RU2129323C1 - Battery of solid-oxide fuel cells - Google Patents
Battery of solid-oxide fuel cells Download PDFInfo
- Publication number
- RU2129323C1 RU2129323C1 RU96116359A RU96116359A RU2129323C1 RU 2129323 C1 RU2129323 C1 RU 2129323C1 RU 96116359 A RU96116359 A RU 96116359A RU 96116359 A RU96116359 A RU 96116359A RU 2129323 C1 RU2129323 C1 RU 2129323C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- electrolyte
- battery
- thickening
- fuel cells
- 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
-
- 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
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую на базе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов, а более конкретно к монтажу топливных элементов так называемой планарной конструкции. The invention relates to devices for converting chemical energy into electrical energy on the basis of high-temperature solid oxide fuel cells, and more particularly to the installation of fuel cells of the so-called planar design.
Высокотемпературные топливные элементы планарной конструкции характеризуются наиболее простой геометрией, что делает их удобными для создания пространственно-экономичных компактных батарей. Создание таких батарей обеспечивается стопированием элементов при наложении их друг на друга, при этом поверхности элементов в основном параллельны друг другу. High-temperature fuel cells of a planar design are characterized by the simplest geometry, which makes them convenient for creating spatially economical compact batteries. The creation of such batteries is provided by stopping the elements when they are superimposed on each other, while the surfaces of the cells are mainly parallel to each other.
В частности, известна батарея собранных в стопку твердооксидных топливных элементов, каждый из которых выполнен в форме диска из тонкослойного твердого электролита с электродными покрытиями на противоположных сторонах с кольцевой обоймой, охватывающей топливную ячейку, содержащая также кольцевые токосъемники, разделительные газонепроницаемые диски, систему вертикальных и горизонтальных каналов для подвода и отвода газообразных реагентов в электродные камеры, образованные между электродными покрытиями топливных ячеек и разделительными газонепроницаемыми дисками. In particular, a battery of solid oxide fuel cells assembled in a stack is known, each of which is made in the form of a disk of a thin-layer solid electrolyte with electrode coatings on opposite sides with an annular cage covering the fuel cell, which also contains annular current collectors, gas-tight separating disks, a system of vertical and horizontal channels for supplying and discharging gaseous reagents into the electrode chambers formed between the electrode coatings of the fuel cells and the separator gas-tight discs.
Недостатком данной конструкции является большая номенклатура разнообразных деталей, которые участвуют в сборке батареи элементов, что ухудшает пространственно-энергетические характеристики. The disadvantage of this design is the large range of various parts that are involved in the assembly of the battery of elements, which affects the spatial and energy characteristics.
Известна батарея высокотемпературных топливных элементов в форме плоских прямоугольных пластин из твердого электролита с электродными покрытиями на противолежащих сторонах, содержащая биполярные разделительные пластины с выступами в форме ребер, стоек или заклепок, обеспечивающими образование электродных камер между электродными покрытиями и разделительными пластинами при стопировании топливных элементов поочередно с биполярными пластинами, и систему каналов для подачи и отвода газовых сред к стопке и от нее. A known battery of high temperature fuel cells in the form of flat rectangular plates of solid electrolyte with electrode coatings on opposite sides, containing bipolar separation plates with protrusions in the form of ribs, racks or rivets, providing the formation of electrode chambers between electrode coatings and separation plates when stopping fuel cells alternately with bipolar plates, and a system of channels for supplying and discharging gas media to and from the stack.
В такой батарее совмещены функции разделителей и электросоединителей между отдельными элементами за счет использования биполярных плат. In such a battery, the functions of separators and electrical connectors between individual elements are combined through the use of bipolar boards.
Недостатком данной конструкции являются невозможность варьирования типов электрических соединений и некоторая громоздкость из-за необходимости использования большегабаритных вертикальных газовых каналов, примыкающих к боковым стенкам стопки с полным охватом их боковой поверхности. The disadvantage of this design is the impossibility of varying the types of electrical connections and some cumbersomeness due to the need to use large vertical gas channels adjacent to the side walls of the stack with full coverage of their side surface.
Прототипом выбрана батарея твердооксидных топливных элементов, каждый из которых содержит тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, стопированных с образованием между одноименными электродными покрытиями соседних элементов чередующихся электродных камер, содержащая также систему вертикальных каналов для подвода и отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов и систему горизонтальных каналов для соединения вертикальных каналов с электродными камерами. Образование электродных камер осуществлено с помощью сепараторных пластин с направляющими лопатками, а система вертикальных каналов организована в центре стопки. The prototype is a battery of solid oxide fuel cells, each of which contains a thin-layer solid electrolyte with electrode coatings on opposite sides, stopped to form alternating electrode chambers between the same electrode coatings of the same electrode coatings, which also contains a system of vertical channels for supplying and discharging reducing and oxidizing gaseous reagents and a system horizontal channels for connecting vertical channels with electrode chambers. The formation of the electrode chambers is carried out using separator plates with guide vanes, and a system of vertical channels is organized in the center of the stack.
Как и предыдущая, эта конструкция также является достаточно сложной, т. к. требует использования сепараторных пластин. Like the previous one, this design is also quite complex, because it requires the use of separator plates.
Настоящее изобретение направлено на создание батареи твердооксидных топливных элементов, использующей малое количество элементов, участвующих в стопировании, т. е. обладающей улучшенными технологическими и пространственно-энергетическими характеристиками. Изобретение позволяет отказаться от сепараторных пластин, имеющих достаточно сложную конструкцию, за счет изменения формы топливных элементов. При этом предполагается сохранение и даже расширение количества вариаций планарных форм используемых топливных элементов и повышение технологичности герметичного соединения элементов между собой. The present invention is directed to the creation of a solid oxide fuel cell battery using a small number of cells involved in stopping, i.e., having improved technological and spatial-energy characteristics. The invention allows to abandon separator plates having a rather complex structure due to a change in the shape of the fuel cells. At the same time, it is expected to preserve and even expand the number of variations in planar forms of the fuel cells used and to increase the manufacturability of the tight connection of the elements to each other.
Поставленная задача решается тем, что в батарее твердооксидных топливных элементов, каждый из которых содержит тонкослойный электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, стопированных с образованием чередующихся электродных камер, содержащей систему вертикальных каналов для подвода и отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов и систему горизонтальных каналов для соединения вертикальных каналов с соответствующими электродными камерами, предлагается согласно изобретению каждый электродный слой каждого топливного элемента выполнить с утолщением по периферийному контуру с образованием в утолщении пары сквозных пазов, смещенных относительно такой же пары сквозных пазов в утолщении второго электродного слоя того же топливного элемента; при этом электродные камеры образованы одноименными электродными покрытиями соседних топливных элементов при непосредственном наложении утолщений друг на друга с совмещением пазов, образующих соответствующие электродным камерам горизонтальные каналы; вертикальные каналы выполнены наружными и примыкающими к соответствующим горизонтальным каналам. The problem is solved in that in the battery of solid oxide fuel cells, each of which contains a thin-layer electrolyte with electrode coatings on opposite sides, stopped with the formation of alternating electrode chambers, containing a system of vertical channels for supplying and removing reducing and oxidizing gaseous reagents and a system of horizontal channels for connection of vertical channels with corresponding electrode chambers, each electrode is proposed according to the invention the first layer of each fuel element is thickened along the peripheral contour with the formation in the thickening of a pair of through grooves offset relative to the same pair of through grooves in the thickening of the second electrode layer of the same fuel element; wherein the electrode chambers are formed by the same electrode coatings of adjacent fuel cells upon direct superposition of thickenings on each other with the combination of grooves forming horizontal channels corresponding to the electrode chambers; vertical channels are made external and adjacent to the corresponding horizontal channels.
Благодаря введенным периферийным утолщениям электродные камеры образуются при непосредственном наложении топливных элементов друг на друга без использования дополнительных сепараторных плат, и соединение топливных элементов осуществляется в области одинакового материала, т.е. имеющего один и тот же коэффициент температурного расширения. Due to the introduced peripheral thickenings, the electrode chambers are formed when the fuel cells are directly superimposed on each other without using additional separator plates, and the fuel cells are connected in the same material region, i.e. having the same coefficient of thermal expansion.
Каждое периферийной утолщение предлагается выполнить в виде электропроводной поперечно-слоистой структуры, и по крайней мере один из слоев этой структуры предлагается использовать в качестве токосъемника. Each peripheral thickening is proposed to be performed in the form of an electrically conductive transverse-layered structure, and at least one of the layers of this structure is proposed to be used as a current collector.
Кроме того, предлагается отношение высоты периферийного катодного утолщения к высоте периферийного анодного утолщения выбирать из диапазона 1 - 10. Выбором величины указанного отношения задается различный объем анодных и катодных камер, что обусловлено, как правило, повышенным расходом кислородсодержащего газа по сравнению с топливным. In addition, it is proposed that the ratio of the height of the peripheral cathode thickening to the height of the peripheral anode thickening be selected from the range 1 - 10. By choosing the value of this ratio, a different volume of the anode and cathode chambers is set, which is usually caused by an increased consumption of oxygen-containing gas compared to fuel.
Кроме того, предлагаются различные варианты формы электролита, определяющего форму топливного элемента в целом. В частности, предлагаются
- электролит плоской формы;
- электролит выпукло-вогнутой формы;
- электролит выпукло-вогнутой формы с плоской периферийной зоной.In addition, various electrolyte shape options are provided that determine the shape of the fuel cell as a whole. In particular, are offered
- flat electrolyte;
- convex-concave electrolyte;
- convex-concave electrolyte with a flat peripheral zone.
Плоская форма электролита может иметь форму диска, эллипса, квадрата, прямоугольника. The flat shape of the electrolyte may take the form of a disk, ellipse, square, rectangle.
Выпукло-вогнутая форма может быть образована как часть полой сферической поверхности, проекция которой на плоскость может иметь круглую, прямоугольную или квадратную форму. A convex-concave shape can be formed as part of a hollow spherical surface, the projection of which onto a plane can have a round, rectangular or square shape.
На фиг. 1 показан отдельный топливный элемент выпукло-вогнутой формы, на фиг. 2 - стопка из нескольких элементов, на которой показано как формируются электродные камеры, на фиг. 3 - общий вид заявляемой батареи в аксонометрии, на части которой для наглядности выполнен вырыв, открывающий блоки горизонтальных каналов. In FIG. 1 shows a separate convex-concave fuel cell; FIG. 2 - a stack of several elements, which shows how the electrode chambers are formed, FIG. 3 is a General view of the claimed battery in a perspective view, on the part of which, for clarity, a breakaway has been made that opens blocks of horizontal channels.
Каждый топливный элемент 1 содержит тонкий слой высокотемпературного твердого электролита 2 из диоксида циркония со стабилизирующими добавками. В данном варианте исполнения электролит имеет выпукло-вогнутую форму с плоской периферийной зоной и с круглой проекцией. На одну из сторон электролита 2 нанесено катодное покрытие 3 в виде напыленного слоя манганита лантана стронция, а на другую сторону нанесено анодное покрытие 4 в виде напыленного слой никелевого кермета. Каждое электродное покрытие 3 и 4 выполнено с периферийными утолщениями 5 и 6, образующими две серповидные полосы с каждой стороны и имеющими в данном варианте исполнения одинаковую высоту. Утолщения образованы токосъемными пластинками с многослойным напылением на них соответствующих электродных материалов. Токосъемные пластинки зафиксированы, например, на слое электролита с помощью клея. В тех местах, где утолщения отсутствуют, образуются пазы 7 и 8. В представленном варианте пазы 7 смещены относительно пазов 8 на 90o, хотя не исключены варианты с другими углами смещения. Между утолщениями 5, 6 и электролитом 2 размещены четыре токосъемных полукольца 9, к которым приварены коммутирующие проволочки 10. Токосъемники 9 выполняются из электропроводного материала с коэффициентом температурного расширения (к. т. р. ), соответствующим к.т.р. других материалов элемента, и зафиксированы на электролите высокотемпературным стеклоприпоем. Каждый единичный топливный элемент представляет собой единую сборочную единицу, из которых при стопировании формируется батарея. Для элементов выпукло-вогнутой формы одноименные электродные покрытия у соседних элементов должны быть нанесены на выпуклую сторону электролита 2 у одного элемента и на вогнутую сторону электролита 2 у другого элемента.Each fuel cell 1 contains a thin layer of high temperature
Сборка единичных топливных элементов 1 в батарею (фиг. 2, 3) осуществляется простым наложением периферийных утолщений друг на друга. При этом соседние элементы развернуты относительно друг друга на 90o (или другой угол в зависимости от того, как выполнены пазы в противолежащих электродных слоях каждого элемента). Между одноименными электродами 3 и 4 соседних элементов формируются чередующиеся катодные и анодные камеры 11 и 12. Одновременно образуются четыре вертикальных блока горизонтальных пазов, смещенных в предложенном варианте относительно друг друга на определенный угол, например на 90o. К ним примыкают четыре вертикальных канала - коллектора, два из которых 13 и 14 видны на фиг. 3. Эти каналы служат для подвода и отвода газореагентов в соответствующие электродные камеры через горизонтальные пазы 7, 8. Коллекторы изготавливают из жаростойкого материала, закрепляя их в верхних и нижних фланцах наружного кожуха батареи (не показаны), защищая места прилегания к батарее затвердевающим электроизоляционным герметиком 15. Коммутирующие проводники 10 от токосъемников 9 выводятся в коллекторы, предназначенные для восстановительных реагентов, в которых размещены токопроводящие шины 16 и 17. Топливные элементы 1 с помощью проводников 10 и шин 16 и 17 соединены в зависимости от предъявляемых требований к выходным электрическим параметрам батареи.Assembly of single fuel cells 1 in the battery (Fig. 2, 3) is carried out by simply superimposing peripheral thickenings on top of each other. In this case, the neighboring elements are rotated relative to each other by 90 o (or another angle depending on how the grooves are made in the opposite electrode layers of each element). Alternating cathode and
Для работы батареи необходимо организовать поступление топливного газа в коллектор 14 и кислородсодержащего газа, например, в коллектор 13 (или противолежащий ему). Из коллекторов реагенты поступают в соответствующие электродные камеры 11 и 12 и, омывая электродные покрытия 3 и 4 топливных элементов 1 при определенной температуре, обеспечивают преобразование химической энергии в электрическую. Продукты реакции и непрореагировавшие газы удаляются из камер 11, 12 через соответствующие пазы 7, 8 и другую пару коллекторов, противолежащих входным. For the battery to work, it is necessary to organize the flow of fuel gas into the
Таким образом, заявляемая батарея отличается тем, что количество трудоемких деталей из диоксида циркония уменьшено вдвое. Кроме того, улучшен токосъем. Это приводит к уменьшению себестоимости батареи, повышению ее технологичности и улучшению электрических характеристик. Thus, the inventive battery is characterized in that the number of time-consuming parts of zirconium dioxide is halved. In addition, improved current collection. This leads to a decrease in the cost of the battery, increase its manufacturability and improve electrical characteristics.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96116359A RU2129323C1 (en) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | Battery of solid-oxide fuel cells |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96116359A RU2129323C1 (en) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | Battery of solid-oxide fuel cells |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU96116359A RU96116359A (en) | 1998-11-10 |
RU2129323C1 true RU2129323C1 (en) | 1999-04-20 |
Family
ID=20184380
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96116359A RU2129323C1 (en) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | Battery of solid-oxide fuel cells |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2129323C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2337431C2 (en) * | 2003-06-09 | 2008-10-27 | Сэнт-Гобэн Керамикс Энд Пластик, Инк. | Solid oxide fuel cell supported by battery |
US7629069B2 (en) | 2004-09-09 | 2009-12-08 | Nanodynamics Energy, Inc. | Solid oxide fuel cell system |
US8771901B2 (en) | 2006-04-05 | 2014-07-08 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | SOFC stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same |
-
1996
- 1996-08-08 RU RU96116359A patent/RU2129323C1/en active
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2337431C2 (en) * | 2003-06-09 | 2008-10-27 | Сэнт-Гобэн Керамикс Энд Пластик, Инк. | Solid oxide fuel cell supported by battery |
US7550217B2 (en) | 2003-06-09 | 2009-06-23 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Stack supported solid oxide fuel cell |
US7629069B2 (en) | 2004-09-09 | 2009-12-08 | Nanodynamics Energy, Inc. | Solid oxide fuel cell system |
US7875403B2 (en) | 2004-09-09 | 2011-01-25 | Nano Cp, Llc | Solid oxide fuel cell system |
US8771901B2 (en) | 2006-04-05 | 2014-07-08 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | SOFC stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6361893B1 (en) | Planar fuel cell utilizing nail current collectors for increased active surface area | |
JP4790577B2 (en) | Solid oxide fuel cell module, fuel cell using the same, and manufacturing method thereof | |
RU2411617C2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
RU2415498C2 (en) | Configurations of batteries of tubular solid-oxide fuel elements | |
CA1309750C (en) | Fuel cell | |
US5288562A (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
US6423436B1 (en) | Tubular electrochemical devices with lateral fuel aperatures for increasing active surface area | |
JPH02500396A (en) | battery | |
JPH01169878A (en) | Solid electrolyte electrochemical battery coupling structure | |
JP2004502281A (en) | Improved design of solid oxide fuel cell stack | |
JP3101464B2 (en) | Fuel cell | |
EP2424028A2 (en) | Stack for a solid oxide fuel cell using a flat tubular structure | |
JPS60235365A (en) | Structure of plural cell-stack fuel cell | |
RU2129323C1 (en) | Battery of solid-oxide fuel cells | |
JP2005294180A (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
EP0536909B1 (en) | Solid oxide fuel cell generator | |
JP3257757B2 (en) | Fuel cell separator | |
JPH10134829A (en) | Solid electrolyte fuel cell, solid electrolyte fuel cell assembly, manufacture of solid electrolyte fuel cell, and manufacture of solid electrolyte fuel cell assembly unit | |
JPH0613099A (en) | Fuel cell | |
JPH0227670A (en) | Fuel cell | |
RU2084053C1 (en) | Battery of fuel elements | |
JP2000182653A (en) | Solid electrolyte fuel cell block and solid electrolyte fuel cell module | |
US20220393218A1 (en) | Metal-supported cell unit | |
JPH0412468A (en) | High-temperature fuel cell | |
JPH046753A (en) | Flat plate laminated solid electrolyte type fuel cell |