RU151307U1

RU151307U1 - UNIT BLOCK FUEL ELEMENT

Info

Publication number: RU151307U1
Application number: RU2014126132/07U
Authority: RU
Inventors: Борис Тимофеевич Таразанов
Original assignee: Борис Тимофеевич Таразанов
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-03-27

Abstract

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, отличающийся тем, что 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, 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.A single block fuel cell made in the form of a carrier electrode with channels located at an angle to each other, on the walls of which thin-layer coatings are applied, and groups of unlike gas channels formed in this case are displayed on mutually intersecting surfaces of a fuel cell made of a porous material of one of the electrodes, a solid electrolyte in the form of a thin layer dense coating and a second electrode located on top of it are deposited on a group of channels of one sign, and channels of a different sign are formed ana in the carrier electrode itself, characterized in that the carrier electrode is made in the form of an annular element with an outer surface in the form of a truncated cone and an inner surface in the form of a reverse truncated cone, and is provided with uniformly spaced radial channels facing the outer and inner conical surfaces and located between them vertical channels connecting the base of the fuel cell and forming N electrochemical cells, the smaller base is made flat, the larger base is equipped with protrusions laid along the perimeter of the outer and inner cones, covered with a thin layer of electrolyte, while the conical surfaces of the protrusions are made with the same taper.

Description

Единичный блочный топливный элементSingle Block Fuel Cell

Полезная модель относится к единичным блочным твердооксидным топливным элементом с несущим толстостенным пористым электродом и может быть использована в высокотемпературных электрохимических устройствах, электрогенераторах,The utility model relates to a single block solid oxide fuel cell with a supporting thick-walled porous electrode and can be used in high-temperature electrochemical devices, electric generators,

электролизерах, кислородных насосах и других устройствах, позволяющих осуществлять прямое преобразование химической энергии топлива непосредственно в электрическую энергию с высоким коэффициентом полезного действия.electrolyzers, oxygen pumps and other devices that allow the direct conversion of chemical energy of fuel directly into electrical energy with a high efficiency.

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.A single unit fuel cell is known, which is part of a fuel electrochemical cell (US 5770326, publication date 1998), containing unlike electrodes and gas channels displayed on mutually intersecting (adjacent) outer surfaces of the cell. Common to the known and claimed elements is the execution of the fuel cell in the form of a carrier block penetrated by channels located at an angle to each other, thin-layer coatings of a material with high electronic conductivity are applied to the walls of the channels.

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.The large wall thickness of the electrolyte is the reason for the relatively high internal resistance with large ohmic voltage losses. This does not allow to remove large current densities, both from a single fuel cell and from the entire electrochemical device as a whole. In addition, the mechanical properties of the known device, determined solely by the properties of the solid electrolyte, are quite low.

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.The closest in technical essence is a single block fuel cell used in an electrochemical device (patent RU No. 2444095, IPC H01M 8/10, published 02.27.2012), made in the form of a parallelepiped with channels located at an angle to each other, on the walls of which thin coatings are applied, and the groups of unlike gas channels formed in this case are brought to mutually intersecting surfaces of a fuel cell made of a porous material of one of the electrodes, while the solid electrolyte is in the form a thin-layer dense coating and a second electrode located on top of it are deposited on a group of channels of one sign, and channels of another sign are formed in the carrier electrode itself.

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.Single block fuel cells are electrically connected in series by using a bipolar plate mounted with the possibility of contact of one of its sides with the rib part of the electrode deposited on the outer surface of the channels of the previous fuel element, and the other with the possibility of contact with the end face of the carrier electrode of the subsequent fuel element.

Недостатком данного единичного блочного топливного элемента является сложность последующей сборки электрохимического устройства, обусловленная наличием конструктивно сложной биполярной пластины, необходимостью ее уплотнения и герметизации.The disadvantage of this single block fuel cell is the complexity of the subsequent assembly of the electrochemical device, due to the presence of a structurally complex bipolar plate, the need for its sealing and sealing.

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.In addition, the electrochemical device, assembled from known block fuel cells, in the operating mode is constantly suspended in the fuel supply and exhaust gas pipes, which does not exclude its deflection and, as a consequence, its depressurization.

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.A significant disadvantage of the known single block fuel cell included in the known electrochemical device is the small total area of the electrodes, which is the current source and the small contact area of the current junction with the outer surface of the carrier electrode, which requires a significant number of block fuel cells.

Техническим результатом является повышение мощности и жесткости единичного блочного топливного элемента, увеличение активной поверхности электродов и площади контакта разнополярных электродов при последующей сборке.The technical result is to increase the power and stiffness of a single block fuel cell, increase the active surface of the electrodes and the contact area of bipolar electrodes during subsequent assembly.

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.The technical result is achieved by the fact that a single block fuel cell made in the form of a carrier electrode with channels located at an angle to each other, on whose walls thin-layer coatings are applied, and groups of unlike gas channels formed in this case are displayed on mutually intersecting surfaces of a fuel cell made of the porous material of one of the electrodes, a solid electrolyte in the form of a thin-layer dense coating and a second electrode located on top of it are deposited on a group of channels of the second sign, and channels of another sign are formed in the carrier electrode itself, according to the utility model, the carrier electrode is made in the form of an annular element, with the outer surface in the form of a truncated cone and the inner surface in the form of a reverse truncated cone, and is provided with uniformly located radial channels facing the outer and inner conical surfaces and vertical channels between them connecting the bases of the fuel cell and forming N electrochemical cells, while the smaller The flattening is made, the larger base is equipped with protrusions located along the perimeter of the outer and inner cones, covered with a thin layer of electrolyte, while the conical surfaces of the protrusions are made with the same taper.

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.The implementation of a single block fuel cell in the form of an annular element, the outer surface of which is made in the form of a truncated cone, and the inner surface of the inverse truncated cone with the same taper, allows for an accurate fit during the assembly of fuel cells by arranging the smaller base of the next fuel element in the ring protrusions of the larger base previous fuel cell, which allows you to connect them along the entire annular area of the bearing electrode and significantly reduces voltage loss, and therefore, increases the power of both the fuel cell and the entire electrochemical device.

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.In addition, the proposed design of a block fuel cell allows them to form a central hole inside, in which it is possible to arrange a converter, which during operation is subjected to additional heating by the air leaving the radial channels, which increases the efficiency of electrochemical processes and, therefore, increases the power of the electrochemical device.

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.The uniform arrangement of radial channels extending to the outer and inner conical surfaces of a single fuel cell and the arrangement of vertical channels connecting their bases between them allows compactly arranging the channels around the entire perimeter of the annular element and thereby increase the power taken from the unit area of the electrodes.

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.The proposed design of the block fuel cell provides free passage of fuel and air, which minimizes the size of the channels, increase the density of their location and increase their number without affecting the free flow of fuel and air, which increases the power of the block fuel cell.

Кроме того, повышение мощности единичного блочного топливного элемента возможно путем увеличения его наружного диаметраIn addition, increasing the power of a single block fuel cell is possible by increasing its outer diameter

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.The inventive design of a single block fuel cell is more rigid and durable compared to the known due to the large number of electrochemical cells, which are a kind of stiffeners.

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.The ability to connect single block fuel cells by positioning a smaller base of one single block fuel cell in the ring protrusions of a larger base of another single block fuel cell allows to increase the surface of the current passage through the interconnect between the opposite electrodes.

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.The claimed essential features of a utility model that determine the receipt of the specified technical result are not known from the prior art, which allows us to conclude that the utility model meets the patentability criterion of "novelty." The possibility of implementing a utility model is disclosed in an example of its specific implementation.

На фигуре 1 изображен общий вид единичного блочного топливного элемента.The figure 1 shows a General view of a single block fuel cell.

На фигуре 2 изображено сечение по осям радиальных и вертикальных каналов единичного блочного топливного элемента.The figure 2 shows a section along the axes of the radial and vertical channels of a single block fuel cell.

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.A single block fuel cell includes (Fig. 1) a supporting electrode 1 made of a thick-walled and being a cathode, the outer surface of which is made in the form of a truncated cone, and the inner surface is in the form of a reverse truncated cone, electrolyte 2 in the form of a thin-layer gas-tight coating and the anode 3 , radial channels 4 for air supply, vertical channels 5 for fuel supply. Radial channels 4 and vertical channels 5 divide the fuel cell into N electrochemical cells. Each electrochemical cell (not indicated) includes a cathode made of the material of the supporting electrode 1 located inside it, an electrolyte 2 located on top of the cathode 1 and an anode 3 located on top of the electrolyte 2. The larger base of a single block fuel cell (not indicated) is provided with a protrusion 6, located around the perimeter of the outer cone and the protrusion 7 (Fig. 2), located around the perimeter of the inner cone. The ends of the protrusions 6 and 7 and their side surfaces are coated with electrolyte 2. The upper end surfaces and side surfaces of the electrochemical cells in the vertical channels 5 are coated with electrolyte 2, on top of which the anode 3 is deposited. Thus, the upper base, consisting of the upper end surfaces of the electrochemical cells and internal the lateral surfaces of the protrusions, is the anode 3. In the vertical channels 5, the anode 3 does not reach the lower base 8 by 1.5-2 mm. The smaller base of a single fuel cell formed by the lower ends of the electrochemical cells is cathode 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.The bearing electrode 1 is made of porous strontium lanthanum manganite. The electrolyte 2 is made in the form of a thin gas-dense layer of a solid electrolyte from zirconia stabilized with yttrium. The anode 3 is made in the form of a porous nickel-cermet electrode.

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.A single block fuel cell operates as follows. Through channels 4, air is heated to operating temperature, which gives oxygen ions to an electrolyte 2 having oxygen-ionic conductivity, which reaches anode 3, on which an adsorbed and catalytically activated fuel molecule, for example, hydrogen interacts with an oxygen ion, is supplied to a carrier electrode - cathode 1, As a result, free electrons appear, which pass into the anode 3 and then into the external circuit. The generated current is equal to the sum of the currents of all electrochemical cells.

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.The removal of current of different polarity occurs from the surfaces of the larger base - the anode 3, formed by the upper ends of the electrochemical cells, and from the smaller base 8 - the cathode, formed by the lower end surfaces of the electrochemical cells.

Пример. Наружный диаметр единичного блочного топливного элемента - 9 см, внутренний диаметр 3 см, высота 1,5 см. Площадь электродов электрохимической ячейки 9 см². В единичном блочном топливном элементе 24 электрохимических ячеек общей площадью 216 см². При плотности тока 0,5 А/см² 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.Example. The outer diameter of a single block fuel cell is 9 cm, the inner diameter is 3 cm, and the height is 1.5 cm. The area of the electrodes of the electrochemical cell is 9 cm ² . In a single block fuel cell 24 electrochemical cells with a total area of 216 cm ² . At a current density of 0.5 A / cm ² and a voltage of 0.7 V, the electrochemical cell produces a current strength of 4.5 A, a power of 3.5 watts. The total power and current of a single block fuel cell is 75.6 watts. and 102 A, respectively.

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.The inventive single block fuel cell is compact, rigid with a developed active surface of the electrodes, a high current density and a large surface of the current path between the opposite electrodes through the conductive material with minimal ohmic resistance. The total sum of the contact areas between different signs is significant, which makes it possible to transfer large currents in an electrochemical device from one single fuel cell to another and, as a whole, throughout the electrochemical module with minimal voltage loss and local overheating to unlike electrical power selection terminals with a small ohmic resistance. Delivery of fuel and air to the electrodes is free.

Claims

A single block fuel cell made in the form of a carrier electrode with channels located at an angle to each other, on the walls of which thin-layer coatings are applied, and groups of unlike gas channels formed in this case are displayed on mutually intersecting surfaces of a fuel cell made of a porous material of one of the electrodes, a solid electrolyte in the form of a thin layer dense coating and a second electrode located on top of it are deposited on a group of channels of one sign, and channels of a different sign are formed ana in the carrier electrode itself, characterized in that the carrier electrode is made in the form of an annular element with an outer surface in the form of a truncated cone and an inner surface in the form of a reverse truncated cone, and is provided with uniformly spaced radial channels facing the outer and inner conical surfaces and located between them vertical channels connecting the base of the fuel cell and forming N electrochemical cells, the smaller base is made flat, the larger base is equipped with protrusions laid along the perimeter of the outer and inner cones, covered with a thin layer of electrolyte, while the conical surfaces of the protrusions are made with the same taper.