RU1840833C

RU1840833C - Cell battery of electrochemical device

Info

Publication number: RU1840833C
Application number: SU2255332/07A
Authority: RU
Inventors: А.С. Липилин; А.К. Дёмин; Б.Л. Кузин; М.В. Перфильев
Priority date: 1979-04-16
Filing date: 1979-04-16
Publication date: 2012-07-27

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: cell battery with solid high-temperature electrolyte of cylindrical cells, electric insulating layers and unlike electrodes on ends connected mechanically and electrically. Solid electrolyte has channels for unlike electrodes while electric insulating layer is arranged under electrode material at cells connection points.

EFFECT: better specific characteristics, longer life.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом и может быть использовано при изготовлении источников тока (топливных элементов), систем жизнеобеспечения, электролизеров, кислородных насосов и т.д.The invention relates to the field of electrochemical devices with a solid high-temperature electrolyte and can be used in the manufacture of current sources (fuel cells), life support systems, electrolyzers, oxygen pumps, etc.

Известны электрохимические устройства с газовыми электродами и твердым электролитом в форме цилиндрической трубки, на которой располагаются отдельные элементы, соединенные последовательно по току и газу (H.H.Möbius «Zur Entwicklung der Elektrochemie mit Festelektrolyten», Chemische Geselschaft, 21 Jahrgang, №2, 8, 1974, 177-182).Known electrochemical devices with gas electrodes and a solid electrolyte in the form of a cylindrical tube on which are located individual elements connected in series by current and gas (HHMöbius "Zur Entwicklung der Elektrochemie mit Festelektrolyten", Chemische Geselschaft, 21 Jahrgang, No. 2, 8, 1974 , 177-182).

Устройства этой конструкции имеют низкие удельные характеристики, сложно решается вопрос по нанесению внутренних электродов, коммутации элементов, токосъемов и не могут иметь значительной мощности.Devices of this design have low specific characteristics, it is difficult to solve the problem of applying internal electrodes, switching elements, current collectors and cannot have significant power.

Из известных конструкций батарей наиболее близкой является батарея из блоков твердого электролита с каналами для разноименных электродов, расположенными под углом друг к другу, соединенных последовательно по току и газу путем стыковки блоков между собой, и имеющая крышки с газоотводящими трубками.Of the known battery designs, the closest is a battery of solid electrolyte blocks with channels for dissimilar electrodes located at an angle to each other, connected in series by current and gas by docking the blocks together, and having covers with exhaust pipes.

Прямоугольная форма блоков приводит к неравномерной усадке твердого электролита в процессе высокотемпературного спекания, что ведет к искривлению боковых стенок блока и большому количеству брака. Кроме того, две боковые стенки конструктивно ослаблены, что приводит к появлению трещин, к потере герметичности и выходу из строя всего устройства. К недостаткам нужно отнести и герметизацию мест сочленения блоков посредством заплавления специальными стеклами, т.к. последние при высоких рабочих температурах находятся в полужидком состоянии, не могут обеспечить механической прочности батареи, которая быстро теряет герметичность. Кроме того, большое количество герметизирующих стеклянных швов на 10÷15 процентов увеличивает длину самой батареи. Электрическая коммутация элементов в батарею осуществляется проволочными токоподводами, проходящими через стеклянный шов, что значительно затрудняет сборку, приводит к ненужным потерям напряжения на самих проводничках до 20 процентов, к нерациональному распределению тока по поверхности электродов, к разогреву проволочек, который приводит к местному перегреву стекла-герметика и возникновению пузырьков и течей батареи вблизи коммутации. Все перечисленные недостатки снижают удельные характеристики батарей и значительно сокращают срок их службы.The rectangular shape of the blocks leads to uneven shrinkage of the solid electrolyte during high-temperature sintering, which leads to curvature of the side walls of the block and a large number of defects. In addition, the two side walls are structurally weakened, which leads to the appearance of cracks, to a loss of tightness and failure of the entire device. The disadvantages include the sealing of joints of blocks by melting with special glasses, because the latter at high operating temperatures are in a semi-liquid state, they cannot provide the mechanical strength of the battery, which quickly loses its tightness. In addition, a large number of sealing glass joints by 10-15 percent increases the length of the battery itself. Electrical switching of the elements into the battery is carried out by wire current leads passing through the glass seam, which makes assembly much more difficult, leads to unnecessary voltage losses on the conductors themselves, up to an irrational current distribution over the surface of the electrodes, and heating of the wires, which leads to local overheating of the glass. sealant and the appearance of bubbles and battery leaks near switching. All these shortcomings reduce the specific characteristics of the batteries and significantly reduce their service life.

Целью настоящего изобретения является батарея, лишенная перечисленных недостатков.The aim of the present invention is a battery devoid of the above disadvantages.

Указанная цель достигается благодаря изготовлению элементов цилиндрической формы и выводу разноименных электродов на противоположные электроизолированные торцы цилиндров. Герметичное сочленение элементов в батарею и одновременная электрическая коммутация их осуществляется по торцам цилиндров через материал электродов.This goal is achieved through the manufacture of elements of a cylindrical shape and the output of unlike electrodes to opposite electrically insulated ends of the cylinders. Sealed articulation of the elements in the battery and their simultaneous electrical switching is carried out at the ends of the cylinders through the material of the electrodes.

Цилиндрическая форма элементов обеспечивает более равномерное спекание, уменьшает количество брака по форме. Более прочные стенки элементов увеличивают надежность работы батареи. Отсутствие стеклянных швов в сочленениях, кроме увеличения прочности и надежности работы батареи приводит к улучшению удельных характеристик, т.к. герметизация идет по торцу и не удлиняет, не усложняет батарею дополнительными бортиками или конусностью элементов, необходимых для стеклянного шва. Проще осуществляется и коммутация элементов в батарею, что приводит к более равномерному распределению тока, улучшению характеристик и увеличению срока службы батареи.The cylindrical shape of the elements provides a more uniform sintering, reduces the number of defects in shape. Stronger cell walls increase battery reliability. The absence of glass joints in the joints, in addition to increasing the strength and reliability of the battery leads to an improvement in specific characteristics, because the sealing goes along the end and does not lengthen, does not complicate the battery with additional sides or taper of the elements necessary for the glass joint. It is also easier to switch elements in the battery, which leads to a more uniform distribution of current, improved performance and increased battery life.

На чертеже приведен общий вид батареи из элементов 1, которая имеет крышки 2 с газоподводящими трубками 3. В сечении элементов хорошо видны газовые каналы, образованные твердым электролитом 4 (0,9ZrO₂+0,1Sc₂O₃), заштрихованы точками) и разноименные платиновые электроды 5 и 6, выведенные на торцы элементов, осуществляющие герметизацию шва 7 и электрическую коммутацию. Непосредственно под электродами на торцах элементов находятся слои 8 электроизоляционной конструкционной керамики на основе двуокиси циркония толщиной около 0,1 мм (заштрихованы черным цветом). На чертеже не изображены электроды, нанесенные на газовые каналы внутри элементов.The drawing shows a General view of the battery of the cells 1, which has a cover 2 with gas supply tubes 3. In the section of the cells are clearly visible gas channels formed by solid electrolyte 4 (0.9ZrO ₂ + 0.1Sc ₂ O ₃ ), shaded by dots) and opposite platinum electrodes 5 and 6, displayed on the ends of the elements, sealing the seam 7 and electrical switching. Directly under the electrodes at the ends of the elements are layers 8 of structural insulating structural ceramics based on zirconium dioxide with a thickness of about 0.1 mm (shaded in black). The drawing does not show the electrodes deposited on the gas channels inside the elements.

Пары воды (можно углекислый газ или его смесь с парами воды) подают через газоподводящую трубку внутрь батареи, разогретой до температуры 800÷1100°C. При пропускании постоянного тока через батарею последовательно соединенных элементов (электролизер) пары воды разлагаются до водорода и кислорода. Последний выделяется на наружной поверхности батареи, а водород удаляется через вторую трубку. При замене электродов и смене полярности пропускаемого тока, возможна подача паров воды снаружи батареи. В этом случае для отбора кислорода из внутренней полости батареи достаточно одной газоотводящей трубки.Water vapors (carbon dioxide or a mixture thereof with water vapors can be supplied) are fed through a gas supply tube into a battery heated to a temperature of 800 ÷ 1100 ° C. When passing direct current through a battery of series-connected cells (electrolyzer), water vapor decomposes to hydrogen and oxygen. The latter is released on the outer surface of the battery, and hydrogen is removed through a second tube. When replacing the electrodes and changing the polarity of the transmitted current, it is possible to supply water vapor from the outside of the battery. In this case, one gas outlet tube is enough to take oxygen from the internal cavity of the battery.

Испытания показали надежность предлагаемой конструкции батареи в процессе длительной эксплуатации. Такие батареи могут использоваться как источники тока, так и электролизеры в системах жизнеобеспечения в наземных, подводных и космических кораблях, а также для получения водорода при решении задачи водородной энергетики.Tests have shown the reliability of the proposed battery design during long-term operation. Such batteries can be used both current sources and electrolyzers in life support systems in land, submarine and space ships, as well as for producing hydrogen in solving the problem of hydrogen energy.

Claims

A battery of elements of an electrochemical device with a solid high-temperature electrolyte from cylindrical-shaped elements, insulating layers and dissimilar electrodes at the ends connected mechanically and electrically, characterized in that, in order to improve the specific characteristics and increase the service life, the solid electrolyte is made with channels for unlike electrodes, and the insulating layer is located under the electrode material at the junction of the elements.