МЕМБРАННО-ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК ТОТЭ

Полезная модель относится к области топливных элементов с твердым электролитом и может найти применение при изготовлении твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), а также батарей и энергоустановок на их основе.
2-
Твердооксидные топливные элементы - высокоэффективные электрохимические устройства для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую и тепловую энергию. Основной элемент любой батареи или энергоустановки на базе ТОТЭ - единичные мембранно-электродные блоки (МЭБ). Они состоят из твердого электролита, а также катодного и анодного электродов. Твердый электролит при высокой рабочей температуре (600-900°C) обладает высоким значением анионной проводимости по анионам кислорода (O), а также крайне низкими значениями электронной проводимости. В процессе работы на катодный электрод подается окислительный газ и происходит диссоциация газообразного кислорода до анионов, а на анодный электрод подается водород-содержащая топливная смесь и происходит диссоциация водорода до протонов. Под действием разности химических потенциалов анионы кислорода проходят через мембрану твердого электролита, окисляют протоны до воды, а компенсирующие заряд электроны проходят через внешнюю цепь, совершая полезную работу.
Таким образом, для работы ТОТЭ требуются разделенные окислительный и топливный газовые объемы, а также высокая рабочая температура. Эти факторы существенно затрудняют применение in-situ методик исследования электродных процессов. Наиболее перспективная методика, совместимая с данными осложняющими работу факторами, - спектроскопия комбинационного рассеяния света. Данная методика является неинвазивной, то есть не оказывает воздействие на объект исследования, а также дистанционной, то есть позволяет проводить исследования на расстоянии без прямого контакта с объектом. При использовании спектроскопии комбинационного рассеяния света накачивающее лазерное излучение используется для возбуждения рассеянного излучения, а оптическая система - для его регистрации.
Известное устройство-аналог - МЭБ, описанный в патенте US 8940112 B2, опубликован 27.01.2015, заявлен 24.04.2015. Устройство представляет собой МЭБ на базе керамической мембраны твердого электролита, с двух сторон которой находятся катодный и анодный электроды
При использовании данного устройства-аналога накачивающее лазерное излучение проникает на глубину около длины волны (0.5 мкм), поскольку как электроды, так и мембрана твердого электролита являются оптически непрозрачными. Результирующий сигнал удается получить только с внешних границ электродов, но при этом токогенерирующие электродные процессы происходят на границе «электрод/электролит». Таким образом, конструкция МЭБ не позволяет проводить исследования электродных процессов методом спектроскопии комбинационного рассеяния света.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит возможности получения результирующего сигнала спектроскопии комбинационного рассеяния света непосредственно из области, в которой преимущественно и происходят токогенерирующие электродные процессы, обеспечивающие работу ТОТЭ. Результат может выражаться, в частности, в усилении интенсивности результирующего сигнала, а также в повышении его информативности.
Для достижения указанного технического результата мембранно-электродный блок ТОТЭ содержит мембрану твердого электролита, катодный и анодный электроды, при этом мембрана является оптически прозрачной монокристаллической и один из электродов имеет специальную форму.
Отличительными признаками предлагаемых МЭБ от указанных выше известных, наиболее близких к ним, являются использование оптически прозрачных монокристаллических мембран твердого электролита, а также специальная геометрия противоположного электрода, позволяющая проводить оптические измерения.
Благодаря наличию этих признаков накачивающее лазерное излучение, а также рассеянное излучение, проходят через противоположный электрод благодаря его специальной форме, а также через монокристаллическую мембрану твердого электролита благодаря ее оптической прозрачности. Это позволяет получать результирующий сигнал спектроскопии комбинационного рассеяния света непосредственно с границы «мембрана твердого электролита/электрод».
Известная конструкция МЭБ изображена на фиг. 1а. Предлагаемая конструкция представлена на фиг. 1б.
В известной конструкции МЭБ (фиг. 1а) присутствуют мембрана твердого электролита (1), а также исследуемый электрод (2).
В предлагаемой конструкции присутствуют оптически прозрачная монокристаллическая мембрана (1), исследуемый электрод (2), а также противоположный электрод специальной формы (3).
На фиг. 1а представлена геометрия исследований токогенерирующих электродных процессов в ТОТЭ известной конструкции методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Лазерный луч (4) заводится со стороны исследуемого электрода (2). При этом исследуемый электрод является оптически непрозрачным и накачивающее лазерное излучение не проходит далее глубины порядка длины волны (0.5 мкм), а все электрохимические процессы проходят на границе «мембрана твердого электролита/электрод», находящейся на глубине 10-20 мкм под поверхностью электрода. Таким образом, при применении известной конструкции информация получается от области на внешней границе электрода ТОТЭ.
На фиг. 1б показана геометрия исследований при использовании предлагаемой конструкции МЭБ. Лазерный луч (4) накачки заводится со стороны противоположного электрода (3). Специальная геометрия противоположного электрода позволяет лазерному излучению беспрепятственно проходить до границы электролита. На фиг. 1б показан один из примеров реализации данной геометрии - кольцевая геометрия. После этого он проходит через оптически прозрачную мембрану твердого электролита (1). При использовании данной конструкции рассеянное излучение регистрируется с области на границе «электрод (2)/электролит».