
Верхняя крышка установлена с возможностью поджима единичных блочных твердооксидных элементов кислородного насоса к нижней крышке посредством пружины, установленной в холодной зоне.
По внешним и внутренним торцам выступов единичных блочных твердооксидных элементов кислородного насоса нанесен герметизирующий слой из специального высокотемпературного стекла.
Выполнение несущего электрода в виде кольцевого элемента, с наружной поверхностью в виде обратного усеченного конуса и внутренней поверхностью в виде усеченного конуса позволяет собирать батарею высокотемпературного электрохимического кислородного электролизера в виде устойчивой и жесткой конструкции.
Электрическое соединение единичных блочных твердооксидных элементов кислородного насоса путем расположения меньшего основания последующего элемента между выступами на большем основании предыдущего, позволяет, во-первых, точно зафиксировать их относительно друг друга, во-вторых, обеспечить большую площадь контакта разноименных электродов. Это упрощает сборку батареи высокотемпературного электрохимического кислородного электролизера и повышает ее эффективность.
Поджим единичных блочных твердооксидных элементов кислородного насоса между крышками посредством пружины, установленной в холодной зоне, дополнительно увеличивает устойчивость положения батареи.
Решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков полезной модели, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» следует из примера осуществления полезной модели.
На фигуре 1 схематично изображен единичный блочный твердооксидный элемент кислородного насоса
На фигуре 2 изображен поперечный разрез по радиальным воздушным каналам.
На фигуре 3 изображен вид сверху на единичный блочный твердооксидный элемент кислородного насоса.
На фигуре 4 изображен разрез по А-А фигуры 3 (по вертикальным и горизонтальным каналам).
На фигуре 5 изображена батарея высокотемпературного электрохимического кислородного электролизера.
На фигуре 6 изображен поперечный разрез Б-Б по горизонтальным воздушным каналам.
На фигуре 7 изображен разрез В-В по вертикальным кислородным каналам.
Батарея высокотемпературного электрохимического кислородного электролизера включает, по меньшей мере, два единичных блочных твердооксидных элемента кислородного насоса, выполненных в виде несущего электрода 1 - катода с наружным 2 и внутренним 3 усеченными конусами, а также с радиальными воздушными каналами 4 и вертикальными кислородными каналами 5, которые делят несущий электрод 1 на N электрохимических ячеек 6. Со стороны большего основания каждый несущий электрод 1 снабжен выступом 7, расположенным по наружному усеченному конусу 2 и выступом 8, расположенным по внутреннему усеченному конусу 3. Каждая электрохимическая ячейка 6 по наружной поверхности покрыта электролитом 9, поверх которого нанесен второй электрод 10 из материала несущего электрода, являющийся анодом. Таким образом, получены торцовые кольцевые анодные поверхности на верхнем основании 11 и поверхности в вертикальных каналах 5, не доходящие до оснований 12 несущих электродов 1. Катодной поверхностью является основание 12. Батарея высокотемпературного электрохимического кислородного электролизера содержит верхнюю крышку 13, нижнюю крышку 14, токопровод 15, расположенный в центральном отверстии, образованном внутренними конусами 3 несущих электродов 1. Токопровод 15 жестко закреплен на верхней крышке 13 и соединен с источником постоянного тока 16. Крышки 13 и 14 установлены с возможностью контакта через токопроводящий слой с электродами - анодами 10 и с электродами-катодами 1 соответственно. Нижняя крышка 14, соединена с источником питания постоянного тока 1. Для герметизации и дополнительного увеличения прочности батареи в собранном виде по внешним и внутренним торцам выступов 7 и 8 нанесен слой тугоплавкой замазки 17 из высокотемпературного стекла. На нижней крышке 14 установлен патрубок 18 для отвода кислорода. Для электрического соединения электродов разных знаков используют высокотеплопроводный материал 19.
2
Батарея высокотемпературного электрохимического кислородного электролизера работает следующим образом. Разогретый до рабочей температуры 900-950°C воздух поступает к воздушным каналам 4 пористого электрода 1. Одновременно на торцовые анодные поверхности на верхнем основании 11 и катодную поверхность основание 12 подают ток от источника постоянного тока 16. На воздушных каналах 4 несущего пористого электрода-катода 1 происходит атомизация адсорбированных молекул кислорода, их ионизация, приобретая отрицательный заряд. Ионы кислорода проходят через электролит 9, обладающий кислород-ионной проводимостью. Электроны поступают на торец 11 анода 10 и далее во внешнюю цепь, а атомы кислорода образуют молекулы кислорода, которые поступают в кислородный канал 5 и далее через патрубок 18 отвода кислорода в теплообменник, затем в сборник кислорода (не показан). При подаче тока 1 А час вырабатывается 0,208 л. чистого кислорода с 1 см активной площади электродов.
2
2
Пример. Батарея электрохимического кислородного электролизера состоит из двух единичных блочных твердооксидных элементов кислородного насоса, выполненных в виде несущего электрода 1 с наружным диаметром 9 см, внутренним диаметром 3 см, высотой 1,5 см. Площадь электродов одной электрохимической ячейки 6 равна 10 см. Площадь единичного блочного твердооксидного элемента кислородного насоса, состоящего из 18 ячеек 6, составляет 180 см. При расходе тока 180А час с напряжением 0,7 V можно получить 37, 44 литра чистого кислорода. Расход воздуха при этом 341 литр. Мощность затраченной электроэнергии 144 Вт час.
Батарея высокотемпературного электрохимического кислородного электролизера вырабатывает около 75 литров в час чистого кислорода.