RU2367065C1

RU2367065C1 - Modified planar element (versions), battery of electrochemical devices and method thereof

Info

Publication number: RU2367065C1
Application number: RU2008121783/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Липилин (RU); Александр Сергеевич Липилин; Алексей Викторович Спирин (RU); Алексей Викторович Спирин; Алексей Андреевич Ремпель (RU); Алексей Андреевич Ремпель; Алексей Викторович Никонов (RU); Алексей Викторович Никонов; Владимир Федорович Чухарев (RU); Владимир Федорович Чухарев; Сергей Николаевич Паранин (RU); Сергей Николаевич Паранин
Original assignee: Институт электрофизики Уральского отделения РАН
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-09-10

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention refers to high-temperature electrochemical devices with solid electrolyte. According to the invention the modified planar electrochemical element (ECE), battery of devices and method of element making (versions) are claimed. The electrochemical planar element with thin-layer solid electrolyte e.g. based on zirconium dioxide of modified planar construction structurally unites the main and principal advantages of planar and tubular construction and is applicable for production of high-temperature electrochemical devices intended for various applications.

EFFECT: increase of package density and enhancing of heat-and-mass transfer.

20 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Группа настоящих изобретений относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам (ЭХУ) с твердым электролитом, таким как электрохимические генераторы (топливные элементы), электролизеры, конвертеры, насосы и т.п.устройства. Точнее к конструкции элемента этих устройств и к способу его изготовления.The group of the present inventions relates to high-temperature electrochemical devices (ECUs) with solid electrolyte, such as electrochemical generators (fuel cells), electrolyzers, converters, pumps and the like. More precisely, to the design of the element of these devices and to the method of its manufacture.

Известные элементы - аналоги, использующиеся в электрохимических устройствах, например высокотемпературные топливные элементы с твердым оксидным электролитом на основе диоксида циркония, имеющие планарную, трубчатую или блочную конструкции твердого электролита с нанесенными газодиффузионными анодом и катодом, как и аналоги способов их изготовления, достаточно полно описаны (В.Перфильев, А.К.Демин, Б.Л.Кузин, А.С.Липилин. Высокотемпературный электролиз газов. ISBN 5-02-001399-4, М.: Наука, 1988, 232 с.). Аналогом элемента можно считать элемент по патенту РФ №2027258, (Н01М 8/12, «Высокотемпературный электрохимический генератор» Сомов С.И., Демин А.К., Липилин А.С., Кузин Б.Л., Перфильев М.В., дата подачи заявки:. 03.07.1990, дата публ. формулы: 20.01.1995), в котором использован трубчатый элемент с несущим твердым электролитом, газодиффузионными электродами и точечным токопроходом по образующей. Аналогом из трубчатых элементов можно считать топливный элемент с тонкослойным твердым оксидным электролитом на основе диоксида циркония трубчатой конструкции с несущим катодом и нанесенным газодиффузионным анодом, с анодной и катодной камерами для подачи реагентов топлива и окислителя и токопроходом по образующей (А.О.Isenberg, in 1982 National Fuel Cell Seminar Abstracts, November 14-18, 1982, Newport Beach, CA, Courtesy Associates, Washington, DC, 1982, p.154).Known elements are analogues used in electrochemical devices, for example, high-temperature fuel cells with a solid oxide electrolyte based on zirconia, having a planar, tubular, or block structure of a solid electrolyte coated with a gas diffusion anode and cathode, as well as analogues of methods for their manufacture, are described quite fully ( V. Perfiliev, A.K. Demin, B.L. Kuzin, A.S. Lipilin. High-temperature electrolysis of gases. ISBN 5-02-001399-4, M .: Nauka, 1988, 232 pp.). An element can be considered an element according to RF patent No. 2027258, (Н01М 8/12, “High-temperature electrochemical generator" Somov SI, Demin AK, Lipilin AS, Kuzin BL, Perfilyev M.V. ., filing date: 07/03/1990, publication date of the formula: 01/20/1995), in which a tubular element with a supporting solid electrolyte, gas diffusion electrodes and a point current path along a generatrix was used. An analogue of tubular elements can be considered a fuel cell with a thin-layer solid oxide electrolyte based on zirconia of a tubular structure with a supporting cathode and a supported gas diffusion anode, with anode and cathode chambers for supplying fuel and oxidizer reagents and current passage along the generatrix (A.O. Isenberg, in 1982 National Fuel Cell Seminar Abstracts, November 14-18, 1982, Newport Beach, CA, Courtesy Associates, Washington, DC, 1982, p. 154).

Аналогом из планарных конструкций авторы считают конструкцию монолитных топливных элементов, представленную на рис.9.27. стр.268 в 9-й главе книги N.Q.Minh, Т.Takahashi «Science and Technology of Ceramic Fuel Cells», Elsevier, 1995, p.366. Планарная конструкция единичного элемента может быть выполнена как в виде плоского листа, так и в виде гофрированной пластины. В первом случае используется гофрированный токопроход, во втором случае - токопроход в виде плоской пластины. Керамический токопроход может иметь на поверхностях, обращенных к разноименным электродам, покрытия из материалов этих же электродов. В качестве твердого электролита наиболее часто используют тонкий слой керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ) или скандием (ScSZ), а также альтернативные твердые электролиты на основе оксида церия или на основе галлата лантана. Известно, что планарная конструкция элементов ТОТЭ была предложена и разрабатывалась в Европе как альтернатива трубчатому элементу с токопроходом по образующей, предложенному и разработанному фирмой Westinghouse. Основным и главным преимуществом планарной конструкции по сравнению с трубчатой является высокая плотность упаковки элементов в батарее (высокое отношение рабочей поверхности к объему). Основным и главным преимуществом трубчатой конструкции по сравнению с планарной является газоплотное разделение анодного и катодного газовых пространств, заложенное самой конструкцией элемента (трубка-пробирка), что позволяет собирать батареи элементов без герметизации пространств.The authors consider the monolithic fuel cell design shown in Fig. 9.27 to be an analogue of planar structures. p. 268 in the 9th chapter of the book N.Q. Minh, T. Takahashi "Science and Technology of Ceramic Fuel Cells", Elsevier, 1995, p. 366. The planar design of a single element can be made in the form of a flat sheet or in the form of a corrugated plate. In the first case, a corrugated current passage is used, in the second case, a current passage in the form of a flat plate. Ceramic current passage may have coatings made of materials of the same electrodes on surfaces facing opposite electrodes. The most commonly used solid electrolyte is a thin ceramic layer based on yttrium stabilized zirconia (YSZ) or scandium (ScSZ), as well as alternative solid electrolytes based on cerium oxide or based on lanthanum gallate. It is known that the planar design of SOFC elements was proposed and developed in Europe as an alternative to a tubular element with a current passage along a generatrix proposed and developed by Westinghouse. The main and main advantage of a planar design compared to a tubular one is the high packing density of the elements in the battery (high working surface to volume ratio). The main and main advantage of the tubular design compared to the planar one is the gas-tight separation of the anode and cathode gas spaces, which is incorporated by the element design itself (tube-tube), which allows you to collect battery cells without sealing spaces.

Наиболее близким аналогом модифицированного планарного элемента - прототипом - авторы считают оптимизированный элемент, запатентованный (Pub. No.: US 20080003478 A1, Jan.3, 2008, H.Greiner, J.Grosse, W.Kleinlein, N.Landgraf, W.Merz, "High Temperature Solid Electrolyte Fuel Cell installation Built with Said Fuel Cell"). Авторы предложили объединить в элементе гофрированный электролит планарной конструкции с плоским керамическим токопроходом (см. аналог), при этом несущий катод (или анод) стал керамической основой единичного элемента, гофрированная часть которого является электрохимической частью элемента, а плоская является керамическим токопроходом, выполняющим роль ограничения внутренней полости топливного элемента и токового коллектора (токопрохода-интерконнекта), выводящего ток с внутреннего электрода. При этом в случае четного количества каналов авторы отказались от трубок для подачи реагентов внутрь, соединив соседние каналы в области закрытого конца элемента каналом-газопроходом.The closest analogue of the modified planar element - the prototype - the authors consider the optimized element patented (Pub. No .: US 20080003478 A1, Jan.3, 2008, H. Greiner, J. Grosse, W. Kleinlein, N. Landgraf, W. Merz , "High Temperature Solid Electrolyte Fuel Cell installation Built with Said Fuel Cell"). The authors proposed combining a corrugated electrolyte of a planar design with a flat ceramic current passage (see analog) in the cell, while the supporting cathode (or anode) became the ceramic base of a single cell, the corrugated part of which is the electrochemical part of the cell, and the flat one is a ceramic current passage, which plays the role of limitation the internal cavity of the fuel cell and the current collector (current passage-interconnect), which displays the current from the internal electrode. Moreover, in the case of an even number of channels, the authors abandoned the tubes for supplying reagents inward, connecting adjacent channels in the area of the closed end of the element with a gas passage.

Прототипом способа авторы считают известную традиционную порошковую керамическую технологию, описанную в патенте (Pub. No.: US 20080003478 A1, Jan.3, 2008, H.Greiner, J.Grosse, W.Kleinlein, N.Landgraf, W.Merz, "High Temperature Solid Electrolyte Fuel Cell installation Built with Said Fuel Cell"), которая заключается в том, что из предварительно приготовленного порошка методом экструзии формуют заготовку несущего газодиффузионного электрода и производят его спекание, как правило, в печах, при высоких температурах. Затем методом плазменного напыления наносят тонкий газоплотный слой твердого электролита и слой пористого газодиффузионного внешнего электрода. Керамические технологии наиболее дешевые, поэтому их целесообразно использовать при изготовлении керамических компонентов высокотемпературных твердооксидных топливных элементов.The authors consider the prototype of the method to be the well-known traditional powder ceramic technology described in the patent (Pub. No .: US 20080003478 A1, Jan.3, 2008, H. Greiner, J. Grosse, W. Kleinlein, N. Landgraf, W. Merz, " High Temperature Solid Electrolyte Fuel Cell installation Built with Said Fuel Cell "), which consists in the fact that a prefabricated powder is extruded to form a blank of a carrier gas diffusion electrode and is sintered, as a rule, in furnaces at high temperatures. Then, a thin gas-tight layer of a solid electrolyte and a layer of a porous gas-diffusion external electrode are applied by plasma spraying. Ceramic technologies are the cheapest, so it is advisable to use them in the manufacture of ceramic components of high-temperature solid oxide fuel cells.

Одним из недостатков элемента прототипа является относительно низкая рабочая поверхность. Если рассмотреть с этой точки зрения конструкцию элемента прототипа, то гофрированная поверхность вносит вклад в электрохимическое генерирование тока, а плоская поверхность только обеспечивает сбор и прохождение тока от элемента к элементу при их соединении в батарею. При этом если собрать батарею из элементов прототипа, взяв геометрические характеристики планарного гофрированного топливного элемента с плоским интерконнектом (токопроходом), то плотность упаковки такой батареи будет равна плотности упаковки батареи из планарных элементов. К недостаткам технологии следует отнести формирование экструдером формы заготовки элемента из материала несущего электрода.One of the disadvantages of the prototype element is the relatively low work surface. If we consider from this point of view the design of the prototype element, the corrugated surface contributes to the electrochemical generation of current, and a flat surface only provides the collection and passage of current from the element to the element when they are connected to the battery. Moreover, if you assemble the battery from the elements of the prototype, taking the geometric characteristics of a planar corrugated fuel cell with a flat interconnect (current passage), then the packing density of such a battery will be equal to the packing density of the battery from planar cells. The disadvantages of the technology include the formation by the extruder of the shape of the blank of the element from the material of the bearing electrode.

Технической задачей изобретений являются конструкция и технология изготовления элемента, лишенного вышеперечисленных недостатков. Авторы предлагают модифицированную планарную конструкцию элемента с несущим электродом, конструктивно объединяющую основные и главные преимущества планарной и трубчатой конструкций, обладающей более высокой плотностью упаковки, чем планарная, и конструктивным газоплотным разделением анодного и катодного газовых пространств, как в трубчатой конструкции элемента.An object of the invention is the design and manufacturing technology of an element devoid of the above disadvantages. The authors propose a modified planar structure of the element with a supporting electrode, which structurally combines the main and main advantages of the planar and tubular structures, which have a higher packing density than the planar one, and constructive gas-tight separation of the anode and cathode gas spaces, as in the tubular structure of the element.

Поставленная задача решается благодаря тому, что конструкцию модифицированного планарного элемента формируем из двух типов планарных электрохимических элементов - гофрированной и плоской. Таким образом, мы отказываемся от плоского токопрохода гофрированного элемента, как у прототипа, и заменяем его плоским дополнительным электрохимическим элементом, соединяя их таким образом, чтобы одноименные электроды образовывали внутреннюю полость элемента, а противоположные электроды находились на внешней поверхности элемента. При этом в случае многотрубчатого (многоканального) элемента, если в сечение каждого газового канала - равносторонний треугольник, мы получаем в модифицированном планарном элементе дополнительную рабочую поверхность для электрохимического генерирования тока, равную примерно 50% площади гофрированной части элемента. При этом токопроход, линейный или дискретный, выводящий внутренний электрод во внешнюю электродную полость, располагаем на гребне гофрированной части вдоль гофров. Причем впадины гофров (часть гофров, соединяемая с плоским элементом) имеют отверстия, частично или полностью заполненные материалом с высокой электронной проводимостью, например материалом внешнего электрода, электрически соединяющим внешний электрод, нанесенный на гофрированной и плоской поверхности элемента. Задача технического исполнения такой конструкции решается благодаря формированию, например, в процессе экструзии заготовки несущего электрода отверстий во впадинах гофров для последующего соединения внешнего электрода гофрированной и плоской частей элемента. Узел соединения внешнего электрода гофрированной и плоской частей элемента может быть сформирован и в процессе экструзии заготовки, при этом впадины гофров линейно или дискретно должны формироваться из материала, например, внешнего электрода и электролита (и/или электроизоляционного герметика), которые будут предотвращать электрическое замыкание разноименных электродов в элементе.The problem is solved due to the fact that the design of the modified planar element is formed from two types of planar electrochemical elements - corrugated and flat. Thus, we refuse the flat current passage of the corrugated element, as in the prototype, and replace it with a flat additional electrochemical element, connecting them so that the same electrodes form the inner cavity of the element, and the opposite electrodes are on the outer surface of the element. Moreover, in the case of a multitubular (multichannel) element, if an equilateral triangle is in the cross section of each gas channel, we obtain in the modified planar element an additional working surface for electrochemical current generation, equal to approximately 50% of the area of the corrugated part of the element. In this case, a current passage, linear or discrete, leading the internal electrode to the external electrode cavity, is placed on the crest of the corrugated part along the corrugations. Moreover, the hollows of the corrugations (part of the corrugations connected to the flat element) have openings partially or completely filled with a material with high electronic conductivity, for example, an external electrode material that electrically connects an external electrode deposited on the corrugated and flat surface of the element. The technical design of this design is solved by forming, for example, holes during the extrusion of the carrier electrode blank in the corrugations of the corrugations for subsequent connection of the outer electrode of the corrugated and flat parts of the element. The junction of the external electrode of the corrugated and flat parts of the element can also be formed during the extrusion of the workpiece, while the hollows of the corrugations should be linearly or discretely formed from a material, for example, an external electrode and electrolyte (and / or electrical insulating sealant), which will prevent electrical shorting of unlike electrodes in the cell.

В настоящей заявке предлагаются следующие варианты конструкции элемента:This application proposes the following design options for the element:

1. Модифицированный планарный элемент электрохимического устройства с несущим газодиффузионным электродом, тонкослойным твердым электролитом, газодиффузионным противоэлектродом и токопроходом вдоль элемента, конструктивно объединяющий преимущества планарной и трубчатой конструкций, обладающий более высокой плотностью упаковки, газоплотным разделением анодного и катодного газовых пространств, отличающийся тем, что элемент состоит из двух типов планарного электрохимического элемента - гофрированной и плоской, соединенных таким образом, что одноименные внутренние электроды формируют несущий слой и образуют внутреннюю полость элемента, закрытую с одного торца, а противоположные внешние электроды находятся на внешней поверхности элемента, при этом токопроход, линейный или дискретный, выводящий внутренний электрод во внешнюю электродную полость, расположен на гребнях гофрированной части вдоль гофров, а впадины гофров имеют отверстия, частично или полностью заполненные материалом с высокой электронной проводимостью, электрически соединяющим внешний электрод, нанесенный на гофрированной и плоской поверхности элемента и электроизолированным от материала внутреннего электрода твердым электролитом и/или материалом герметика.1. A modified planar element of an electrochemical device with a carrier gas diffusion electrode, a thin layer solid electrolyte, gas diffusion counter electrode and current path along the element, structurally combining the advantages of planar and tubular structures, having a higher packing density, gas-tight separation of the anode and cathode gas spaces, characterized in that consists of two types of planar electrochemical cell - corrugated and flat, connected by such At the same time, the same internal electrodes form the supporting layer and form the internal cavity of the element closed at one end, and the opposite external electrodes are located on the external surface of the element, while the current path, linear or discrete, leading the internal electrode to the external electrode cavity, is located on the corrugated ridges parts along the corrugations, and the hollows of the corrugations have holes partially or completely filled with a material with high electronic conductivity that electrically connects the external electrode, on Eseniya on the corrugated and the flat surface element and electrically insulated from the internal electrode material solid electrolyte and / or sealant material.

2. При этом форма гофры, гофрированной части в сечении имеет либо треугольник с углом при вершине менее 150°, например, от 30 до 90°, либо трапецию, либо прямоугольник, либо овал, образующие которых могут иметь ступенчатый вид как гофрированной, так и плоской поверхности элемента. В свою очередь в сечении ступеньки также могут иметь вид треугольника, трапеции, прямоугольника или овала.2. In this case, the shape of the corrugation, the corrugated part in cross section, has either a triangle with an angle at the apex of less than 150 °, for example, from 30 to 90 °, or a trapezoid, or a rectangle, or an oval, the generators of which can have a stepped appearance as corrugated as flat surface element. In turn, the steps may also have the form of a triangle, a trapezoid, a rectangle, or an oval.

3. Вариантами элемента являются элементы с несущим катодом или с несущим анодом. При этом электролитом может быть тонкослойный твердый электролит из материала на основе стабилизированного диоксида циркония, или допированного оксида церия, или галлата лантана, или оксида висмута. Либо многослойная структура из этих электролитов или их смесей.3. Element options are cells with a supporting cathode or with a supporting anode. In this case, the electrolyte may be a thin layer solid electrolyte made of a material based on stabilized zirconia, or doped cerium oxide, or lanthanum gallate, or bismuth oxide. Or a multilayer structure of these electrolytes or mixtures thereof.

4. Элемент может быть выполнен с закрытым и открытым торцом, в закрытом торце элемента могут быть расположены газовые каналы, соединяющие 2, 3 и более внутренних каналов гофр, образующих газовый коллектор для равномерного распределения входящих реагентов.4. The element can be made with a closed and open end, gas channels can be located in the closed end of the element, connecting 2, 3 or more internal corrugation channels forming a gas collector for uniform distribution of incoming reagents.

5. Элемент может иметь во впадинах гофров линейные или дискретные отверстия, частично или полностью заполненные материалом с высокой электронной проводимостью, материалом анода, катода или сплавом на основе никеля или хрома с близким к твердому электролиту коэффициентом термического расширения.5. The element may have linear or discrete holes in the corrugations of the corrugations partially or completely filled with a material with high electronic conductivity, anode, cathode, or nickel or chromium alloy with a coefficient of thermal expansion close to solid electrolyte.

6. В качестве электролита модифицированной планарной конструкции может быть использован тонкий слой твердого электролита, выполненый в виде последовательных слоев из материала на основе стабилизированного диоксида циркония, и/или допированного оксида церия, и/или галлата лантана, и/или оксида висмута или их смеси, взятой в необходимом соотношении.6. A thin layer of solid electrolyte made in the form of successive layers of a material based on stabilized zirconia and / or doped cerium oxide and / or lanthanum gallate and / or bismuth oxide or a mixture thereof can be used as an electrolyte of a modified planar design. taken in the required ratio.

На чертеже изображено сечение крайнего правого канала заявляемого модифицированного планарного элемента (твердооксидного топливного элемента - одно из применений высокотемпературных электрохимических устройств) с треугольным сечением канала. Цифрой 1 обозначен внутренний несущий газодиффузионный электрод на основе манганита лантана стронция (катод) или никелевого кермета (анод). Цифрой 2 обозначен тонкий слой твердого электролита, например, на основе диоксида циркония, соединенный с несущим внутренним электродом. Цифрой 3 обозначен тонкий слой внешнего газодиффузионного электрода, соединенный (нанесенный) на твердый электролит, гофрированный и плоский в месте протекания электрохимических реакций. При этом токопроход 5, линейный или дискретный, выводящий внутренний электрод во внешнюю электродную полость, в виде тонкого газоплотного слоя соединен с несущим внутренним электродом на гребне его гофрированной части вдоль гофров. Зазор между твердым электролитом 2 и токопроходом 5 (на несущем внутреннем электроде на гребне его гофрированной части вдоль гофров) заполнен электроизоляционным герметиком. Во впадинах гофров модифицированный планарный элемент имеет узел соединения внешнего электрода 4 - линейные или дискретные отверстия, частично или полностью заполненные материалом с высокой электронной проводимостью, например материалом анода, катода или сплавом на основе никеля или хрома с близким к твердому электролиту коэффициентом термического расширения. Узел соединения внешнего электрода 4 осуществляет электрическое соединение внешнего электрода гофрированной верхней части элемента и внешнего электрода плоской нижней части элемента (верхней и нижней части относится только к изображению на фигуре). При этом верхняя часть элемента представлена в виде чуть измененного гофрированного планарного элемента, а нижняя - в виде плоского планарного элемента. Для последовательного соединения модифицированных планарных элементов в батарею их собирают в стопку так, чтобы гофрированная часть одного элемента в зоне токопрохода 5 (например, минус) электрически соединялась с плоской частью соседнего элемента (плюс). Если рассматривать применение модифицированного планарного элемента в качестве твердооксидного топливного элемента, то внутренние каналы заполнены, например, окислителем - воздухом, а внешняя поверхность элемента омывается топливом, например водородом, который электрохимически окисляется, генерируя при этом электрический ток. Таким образом, происходит прямое преобразование химической энергии топлива (водорода) в электрическую энергию.The drawing shows a section of the far right channel of the inventive modified planar element (solid oxide fuel cell - one of the applications of high-temperature electrochemical devices) with a triangular section of the channel. The number 1 indicates the internal carrier gas diffusion electrode based on strontium lanthanum manganite (cathode) or nickel cermet (anode). Numeral 2 denotes a thin layer of solid electrolyte, for example, based on zirconium dioxide, connected to a supporting internal electrode. Numeral 3 denotes a thin layer of an external gas diffusion electrode, connected (deposited) on a solid electrolyte, corrugated and flat at the site of electrochemical reactions. In this case, the current passage 5, linear or discrete, leading the internal electrode into the external electrode cavity, in the form of a thin gas-tight layer is connected to the supporting internal electrode on the crest of its corrugated part along the corrugations. The gap between the solid electrolyte 2 and the current passage 5 (on the supporting internal electrode on the crest of its corrugated part along the corrugations) is filled with an insulating sealant. In the hollows of the corrugations, the modified planar element has an external electrode connection node 4 — linear or discrete holes partially or completely filled with a material with high electronic conductivity, for example, anode, cathode, or nickel or chromium-based alloy with a coefficient of thermal expansion close to solid electrolyte. The connection node of the outer electrode 4 electrically connects the outer electrode of the corrugated upper part of the element and the outer electrode of the flat lower part of the element (the upper and lower parts apply only to the image in the figure). At the same time, the upper part of the element is presented in the form of a slightly modified corrugated planar element, and the lower - in the form of a planar planar element. For the serial connection of the modified planar elements into the battery, they are collected in a stack so that the corrugated part of one element in the area of the current passage 5 (for example, minus) is electrically connected to the flat part of the adjacent element (plus). If we consider the use of a modified planar element as a solid oxide fuel cell, then the internal channels are filled, for example, with an oxidizing agent - air, and the outer surface of the element is washed with fuel, for example, hydrogen, which is electrochemically oxidized, generating an electric current. Thus, there is a direct conversion of the chemical energy of the fuel (hydrogen) into electrical energy.

В настоящей заявке предлагается конструкция батареи из модифицированных планарных элементов:This application proposes the design of a battery of modified planar elements:

1. Элементы в батарее расположены вертикально открытым торцом вверх. Механически они закреплены внизу в зоне закрытого торца и/или газового коллектора. Электрически элементы в батарее соединены последовательно через упругий высокоэлектронпроводящий тканный или нетканый (войлок) материал из никеля или сплава на основе никеля, железа, хрома. Газовые потоки реагентов в батарею подают снизу вверх, а узел псевдогерметизации расположен вблизи открытых торцов элементов батареи. Этот узел создает диффузионные затруднения продвижению реагентов снизу вверх, разделяет камеру электрохимического окисления топлива и камеру дожига электрохимически неокисленных реагентов.1. Elements in the battery are located vertically open end up. Mechanically, they are fixed below in the area of the closed end and / or gas manifold. Electrically, the elements in the battery are connected in series through an elastic highly electrically conductive woven or non-woven (felt) material of nickel or an alloy based on nickel, iron, chromium. Reagent gas flows into the battery from the bottom up, and the pseudo-sealing unit is located near the open ends of the battery cells. This site creates diffusion difficulties in moving the reactants from the bottom up, separates the electrochemical oxidation chamber of the fuel and the afterburning chamber of the electrochemically unoxidized reagents.

В настоящей заявке предложены способы изготовления вышеперечисленных вариантов модифицированного планарного элемента электрохимического устройства с несущим газодиффузионным электродом, тонкослойным твердым электролитом, газодиффузионным противоэлектродом и токопроходом вдоль элемента, заключающиеся в следующих операциях:The present application provides methods for manufacturing the above options for a modified planar cell of an electrochemical device with a carrier gas diffusion electrode, a thin layer solid electrolyte, gas diffusion counter electrode, and current passage along the cell, consisting of the following operations:

1. Способ изготовления электрохимического элемента с твердым электролитом предлагаемой модифицированной планарной конструкции с использованием метода экструзии для формирования несущего электрода, метода керамического или плазменного напыления для формирования тонкослойного токопрохода, метода плазменного напыления или керамического для формирования тонкослойного электролита и противоэлектрода. Предлагается в процессе экструзии или после нее производить вскрытие отверстий во впадинах гофров, которые заполняют частично или полностью материалом с высокой электронной проводимостью, предварительно электроизолировав их от материала внутреннего электрода нанесением слоя твердого электролита и/или слоя материала герметика. Узел соединения внешнего электрода может быть изготовлен послойным нанесением в зоне соединения треугольных гофр, материала слоя твердого электролита и/или слоя герметика, материала с высокой электронной проводимостью и материала слоя твердого электролита и/или слоя герметика. Формирование этого узла возможно при использовании сложной фильеры для литья, как минимум, трех материалов. При этом в процессе нанесения твердого электролита на рабочие поверхности элемента необходимо защищать узлы соединения от попадания керамики. Предложенный элемент модифицированной планарной конструкции, может быть изготовлен и с использованием метода литья пленок (Таре Casting) для всех компонентов с последующим их омоноличиванием, например, магнитно-импульсным прессованием или прокаткой (каландрованием) с последующим совместным спеканием.1. A method of manufacturing an electrochemical cell with a solid electrolyte of the proposed modified planar design using an extrusion method to form a supporting electrode, a ceramic or plasma spraying method to form a thin-layer current passage, a plasma spraying method or ceramic to form a thin-layer electrolyte and a counter electrode. It is proposed during or after extrusion to open holes in the corrugations of the corrugations, which are partially or completely filled with material with high electronic conductivity, having previously electrically insulated them from the material of the internal electrode by applying a layer of solid electrolyte and / or a layer of sealant material. The external electrode connection unit can be made by layer-by-layer application in the connection zone of triangular corrugations, material of a solid electrolyte layer and / or sealant layer, material with high electronic conductivity and material of a solid electrolyte layer and / or sealant layer. The formation of this node is possible using a complex die for casting at least three materials. In this case, during the application of solid electrolyte on the working surfaces of the cell, it is necessary to protect the connection nodes from ceramic ingress. The proposed element of the modified planar design can also be manufactured using the film casting method (Casting Tare) for all components, followed by their monolithization, for example, by magnetic pulse pressing or rolling (calendering), followed by joint sintering.

Пример исполненияExecution example

Предлагаемые конструкции электрохимических элементов модифицированной планарной конструкции для различного применения, например, для твердооксидных топливных элементов, электролизеров, кислородных насосов, конвертеров могут быть изготовлены с использованием соответствующего твердого электролита. Мы работаем, как и в примере прототипа с электролитом на основе диоксида циркония, стабилизированного иттрием (8,5 YSZ). Используем несущий электрод-катод на основе манганита лантана стронция (Ln_0,7Sr_0,3MnО_х), анод на основе никелевого кермета (Ni-кер). Послойное изготовление топливных элементов и кислородных насосов из необходимых компонентов осуществляем методом литья пленок (Таре Casting) на основе поливинилбутиральной связки. Толщина пленок от 8 до 50 мкм. Последующее их омоноличивание в необходимой конструкции и последовательности производим магнитно-импульсным прессованием при нагрузках 0,3-1,0 ГПа и температуре 120°С. Совместное спекание осуществляем при температурах 1000-1200°С в течение 4-12 часов.The proposed designs of electrochemical cells of a modified planar design for various applications, for example, for solid oxide fuel cells, electrolyzers, oxygen pumps, converters, can be made using the corresponding solid electrolyte. We work, as in the prototype example with an yttrium stabilized zirconia electrolyte (8.5 YSZ). We use a supporting electrode-cathode based on strontium lanthanum manganite (Ln _0.7 Sr _0.3 MnО _x ), an anode based on nickel cermet (Ni-cer). The layer-by-layer production of fuel cells and oxygen pumps from the necessary components is carried out by the method of film casting (Tare Casting) based on polyvinyl butyral bond. Film thickness is from 8 to 50 microns. Their subsequent homologation in the necessary design and sequence is carried out by magnetic pulse pressing at loads of 0.3-1.0 GPa and a temperature of 120 ° C. Joint sintering is carried out at temperatures of 1000-1200 ° C for 4-12 hours.

Такие технические решения приведут в конечном счете к увеличению рабочей площади единичного элемента (к улучшению удельных характеристик ЭХУ, к увеличению плотности упаковки электрохимической части, к улучшению тепломассопереноса. А для ТОТЭ, например, к увеличению мощности электрохимической части в единице ее объема, к увеличению мощности электрохимической части на кг ее веса).Such technical solutions will ultimately lead to an increase in the working area of a single element (to an improvement in the specific characteristics of ECUs, to an increase in the packing density of the electrochemical part, to an improvement in heat and mass transfer. And for SOFC, for example, to an increase in the power of the electrochemical part in a unit of its volume, to an increase in power electrochemical part per kg of its weight).

Claims

1. A modified planar element of an electrochemical device with a carrier gas diffusion electrode, a thin layer solid electrolyte, gas diffusion counter electrode and current path along the element, structurally combining the advantages of planar and tubular structures, having a higher packing density, gas-tight separation of the anode and cathode gas spaces, characterized in that consists of two types of planar electrochemical cell, corrugated and flat parts connected by t Thus, the same internal electrodes form the supporting layer and form the internal cavity of the element closed at one end, and the opposite external electrodes are located on the external surface of the element, while the current path, linear or discrete, leading the internal electrode to the external electrode cavity, is located on the ridges of the corrugated part along the corrugations, and the corrugations of the corrugations have openings partially or completely filled with a material with high electronic conductivity, electrically connecting an external elec od deposited on the corrugated and flat surfaces of the element and electrically insulated from the internal electrode material solid electrolyte and / or sealant material.

2. The element according to claim 1, characterized in that the shape of the corrugation, the corrugated part in cross section has a triangle with an angle at the apex of less than 150 °.

3. The element according to claim 2, characterized in that the shape of the corrugation, the corrugated part in cross section has a triangle with an angle at the apex of 30 to 90 °.

4. The element according to claims 1 to 3, characterized in that the shape of the corrugation, corrugated part in cross section has a trapezoid.

5. The element according to claim 1, characterized in that the shape of the corrugation, corrugated part in cross section has a rectangle.

6. The element according to claim 1, characterized in that the shape of the corrugation, corrugated part in cross section has an oval.

7. The element according to claim 1, characterized in that the corrugated part of the element with the cross section of the corrugations in the form of a triangle, trapezoid, rectangle or oval along the generatrix have a step shape.

8. The element according to claim 1, characterized in that the corrugated part of the element with the cross section of the corrugations in the form of a triangle, trapezoid, rectangle or oval along the generatrix, like the flat part, have a stepped shape.

9. The element according to claims 7, 8, characterized in that the shape of the steps of the corrugated part of the element, like the flat part, in cross section is made in the form of a triangle, trapezoid, rectangle or oval.

10. The element according to claim 1, characterized in that the corrugated and flat part of the element facing each other form a supporting cathode.

11. The element according to claim 1, characterized in that the corrugated and flat part of the element facing each other form a supporting anode.

12. The cell according to claim 1, characterized in that the thin-layer solid electrolyte is made of a material based on stabilized zirconia, or doped cerium oxide, or lanthanum gallate, or bismuth oxide.

13. The cell according to claim 1, characterized in that the thin-layer solid electrolyte is made in the form of successive layers of a material based on stabilized zirconia and / or doped cerium oxide and / or gallate of lanthanum and / or bismuth oxide or a mixture thereof in the required ratio.

14. The element according to claim 1, characterized in that in the closed end of the element there are gas channels connecting 2, 3 or more internal channels of the corrugations, forming a gas manifold for uniform distribution of incoming reagents.

15. The element of claim 10, characterized in that the holes are partially or completely filled with a material with high electronic conductivity, anode material or an alloy based on nickel or chromium with a coefficient of thermal expansion close to solid electrolyte.

16. The element according to claim 11, characterized in that the holes are partially or completely filled with a material with high electronic conductivity, a cathode material or an alloy based on nickel or chromium with a coefficient of thermal expansion close to solid electrolyte.

17. A battery of electrochemical devices made of elements of a modified planar design, characterized in that the elements in the battery are arranged vertically with their open end up, mechanically fixed at the bottom in the area of the closed end and / or gas manifold, the electric elements are connected in series to the battery through an elastic highly electrically conductive woven or non-woven ( felt) a material of nickel or an alloy based on nickel, iron, chromium, while the gas flows of the reactants are fed from the bottom up, and the pseudo-sealing unit is located nny near open ends of the battery cells, which creates difficulties promote diffusion of reactants from the bottom up, the camera divides the electrochemical oxidation of the fuel and the afterburner chamber unoxidized electrochemically reagents.

18. A method of manufacturing an electrochemical cell with a solid electrolyte of a modified planar design using the extrusion method to form a supporting electrode, a ceramic or plasma spraying method to form a thin layer current passage, a plasma spraying method or ceramic technology to form a thin layer electrolyte and a counter electrode, characterized in that in the process extrusion or after it, open the holes in the hollows of the corrugations, which partially fill or completely material with high electronic conductivity, pre-insulating them from the material of the inner electrode by applying a layer of solid electrolyte and / or a layer of sealant material.

19. The method according to p. 18, characterized in that the formation of the junction of the outer electrode of the corrugated and flat parts of the element, in the hollows of the corrugations of a modified planar design, such as a delta element, linear or discrete, is carried out by extrusion with layer-by-layer deposition in the connection zone of triangular corrugations, the material of the solid electrolyte layer and / or the sealant layer, the material with high electronic conductivity and the material of the solid electrolyte layer and / or the sealant layer, through a complex die for casting at least three materials ialov, protecting the nodes from the ingress of solid electrolyte during its deposition on the working surfaces of the cell.

20. A method of manufacturing an electrochemical cell with a solid electrolyte of a modified planar design using the method of casting films (Tare Casting) of all components with their subsequent monolithization by magnetic pulse pressing or rolling (calendering) and joint sintering.