RU2556888C1 - Electrochemical energy converter - Google Patents
Electrochemical energy converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2556888C1 RU2556888C1 RU2014123393/07A RU2014123393A RU2556888C1 RU 2556888 C1 RU2556888 C1 RU 2556888C1 RU 2014123393/07 A RU2014123393/07 A RU 2014123393/07A RU 2014123393 A RU2014123393 A RU 2014123393A RU 2556888 C1 RU2556888 C1 RU 2556888C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- energy converter
- electrochemical energy
- electrode layers
- conical washers
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится преимущественно к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим различные виды топлива, а также к источникам получения вторичных энергоносителей, например водорода, и предназначено для обеспечения отопительным теплом, горячей водой, холодом и электроэнергией и другими энергоносителями различных потребителей, включая транспорт, энергетику, ЖКХ, промышленность.The invention relates mainly to autonomous systems and energy supply systems using various types of fuel, as well as to sources of secondary energy sources, such as hydrogen, and is intended to provide heating heat, hot water, cold and electricity and other energy carriers to various consumers, including transport, energy, Housing and communal services, industry.
Высокотемпературные электрохимические преобразователи энергии могут использоваться как для получения водорода из воды, в режиме высокотемпературных электролизеров, так и для преобразования химической энергии в электроэнергию. В последнем случае, в частности, высокотемпературные электрохимические преобразователи энергии, называемые также топливными элементами, обеспечивают высокую эффективность процесса преобразования химической энергии в электрическую энергию. Подобные преобразователи обладают преимуществом бесшумной работы без механической вибрации, а также весьма выгодным коэффициентным отношением выработанной энергии к массе и размерам преобразователя. Электрохимические преобразователи оказывают минимальное воздействие на природную среду. Типичный высокотемпературный топливный элемент содержит твердый электролит, обычно изготовленный из диоксида циркония, стабилизированного иттрием. Твердый электролит закрыт с двух сторон электродами, проницаемыми для газов. При высокой температуре циркониевая керамика проявляет высокую ионную проводимость. Поскольку сквозь керамический слой могут проникать только ионы кислорода, электролит поляризуется благодаря падению давления кислорода внутри электролита. Одна из поверхностей электролита будет иметь положительный заряд, в то время как на противоположной поверхности электролита будут выделяться свободные электроны в результате реакции между ионами кислорода и топливом, например водородом или монооксидом углерода, что приведет к ее отрицательной поляризации. Подключение внешней электрической цепи к электродам приведет к образованию электрического тока, который будет уравновешивать ионный поток. Согласно специфическим условиям эксплуатации электроды должны обладать хорошей электрической проводимостью, проницаемостью для газов, устойчивостью к высокой температуре (порядка 800°C), а также устойчивостью к внезапным изменениям температуры. Первостепенное значение имеет обеспечение отсутствия протечек в каналах подачи топлива, поскольку процесс горения, в отличие от электрохимического окисления, приводит к катастрофическому разрушению преобразователя энергии. Проблемы, связанные с обеспечением непроницаемости, налучшим образом были решены в электролитических генераторах энергии, имеющих трубчатую конфигурацию.High-temperature electrochemical energy converters can be used both to produce hydrogen from water, in the mode of high-temperature electrolyzers, and to convert chemical energy into electricity. In the latter case, in particular, high-temperature electrochemical energy converters, also called fuel cells, ensure the high efficiency of the process of converting chemical energy into electrical energy. Such converters have the advantage of silent operation without mechanical vibration, as well as a very favorable ratio of the generated energy to the mass and size of the converter. Electrochemical transducers have a minimal impact on the natural environment. A typical high temperature fuel cell contains a solid electrolyte, usually made of yttrium stabilized zirconia. Solid electrolyte is closed on both sides by gas permeable electrodes. At high temperatures, zirconia ceramics exhibit high ionic conductivity. Since only oxygen ions can penetrate through the ceramic layer, the electrolyte is polarized due to a drop in oxygen pressure inside the electrolyte. One of the surfaces of the electrolyte will have a positive charge, while free electrons will be released on the opposite surface of the electrolyte as a result of the reaction between oxygen ions and fuel, such as hydrogen or carbon monoxide, which will lead to its negative polarization. Connecting an external electric circuit to the electrodes will lead to the formation of an electric current that will balance the ion flux. According to specific operating conditions, the electrodes must have good electrical conductivity, gas permeability, high temperature resistance (about 800 ° C), and also resistance to sudden changes in temperature. Of primary importance is ensuring the absence of leaks in the fuel supply channels, since the combustion process, in contrast to electrochemical oxidation, leads to the catastrophic destruction of the energy converter. The problems associated with providing impermeability were best solved in electrolytic energy generators having a tubular configuration.
Пример осуществления такого варианта конструкции представлен в патенте США US №4395468. Как следует из описания, стабилизованная циркониевая керамика, образующая электролит, в виде тонкого слоя нанесена на цилиндрическую керамическую подложку, что дает ряд важных преимуществ, а именно: простота размещения электрических соединений между топливными элементами, удобство размещения воздухонагревателей. Вместе с тем, преимуществом также служит надежная изоляция зоны электрохимической реакции. Однако трубчатые устройства имеют низкую объемную энергонапряженность и, как следствие, большие габариты.An example implementation of such a design option is presented in US patent US No. 4395468. As follows from the description, the stabilized zirconia ceramic forming the electrolyte is deposited in the form of a thin layer on a cylindrical ceramic substrate, which gives a number of important advantages, namely: ease of placement of electrical connections between fuel cells, ease of placement of air heaters. At the same time, the reliable isolation of the electrochemical reaction zone also serves as an advantage. However, tubular devices have a low volumetric energy intensity and, as a consequence, large dimensions.
Существуют плоскостные, так называемые планарные конструкции преобразователей химической энергии в электрическую энергию, известные из патентов US №4276355 и US №7531053. Как следует из описаний, эти конструкции включают множество топливных элементов, связанных электрическими соединениями. Топливные элементы образуют батарею, в которой каждый керамический топливный элемент помещен между двумя пластинами. Каждая пластина является разделителем между соответствующими керамическими элементами и оснащена с обеих сторон открытыми продольными каналами.There are planar, so-called planar structures of converters of chemical energy into electrical energy, known from US patents No. 4227355 and US No. 7531053. As follows from the descriptions, these designs include many fuel cells connected by electrical connections. Fuel cells form a battery in which each ceramic fuel cell is interposed between two plates. Each plate is a separator between the corresponding ceramic elements and is equipped on both sides with open longitudinal channels.
Известно электрохимическое устройство (патент РФ №2064210), содержащее электроды, электрический соединитель и слой твердого электролита, выполненные из смеси оксидов металлов, включающих диоксид циркония и оксид металла, выбранного из группы, включающей: оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смеси, включающее дополнительно оксид кобальта.Known electrochemical device (RF patent No. 2064210), containing electrodes, an electrical connector and a solid electrolyte layer made of a mixture of metal oxides, including zirconium dioxide and a metal oxide selected from the group consisting of: calcium oxide, magnesium oxide, rare earth oxides or their mixtures, optionally including cobalt oxide.
Недостатками известных устройств являются высокая стоимость изготовления, сложность эксплуатации (вследствие их хрупкости) и высокое электрическое сопротивление, что приводит к увеличению сроков окупаемости инвестиционных проектов по созданию таких устройств до 10 лет и более, что, как правило, неприемлемо. Пониженная электрохимическая активность электродов, связанная с ограниченностью трехфазной границы контакта электролита, электродов и газовой среды реагентов, также служит барьером повышения эффективности. Добиться уменьшения сопротивления позволяет работа устройств при высоких температурах, как правило, превышающих 900°C. Однако высокие рабочие температуры вызывают технические проблемы в работе устройств и деградацию основных материалов, которые могут быть использованы в устройстве, в частности в окислительной среде, например, кислородного электрода. Планарная конфигурация обеспечивает наиболее высокие показатели выработки энергии на единицу объема батареи. Вместе с тем, принимая во внимание тонкую и хрупкую структуру электролита, он является чувствительным к воздействию резкого изменения температуры, плохо переносит термокачки, поэтому требует большего времени разогрева, применения специальных уплотнительных прокладок, устойчивых к высоким температурам.The disadvantages of the known devices are the high cost of manufacture, the complexity of operation (due to their fragility) and high electrical resistance, which leads to an increase in the payback period of investment projects to create such devices up to 10 years or more, which is usually unacceptable. The reduced electrochemical activity of the electrodes, associated with the limited three-phase boundary of the contact of the electrolyte, electrodes and the gaseous medium of the reagents, also serves as a barrier to increasing efficiency. To achieve a decrease in resistance allows the operation of devices at high temperatures, usually exceeding 900 ° C. However, high operating temperatures cause technical problems in the operation of the devices and the degradation of basic materials that can be used in the device, in particular in an oxidizing environment, for example, an oxygen electrode. The planar configuration provides the highest levels of energy production per unit volume of the battery. At the same time, taking into account the thin and brittle structure of the electrolyte, it is sensitive to the effects of sudden changes in temperature, does not tolerate heat pumps, therefore, it requires more heating time, the use of special gaskets that are resistant to high temperatures.
Частично эти недостатки устранены в патенте РФ №2502158, опубл. 27.08.2013 Бюл. №24 - прототип, согласно которому электрохимический преобразователь энергии имеет плоскую планарную многослойную керамическую конструкцию, средний слой которой образует центральная керамическая пластина, обладающая высокой плотностью и прочностью, неподвижно скрепленная с двух сторон с пористыми металлокерамическими слоями, в которых проделаны каналы подачи топлива. Изготовленная таким образом керамическая база имеет на части своей поверхности с обеих сторон керамические слои твердого электролита, которые наложены на базу и неподвижно закреплены на ней и которые, в свою очередь, имеют на части своей поверхности электродные слои, проницаемые для газов, проводящие электрический ток и покрытые на части своей поверхности контактными слоями. Помимо этого электрохимический преобразователь энергии оснащен металлическими токопроводящими конструкциями, которые целесообразно утоплены в пористых металлокерамических слоях, причем металлические проводящие ток конструкции могут быть изготовлены на основе следующих материалов: проницаемых для газов слоев платины, никелевых нанотрубок или никелевых сеток. Данное решение также имеет недостатки, вызванные слабой устойчивостью к термокачкам и высокой стоимостью изготовления. Решение проблемы может быть достигнуто путем совмещения преимуществ трубчатых и планарных конструкций.Partially, these disadvantages are eliminated in the patent of the Russian Federation No. 2502158, publ. 08/27/2013 Bull. No. 24 is a prototype according to which the electrochemical energy converter has a planar planar multilayer ceramic structure, the middle layer of which forms a central ceramic plate with high density and strength, motionlessly bonded on both sides with porous cermet layers in which the fuel supply channels are made. A ceramic base made in this way has ceramic layers of solid electrolyte on both sides of its surface, which are superimposed on the base and fixedly mounted on it and which, in turn, have electrode layers permeable to gases, conducting electric current, and coated on a part of its surface with contact layers. In addition, the electrochemical energy converter is equipped with metal conductive structures that are expediently recessed in porous cermet layers, and metal current-conducting structures can be made on the basis of the following materials: gas-permeable layers of platinum, nickel nanotubes or nickel nets. This solution also has disadvantages caused by poor resistance to heat pumps and high manufacturing costs. A solution to the problem can be achieved by combining the advantages of tubular and planar structures.
Задача изобретения - создать электрохимический преобразователь энергии, в котором повышена устойчивость к термокачкам и снижена стоимость изготовления.The objective of the invention is to create an electrochemical energy converter, in which the resistance to heat pumps is increased and the manufacturing cost is reduced.
Поставленная задача решается тем, что:The problem is solved in that:
предложен электрохимический преобразователь энергии, содержащий электроды, электрический соединитель и слой твердого электролита, выполненный из смеси оксидов металлов, включающих диоксид циркония и оксид металла, выбранного из группы, включающей оксид кальция, оксид магния, оксиды редкоземельных элементов или их смеси, и имеющий на части своей поверхности электродные слои, проницаемые для газов, проводящие электрический ток и покрытые на части своей поверхности контактными слоями, при этом преобразователь выполнен в виде многорядной секции, ряды которой образованы трубчатыми сборками, вдоль своей оси набранными из электрохимических ячеек, выполненных в форме конусных шайб, содержащих слой твердого электролита, а также электродные слои, с центральными втулками, формирующими внутренний газовый коллектор, в котором одновременно размещены тоководы, причем часть конусных шайб разделена между собой сепараторами, проницаемыми для газа, а другая часть конусных шайб разделена наружным газовым коллектором.An electrochemical energy converter comprising electrodes, an electrical connector and a solid electrolyte layer made of a mixture of metal oxides, including zirconia and a metal oxide selected from the group consisting of calcium oxide, magnesium oxide, rare earth oxides or mixtures thereof, and having parts their surface electrode layers, permeable to gases, conducting electric current and coated on a part of its surface with contact layers, while the Converter is made in the form of multi-row sections, the rows of which are formed by tubular assemblies, along their axis, assembled from electrochemical cells made in the form of conical washers containing a layer of solid electrolyte, as well as electrode layers, with central sleeves forming an internal gas collector in which current leads are simultaneously placed, some of the conical the washers are divided among themselves by gas-permeable separators, and the other part of the conical washers is separated by an external gas manifold.
Кроме того,Besides,
- электродные слои, расположенные на поверхности конусных шайб с их внутренней и внешней сторон, имеют противоположные полярности и разделены слоем твердого электролита, причем внутренний электродный слой соединен с одним тоководом внутреннего газового коллектора, а внешний электродный слой соединен с другим тоководом внутреннего газового коллектора;- electrode layers located on the surface of the conical washers on their inner and outer sides, have opposite polarities and are separated by a solid electrolyte layer, the inner electrode layer being connected to one current lead of the internal gas collector, and the outer electrode layer being connected to another current lead of the internal gas collector;
- сепараторы имеют каналы для прохода газа и выполнены из упругого материала с высоким омическим сопротивлением, например керамического волокна или матов, и имеют возможность изменения газодинамического сопротивления;- separators have channels for the passage of gas and are made of elastic material with high ohmic resistance, such as ceramic fibers or mats, and have the ability to change the gas-dynamic resistance;
- центральная втулка содержит межэлектродный слой, электрически изолирующий электродные слои, соответственно, на внутренней и внешних поверхностях конусной шайбы;- the Central sleeve contains an interelectrode layer, electrically insulating the electrode layers, respectively, on the inner and outer surfaces of the conical washer;
- по меньшей мере, часть соседних конусных шайб соединены между собой посредством спекания по сопряженным поверхностям втулок и образуют между собой внутреннюю полость, герметично замкнутую по меньшему диаметру наружной поверхностью втулки, а по большему диаметру с помощью наружного газового коллектора, причем электродные слои внутренней полости электрически изолированы от электропроводной части наружного газового коллектора, который имеет выход по газу во внутреннюю полость;- at least a portion of the adjacent conical washers are interconnected by sintering along the mating surfaces of the bushings and form an inner cavity between them, tightly closed by the smaller diameter of the outer surface of the sleeve, and by a larger diameter using an external gas collector, and the electrode layers of the inner cavity are electrically insulated from the electrically conductive part of the external gas manifold, which has a gas outlet into the internal cavity;
- по меньшей мере, часть центральных втулок имеет, по меньшей мере, на части окружности корончатые или зубчатые выступы, образующие газовый проход во внутренний газовый коллектор;- at least a portion of the central bushings has at least partly circumferential castellated or serrated protrusions forming a gas passage into the internal gas manifold;
- металлические проводящие ток элементы изготовлены на основе следующих материалов: проницаемых для газов слоев платины, никелевых нанотрубок или никелевых сеток;- metal current-conducting elements are made on the basis of the following materials: gas-permeable layers of platinum, nickel nanotubes or nickel nets;
- наружный газовый коллектор имеет кольцевые секции, размещенные, по меньшей мере, между частью конусных шайб и соединенные по газу таким образом, чтобы образовать спиральную трубчатую конструкцию.- the outer gas manifold has annular sections located at least between a portion of the conical washers and connected in gas so as to form a spiral tubular structure.
- контакты электродных слоев с тоководами, расположенными во внутреннем газовом коллекторе, проложены вдоль газовых проходов во внутренний газовый коллектор.- the contacts of the electrode layers with the conductors located in the internal gas manifold are laid along the gas passages in the internal gas collector.
На фиг. 1 дана схема реализации устройства в варианте электролизера, где 1 - центральная втулка, 2 - конусная шайба, 3 - внутренний электродный слой, 4 - внешний электродный слой, 5 -поток ионов кислорода, 6 - кислородсодержащий газ, 7 - газообразное топливо, 8 - сепаратор.In FIG. 1 shows a diagram of the implementation of the device in an electrolytic cell version, where 1 is the central sleeve, 2 is a conical washer, 3 is the inner electrode layer, 4 is the outer electrode layer, 5 is the flow of oxygen ions, 6 is oxygen-containing gas, 7 is gaseous fuel, 8 is separator.
На фиг. 2 показан вид внешней части конусной шайбы 2 по стрелке К (см. Фиг. 1) с газовым проходом 9 и корончатыми выступами 10 в центральной втулке 1.In FIG. 2 shows a view of the outer part of the conical washer 2 in the direction of arrow K (see FIG. 1) with a gas passage 9 and castellated
На фиг. 3 дана схема спирального исполнения наружного газового коллектора с кольцевыми секциями 11, дистанционирующими электрохимические ячейки, выполненные в форме конусных шайб 2.In FIG. 3 is a diagram of a spiral design of an external gas manifold with
На фиг. 4 дан вариант устройства в варианте топливного элемента с разрезом многорядной секции со схемой подключения тоководов 14 к электродным слоям, которые в данном варианте выполняют функции анодов 12 с топливной стороны и катодов 13 с воздушной стороны. Крайние электродные слои через клеммы 15 подключены к внешней нагрузке (на Фигуре не показана), 16 - слой твердого электролита.In FIG. 4 shows a variant of the device in the embodiment of a fuel cell with a cut of a multi-row section with a circuit for connecting current leads 14 to electrode layers, which in this embodiment perform the functions of anodes 12 on the fuel side and cathodes 13 on the air side. The extreme electrode layers through terminals 15 are connected to an external load (not shown in the Figure), 16 — a layer of solid electrolyte.
На фиг. 5 дана схема реализации устройства в варианте топливного элемента (генератора энергии), где 7 - газообразное топливо, остальные обозначения те же, что и на Фиг.1.In FIG. 5 is a diagram of the implementation of the device in the embodiment of a fuel cell (energy generator), where 7 is gaseous fuel, the remaining symbols are the same as in FIG.
Примером реализации изобретения служит электрохимический преобразователь энергии, описанный ниже.An example implementation of the invention is an electrochemical energy converter, described below.
В излагаемом примере осуществления изобретения электрохимический преобразователь энергии применяется в качестве высокотемпературного электролизера водяного пара, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам получения из воды водорода для использования в различных транспортных или стационарных энергоустановках.In the described embodiment of the invention, the electrochemical energy converter is used as a high-temperature electrolyzer of water vapor, which allows us to characterize the features of the invention in relation to the processes for producing hydrogen from water for use in various transport or stationary power plants.
На Фиг. 1-3 дано схемное решение предложенного электрохимического преобразователя энергии.In FIG. 1-3 is a schematic solution of the proposed electrochemical energy Converter.
Электрохимический преобразователь энергии содержит внутренний газовый коллектор, образованный центральными втулками 1, слой твердого электролита, выполненный в форме конусной шайбы 2, которая может быть выполнена заодно с центральной втулкой 1 и имеет в качестве покрытий внутренний электродный слой 3 и внешний электродный слой 4, между которыми через слой твердого электролита, имеющий при рабочей температуре 850-950°C кислородную проводимость, проходит поток ионов кислорода 5, образующихся при разложении водяного пара на внутреннем электродном слое 3 при вступлении с ним в контакт водяного пара. Образующееся при разложении водяного пара газообразное топливо 7, представляющее собой смесь водорода и водяного пара, через сепаратор 8 выходит в межсекционное пространство, где собирается и поступает на систему очистки (на Фигурах не показана). Водяной пар поступает на разложение из внутреннего газового коллектора через газовые проходы 9 во внешней части конусной шайбы 2 (Фиг. 2), имеющей корончатые выступы 10 в центральной втулке 1, которая формирует внутри себя пространство внутреннего газового коллектора. Кислородсодержащий газ 6, представляющий из себя смесь кислорода и водяного пара, образующийся из водяного пара на внешнем электродном слое 4, поступает в кольцевые секции 11 наружного газового коллектора, который может иметь спиральное трубчатое соединение с другими кольцевыми секциями 11 наружного газового коллектора (Фиг. 3). Кольцевая секция 11 может разделять ряды конусных шайб 2 и, в варианте топливного элемента, как показано на Фиг.4, подает кислородсодержащий газ 6 (воздух или кислород) в пространство между катодами 12 соседних конусных шайб 2. Катод 12, расположенный с внешней части конусной шайбы 2, подключен через тоководы, размещенные во внутреннем газовом коллекторе, к аноду 13 (топливному электроду) следующей по ходу конусной шайбы 2 и так далее. Катоды 12 и аноды 13 разделены слоем твердого электролита 16, сформированного в конусной шайбе 2.The electrochemical energy converter comprises an internal gas collector formed by the central bushings 1, a solid electrolyte layer made in the form of a conical washer 2, which can be integral with the central bush 1 and has an
В варианте, когда электрохимический преобразователь энергии используется в качестве топливного элемента, как показано на Фиг. 5, газообразное топливо 7 поступает из межсекционного пространства через сепаратор 8 для взаимодействия с ионами кислорода 5, образующимися из кислородсодержащего газа 6 на внешнем электродном слое 4 (катоде), покрывающем поверхность конусной шайбы 2. При взаимодействии с ионами кислорода 5 газообразное топливо 7 на внутреннем электродном слое 3 (аноде) превращается в продукты окисления топлива с одновременной затратой части энергии, высвобождающейся при этой реакции, на создание электродвижущей силы, расходуемой во внешней электрической нагрузке (Фиг. 4).In an embodiment where an electrochemical energy converter is used as a fuel cell, as shown in FIG. 5,
Сепараторы 8 имеют каналы для прохода газа и могут быть выполнены из упругого материала с высоким омическим сопротивлением, например керамического волокна или матов. В частности, таким материалом может служить муллитокремнеземистое волокно.The separators 8 have channels for the passage of gas and can be made of elastic material with high ohmic resistance, such as ceramic fibers or mats. In particular, a mullite-siliceous fiber may serve as such a material.
Электродные слои, расположенные на поверхности конусных шайб 2 с их внутренней и внешней сторон, имеют противоположные полярности и разделены слоем твердого электролита 16, причем у одной конусной шайбы 2 катод 13 соединен с одним тоководом внутреннего газового коллектора, а анод соединен с другим тоководом 14 внутреннего газового коллектора, подключенным, соответственно, к катоду предыдущей конусной шайбы.The electrode layers located on the surface of the conical washers 2 from their inner and outer sides have opposite polarities and are separated by a layer of solid electrolyte 16, moreover, at one conical washer 2, the cathode 13 is connected to one current lead of the internal gas collector, and the anode is connected to another current lead 14 of the internal gas manifold connected, respectively, to the cathode of the previous conical washer.
Металлические проводящие ток элементы содержатся в секциях наружного газового коллектора 11, а также расположены на тоководах 14 и 15, электродных слоях 3 и 4 и могут быть изготовлены на основе следующих материалов: проницаемых для газов слоев платины, никелевых нанотрубок или никелевых сеток.Metal current-conducting elements are contained in sections of the
Центральная втулка 1 может содержать межэлектродный слой, электрически изолирующий электродные слои 3 и 4, соответственно, на внутренней и внешних поверхностях конусной шайбы 2.The Central sleeve 1 may contain an interelectrode layer, electrically insulating the electrode layers 3 and 4, respectively, on the inner and outer surfaces of the conical washer 2.
По меньшей мере, часть соседних конусных шайб 2 могут быть соединены между собой посредством спекания по сопряженным поверхностям центральных втулок 1 и образовывать между собой внутреннюю полость, герметично замкнутую по меньшему диаметру наружной поверхностью центральной втулки 1, а по большему диаметру с помощью кольцевой секции 11 наружного газового коллектора, причем электродные слои 3 и 4 во внутренней полости электрически изолированы от электропроводной части кольцевой секции 11 наружного газового коллектора, который имеет выход по газу во внутреннюю полость.At least a portion of the adjacent conical washers 2 can be interconnected by sintering along the mating surfaces of the central bushings 1 and form an internal cavity between them, tightly closed by the smaller diameter of the outer surface of the central sleeve 1, and by a larger diameter using the
Устройство в варианте топливного элемента (Фиг. 4, Фиг. 5) работает следующим образом.The device in the embodiment of the fuel cell (Fig. 4, Fig. 5) works as follows.
Из межсекционного пространства в межэлектродную полость подают газообразное топливо 7, в качестве которого могут использоваться углеводороды, синтез-газ или водород. На электродном слое 3, который в данном варианте является анодом, происходит окисление газообразного топлива 7 ионами кислорода 5, доставляемые через электродный слой конусных шайб 2 из катодной полости, образуемой между электродными слоями 4, выполняющими в данном варианте функцию катода. В электрохимических ячейках, выполненных в форме конусных шайб 2, слой твердого электролита изготовлен из керамического материала и, для обеспечения высокой кислородной проводимости, разогрет до рабочей температуры 950-990°С. В катодную полость из кольцевой секции 11 наружного газового коллектора подают кислородсодержащий газ 6, в качестве которого может использоваться как воздух, так и кислород. Водород, входящий в состав газообразного топлива 7, на электродном слое 3 ионизируется и ионы водорода вступают в реакцию с оксидными ионами кислорода 5 с образованием воды и высвобождением двух электронов. Продукты окисления газообразного топлива 7 отводятся через газовые проходы в центральной втулке 2 во внутренний газовый коллектор, а затем на последующую утилизацию с охлаждением в регенераторе или теплообменнике (на Фигурах не показаны). Катоды 13 межэлектродного пространства соединены тоководами 14 с анодами следующих по ходу конусных шайб 2? как это показано на Фиг.4, что позволяет отводить образующуюся электроэнергию через крайние электродные слои к клеммам 15, подключенным к внешней нагрузке.From the intersection space,
Такое решение позволяет последовательно соединить электрохимические ячейки, выполненные в форме конусных шайб 2. Угол конусности может составлять от 120 до 180 град. В каждой ячейке несущим механическую нагрузку может выступать как слой твердого электролита 16 конусных шайб 2, так и внутренние электродные слои 4, передающие нагрузку на центральную втулку 1. В последнем случае удается уменьшить толщину слоя твердого электролита конусных шайб 2.This solution allows you to consistently connect the electrochemical cells made in the form of conical washers 2. The angle of the taper can be from 120 to 180 degrees. In each cell, both the solid electrolyte layer 16 of the conical washers 2 and the
В таблице даны характеристики экспериментальной ячейки электрохимического преобразователя энергии в варианте топливного элемента (Фиг. 4, Фиг. 5), в котором из межсекционного пространства в межэлектродную полость подают газообразное топливо 7, в качестве которого используют водород, который на электродном слое 3 ионизируется и ионы водорода вступают в реакцию с оксидными ионами кислорода 5 с образованием воды и высвобождением двух электронов. Продукты окисления водорода 7 отводятся через газовые проходы в центральной втулке 2 во внутренний газовый коллектор. Исходя из экспериментов, выполненных для выбранных материалов:The table shows the characteristics of the experimental cell of the electrochemical energy converter in the fuel cell embodiment (Fig. 4, Fig. 5), in which
где Т, °C - рабочая температура, Imax, А - сила тока, Uяч, В - напряжение на ячейке, Jpacч, мА/см2 - плотность тока, Рmax, Вт - производимая мощность ячейки.where T, ° C is the operating temperature, I max , A is the current strength, U cell , V is the cell voltage, J pach , mA / cm 2 is the current density, P max , W is the cell power produced.
Благодаря развитой поверхности электродных слоев и принятой их компоновке в многорядной секции, ряды которой образованы трубчатыми сборками, вдоль своей оси набранными из электрохимических ячеек, выполненных в форме конусных шайб 2, содержащих слой твердого электролита 16, а также электродные слои 3 и 4 с центральными втулками 1, формирующими внутренний газовый коллектор 1, в котором одновременно размещены тоководы 14, удается существенно повысить объемную мощность электрохимического преобразователя энергии.Due to the developed surface of the electrode layers and their arrangement in a multi-row section, the rows of which are formed by tubular assemblies, along their axis, made up of electrochemical cells made in the form of conical washers 2 containing a layer of solid electrolyte 16, as well as
Недостающие 0.1-0.2 В до теоретического значения 1.1 В связаны с поляризацией, характерной для данных электродных слоев 3 и 4 при температуре испытания. Полученные результаты, касающиеся значений удельной мощности (250 мВт/см2 при силе тока 300 мА/см2), показывают, что конструкция ячейки с самонесущей шайботрубчатой конфигурацией позволяет уменьшить толщину слоя твердого электролита 2 в десятки раз, а следовательно, увеличить ток и мощность ячейки.Missing 0.1-0.2 V to a theoretical value of 1.1 V are associated with the polarization characteristic of these
Дополнительным положительным свойством данного электрохимического преобразователя энергии является возможность использования уже существующих материалов, технических решений и оборудования, необходимых для его создания. Таким образом, указанное устройство позволяет повысить устойчивость к термокачкам, а следовательно, ресурс и надежность работы устройства и снизить стоимость его изготовления.An additional positive feature of this electrochemical energy converter is the ability to use existing materials, technical solutions and equipment necessary for its creation. Thus, this device allows to increase resistance to heat pumps, and therefore, the resource and reliability of the device and reduce the cost of its manufacture.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014123393/07A RU2556888C1 (en) | 2014-06-09 | 2014-06-09 | Electrochemical energy converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014123393/07A RU2556888C1 (en) | 2014-06-09 | 2014-06-09 | Electrochemical energy converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2556888C1 true RU2556888C1 (en) | 2015-07-20 |
Family
ID=53611595
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014123393/07A RU2556888C1 (en) | 2014-06-09 | 2014-06-09 | Electrochemical energy converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2556888C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021107909A1 (en) * | 2019-11-26 | 2021-06-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" | CHEMO-ELECTRONIC CONVERTER BASED ON ZrО2- З MOL% Y2О3 NANOPOWDERS |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2064210C1 (en) * | 1993-07-02 | 1996-07-20 | Груздев Александр Иванович | Electrochemical device |
| US6669826B1 (en) * | 2001-04-11 | 2003-12-30 | Giner Electrochemical Systems, Llc | Compact proton exchange membrane (PEM) electrochemical cell stack |
| US7531053B2 (en) * | 2002-08-09 | 2009-05-12 | Jfe Steel Corporation | Fuel cell produced using a metallic material and its method of making |
| JP2012091139A (en) * | 2010-10-28 | 2012-05-17 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Gas decomposition element, power generator and gas decomposition method |
| JP2012157846A (en) * | 2011-02-03 | 2012-08-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Gas decomposing apparatus and power generator |
| JP2013054918A (en) * | 2011-09-05 | 2013-03-21 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell stack |
| RU2502158C2 (en) * | 2009-07-17 | 2013-12-20 | АГХ Научно-технический университет | Manufacturing method of electrochemical energy converter, and electrochemical energy converter |
-
2014
- 2014-06-09 RU RU2014123393/07A patent/RU2556888C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2064210C1 (en) * | 1993-07-02 | 1996-07-20 | Груздев Александр Иванович | Electrochemical device |
| US6669826B1 (en) * | 2001-04-11 | 2003-12-30 | Giner Electrochemical Systems, Llc | Compact proton exchange membrane (PEM) electrochemical cell stack |
| US7531053B2 (en) * | 2002-08-09 | 2009-05-12 | Jfe Steel Corporation | Fuel cell produced using a metallic material and its method of making |
| RU2502158C2 (en) * | 2009-07-17 | 2013-12-20 | АГХ Научно-технический университет | Manufacturing method of electrochemical energy converter, and electrochemical energy converter |
| JP2012091139A (en) * | 2010-10-28 | 2012-05-17 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Gas decomposition element, power generator and gas decomposition method |
| JP2012157846A (en) * | 2011-02-03 | 2012-08-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Gas decomposing apparatus and power generator |
| JP2013054918A (en) * | 2011-09-05 | 2013-03-21 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell stack |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| RU 2138885 c1, 27.09.1999. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021107909A1 (en) * | 2019-11-26 | 2021-06-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" | CHEMO-ELECTRONIC CONVERTER BASED ON ZrО2- З MOL% Y2О3 NANOPOWDERS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2656943B2 (en) | Improved solid oxide fuel cell and assembly | |
| JP4397886B2 (en) | Multi-layer circular pipe type solid oxide fuel cell module | |
| JPH0159705B2 (en) | ||
| JPWO2004082058A1 (en) | Solid oxide fuel cell module | |
| CN105765776B (en) | Unit stacking apparatus, module, and module housing apparatus | |
| EP1695409A2 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
| JP2006066387A (en) | Fuel cell battery | |
| JP5713698B2 (en) | Separation and recovery system for CO2 from solid oxide fuel cell and method for operating the same | |
| US7163759B2 (en) | Solid oxide fuel cell stack assembly having tapered diffusion layers | |
| JP5709670B2 (en) | Fuel cell device | |
| JP4537292B2 (en) | Cylindrical fuel cell | |
| KR101120134B1 (en) | flat-tubular solid oxide cell stack | |
| RU2556888C1 (en) | Electrochemical energy converter | |
| JP5331252B2 (en) | Flat tube type solid oxide cell stack | |
| KR100286779B1 (en) | Solid oxide fuel cell generator | |
| JPH03238760A (en) | Fuel cell of solid electrolyte type | |
| US20100310966A1 (en) | Coaxial fuel cell or electrolyser module with ball interconnectors | |
| US8697307B2 (en) | Solid oxide fuel cell stack | |
| JP5125376B2 (en) | Fuel cell | |
| JP6973759B1 (en) | Tube type SOFC | |
| RU2502158C2 (en) | Manufacturing method of electrochemical energy converter, and electrochemical energy converter | |
| JPH01267963A (en) | Fuel battery with solid electrolyte | |
| JP6626660B2 (en) | Cell stack, module and module housing device | |
| JP2013161643A (en) | Fuel cell stack | |
| KR101116281B1 (en) | apparatus for sealing of flat-tubular solid oxide unit cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160405 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180610 |