RU196629U1 - Мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента с контактными слоями - Google Patents
Мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента с контактными слоями Download PDFInfo
- Publication number
- RU196629U1 RU196629U1 RU2019141912U RU2019141912U RU196629U1 RU 196629 U1 RU196629 U1 RU 196629U1 RU 2019141912 U RU2019141912 U RU 2019141912U RU 2019141912 U RU2019141912 U RU 2019141912U RU 196629 U1 RU196629 U1 RU 196629U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sofc
- oie
- contact layers
- assembly
- oxide fuel
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
-
- 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
-
- 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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к мембранно-электродному блоку (МЭБ) твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Сущность предлагаемой конструкции МЭБ ТОТЭ состоит в том, что она обеспечивает низкие контактные сопротивления на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор». При этом не требуется использования дополнительных материалов и конструкционных элементов. Данный технический результат достигается за счет нанесения на поверхности катодного (3) и анодного (1) электродов изготовленного МЭБ ТОТЭ контактных слоев (4) и (5) с составом, близким к составу электродов, при этом температура спекания контактных слоев не превышает температуру герметизации сборки МЭБ ТОТЭ. Такой подход позволяет сформировать высокопроводящий электрический контакт на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» во время первичного запуска в процессе герметизации сборки ТОТЭ. 2 ил.
Description
Полезная модель относится к области высокотемпературных топливных элементов и может найти применение при проведении исследовательских испытаний твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и изготовлении сборок ТОТЭ любой мощности.
Твердооксидные топливные элементы - это высокоэффективные электрохимические генераторы электрической и высокопотенциальной тепловой энергии. Отличительной особенностью ТОТЭ являются высокие рабочие температуры - более 800°С для элементов с несущим электролитом - и широкий спектр используемых топлив: водород, различные углеводороды, спирты, угарный газ и т.д. Электрохимический способ генерации позволяет получить рекордные значения коэффициента полезного действия (КПД) по производству электроэнергии, достигающие 60%, а в гибридных установках с газовыми и паровыми турбинами - до 70%. С учетом утилизации сопутствующего высокопотенциального тепла экспериментально показано, что полный КПД может превышать 90%. В основе принципа работы ТОТЭ лежит создание градиента химического потенциала кислорода с двух сторон газоплотной, проводящей электрический ток исключительно по ионам кислорода, мембраны твердого электролита. На катоде ТОТЭ протекает реакция образования ионов из газообразного кислорода, которые затем участвуют в транспорте ионного тока через анион-проводящую мембрану на анод, где проходит реакция окисления топлива: в наиболее распространенном варианте подачи в сборку синтез-газа, получаемого в результате риформинга углеводородов, водород окисляется до воды, а угарный газ - до углекислого. Во внешней цепи при этом протекает равный по величине ток электронов.
Плотность снимаемой с мембранно-электродного блока (МЭБ) ТОТЭ мощности, обычно, не превышает 1 Вт/см2. Для достижения технически значимых величин полной снимаемой мощности на основе единичных мембранно-электродных блоков ТОТЭ изготавливают сборки МЭБ ТОТЭ. При изготовлении сборки единичных ТОТЭ с целью обеспечения газораспределения и съема тока используют токовые коллекторы, изготавливаемые из керамических или металлических высокопроводящих материалов (например, ферритных нержавеющих сталей). По причине жесткости, как МЭБ ТОТЭ, так и деталей токовых коллекторов, обеспечение плотного прилегания поверхности электродов к контактным областям токовых коллекторов для создания эффективного электрического контакта на всей поверхности электрода является технически сложной задачей.
Известно несколько способов обеспечения эффективного съема тока с электродов планарных ТОТЭ, в частности, в патенте KR 101226489 В1 от 09.05.2011 г. предлагается использовать дополнительный гибкий и сжимаемый буферный элемент, за счет чего компенсируется разнотолщинность и неравномерность изгиба топливного элемента и детали токового коллектора и обеспечивается надежный контакт на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор». Необходимость использования дополнительного элемента усложняет процесс изготовления сборки ТОТЭ и увеличивает ее стоимость. Кроме того, в патенте не конкретизируется фазовый состав предлагаемого буферного элемента, что, потенциально, подразумевает внесение дополнительных материалов, отличных от материалов, используемых при изготовлении МЭБ ТОТЭ и деталей токовых коллекторов, что может приводить к снижению стабильности эксплуатационных характеристик сборки МЭБ ТОТЭ.
В патенте RU 2568815, опубликованном 20.11.2015 г., для создания надежного контакта на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» предлагается использовать контактные пасты на основе наиболее распространенных электродных материалов: катодного материала La0,8Sr0,2MnO3-δ (LSM) – для катодного электрода; керметного материала состава 60 вес. % NiO+40 вес. % Y2O3-ZrO2 - для анодного электрода. Важной особенностью является возможность формирования проводящего контакта при температурах 700-850°С за счет использования наноразмерных механически активированных исходных порошков. Такой подход не вносит новых материалов в анодную и катодную камеры ТОТЭ, что снижает риск отрицательного влияния на стабильность характеристик сборки ТОТЭ, однако, в патенте не предлагается усовершенствование электродов ТОТЭ за счет нанесения дополнительных не спеченных контактных слоев.
Наиболее близким устройством, выбранным в качестве прототипа, является мембранно-электродный блок ТОТЭ, описанный в патенте № US 8449702 В2 от 28.05.2013 г. В патенте приводится конструкция МЭБ ТОТЭ планарной геометрии электролит-поддерживающей конструкции. Основой такого элемента является анион-проводящая мембрана, несущая основные механические нагрузки при изготовлении и работе МЭБ. На нее последовательно наносят подслои многослойных анода и катода, формирование которых происходит во время совместной высокотемпературной обработки. Для обеспечения эффективного съема тока с поверхности электродов такого МЭБ необходимо применять дополнительные процедуры и детали, не описанные в патенте.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, состоит в формировании высокопроводящего электрического контакта на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор». Результат может выражаться, в частности, в снижении сопротивления контакта «электрод | токовый коллектор», а также в повышении стабильности эксплуатационных характеристик сборки МЭБ ТОТЭ.
Для достижения указанного технического результата мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента содержит мембрану твердого электролита, катодный электрод и анодный электрод, при этом на поверхностях электродов нанесены дополнительные контактные слои, обеспечивающие за счет спекания формирование электрического контакта на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» во время первичного запуска сборки ТОТЭ.
Отличительные признаки, заключающиеся в том, что на поверхностях электродов нанесены дополнительные контактные слои, обеспечивающие за счет спекания формирование электрического контакта на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» во время первичного запуска сборки ТОТЭ, обеспечивают высокопроводящий стабильный во времени электрический контакт между МЭБ ТОТЭ и токовыми коллекторами сборки. Это позволяет снизить полное внутреннее сопротивление сборки и повысить его временную стабильность.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение обычного МЭБ ТОТЭ в разрезе, описанного в патенте № US 8449702 В2. В конструкцию МЭБ входят анодный электрод 1, электролит 2 и катодный электрод 3.
Фиг. 2 показывает схематическое изображение предлагаемого МЭБ ТОТЭ с дополнительными контактными слоями в разрезе.
В конструкцию мембранно-электродного блока твердооксидного топливного элемента с контактными слоями входят, помимо обычных для МЭБ ТОТЭ слоев электролита 2, катодного электрода 3 и анодного электрода 1, дополнительные контактные слои: анодный 4 и катодный 5. Дополнительные анодный 4 и катодный 5 контактные слои наносятся, например, методом трафаретной печати на поверхности анода и катода изготовленного МЭБ, соответственно. Контактные слои не подвергаются спеканию, а только низкотемпературному (около 100-150°С) высушиванию с целью удаления легколетучих компонентов органического связующего паст.
Отличительным признаком предлагаемого МЭБ ТОТЭ от известного прототипа является использование контактных проводящих слоев на поверхности электродов. Состав контактных слоев близок к составу электродов. Формирование контактных слоев проходит в цикле герметизации сборки МЭБ ТОТЭ за счет того, что требуемая для спекания температура не превышает температуру формирования. Благодаря наличию указанных выше признаков организован высокопроводящий стабильный во времени электрический контакт между МЭБ ТОТЭ и токовыми коллекторами сборки. Это позволяет снизить полное внутреннее сопротивление сборки и повысить его временную стабильность.
Заявленная полезная модель мембранно-электродного блока твердооксидного топливного элемента с контактными слоями имеет преимущества перед прототипом, заключающееся в том, что в конструкцию введены дополнительные контактные слои, спекающиеся во время первичного запуска сборки МЭБ, что позволяет формировать надежный контакт на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» непосредственно в процессе первичного запуска сборки ТОТЭ и не требует дополнительных температурных обработок. Также использование МЭБ с дополнительными контактными слоями позволяет уменьшить количество деталей, используемых при изготовлении сборки МЭБ ТОТЭ, что значительно упрощает процесс изготовления сборок и снижает их конечную стоимость.
Claims (1)
- Мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента, содержащий мембрану твердого электролита, катодный электрод и анодный электрод, отличающийся тем, что на поверхностях электродов нанесены дополнительные контактные слои, обеспечивающие за счет спекания формирование электрического контакта на границе «МЭБ ТОТЭ | токовый коллектор» во время первичного запуска сборки ТОТЭ.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019141912U RU196629U1 (ru) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента с контактными слоями |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019141912U RU196629U1 (ru) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента с контактными слоями |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU196629U1 true RU196629U1 (ru) | 2020-03-10 |
Family
ID=69768605
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019141912U RU196629U1 (ru) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента с контактными слоями |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU196629U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2754352C1 (ru) * | 2020-12-30 | 2021-09-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") | Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005071659A (ja) * | 2003-08-28 | 2005-03-17 | Shinko Electric Ind Co Ltd | 固体有機物表面利用燃料電池 |
EP1051767B1 (en) * | 1998-02-06 | 2008-05-07 | Igr Enterprises, Inc. | Supported electrolyte membrane comprising ceramic composite and device |
RU2342740C2 (ru) * | 2003-12-02 | 2008-12-27 | Нанодайнэмикс, Инк. | Твердооксидные топливные элементы с несущим анодом и с керметным электролитом |
US8449702B2 (en) * | 2010-08-17 | 2013-05-28 | Bloom Energy Corporation | Method for solid oxide fuel cell fabrication |
RU2568815C1 (ru) * | 2014-10-28 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Способ изготовления контактного электродного материала с контролируемой пористостью для батарей твердооксидных топливных элементов |
-
2019
- 2019-12-13 RU RU2019141912U patent/RU196629U1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1051767B1 (en) * | 1998-02-06 | 2008-05-07 | Igr Enterprises, Inc. | Supported electrolyte membrane comprising ceramic composite and device |
JP2005071659A (ja) * | 2003-08-28 | 2005-03-17 | Shinko Electric Ind Co Ltd | 固体有機物表面利用燃料電池 |
RU2342740C2 (ru) * | 2003-12-02 | 2008-12-27 | Нанодайнэмикс, Инк. | Твердооксидные топливные элементы с несущим анодом и с керметным электролитом |
US8449702B2 (en) * | 2010-08-17 | 2013-05-28 | Bloom Energy Corporation | Method for solid oxide fuel cell fabrication |
RU2568815C1 (ru) * | 2014-10-28 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Способ изготовления контактного электродного материала с контролируемой пористостью для батарей твердооксидных топливных элементов |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2754352C1 (ru) * | 2020-12-30 | 2021-09-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") | Трубчатый тотэ с катодным токовым коллектором и способ формирования катодного топливного коллектора |
WO2022146188A1 (ru) * | 2020-12-30 | 2022-07-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") | Трубчатый твердооксидный топливный элемент с катодным коллектором и способ его формирования |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Singh et al. | Solid oxide fuel cell: Decade of progress, future perspectives and challenges | |
Zhang et al. | Tailoring Sr2Fe1. 5Mo0. 5O6− δ with Sc as a new single-phase cathode for proton-conducting solid oxide fuel cells | |
Sumi et al. | Performance of nickel–scandia-stabilized zirconia cermet anodes for SOFCs in 3% H2O–CH4 | |
Jayakumar et al. | A direct carbon fuel cell with a molten antimony anode | |
Mougin | Hydrogen production by high-temperature steam electrolysis | |
JP2021166192A (ja) | 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および電気化学素子の製造方法 | |
Jung et al. | Study of reversible solid oxide fuel cell with different oxygen electrode materials | |
EP3103153B1 (en) | Assembly method and arrangement for a cell system | |
US20110059388A1 (en) | Solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell bundle | |
Herradon et al. | Proton-conducting ceramics for water electrolysis and hydrogen production at elevated pressure | |
US20110159173A1 (en) | Conductive coating for solid oxide fuel cells | |
JP2022022273A (ja) | 電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池モジュール及び固体酸化物形電解セルモジュール | |
Li et al. | Fabrication of anode supported solid oxide electrolysis cell with the co-tape casting technique and study on co-electrolysis characteristics | |
Raduwan et al. | Challenges in fabricating solid oxide fuel cell stacks for portable applications: A short review | |
RU196629U1 (ru) | Мембранно-электродный блок твердооксидного топливного элемента с контактными слоями | |
Jung et al. | Electrochemical performance and long-term durability of a reversible solid oxide fuel cell | |
US20110053045A1 (en) | Solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same | |
Bove | Solid oxide fuel cells: principles, designs and state-of-the-art in industries | |
Mauvy et al. | Lanthanum nickelate as an efficient oxygen electrode for solid oxide electrolysis cell | |
KR101409639B1 (ko) | 고체산화물 연료전지용 연결재 및 상기 연결재의 제작방법 | |
Yokokawa | Overview of intermediate-temperature solid oxide fuel cells | |
KR101281772B1 (ko) | 고체 산화물 연료 전지 및 이의 제조 방법 | |
Douglas | Solid futures in fuel cells | |
Yano et al. | Solid oxide fuel cell with anodes using proton conductor (Barium-Cerium/Yttrium oxide) | |
KR101367068B1 (ko) | 바이메탈 집전 부재 및 이를 구비한 연료전지장치 |