RU2692688C2 - Micro-planar solid oxide element (mpsoe), battery based on mpsoe (versions) - Google Patents
Micro-planar solid oxide element (mpsoe), battery based on mpsoe (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2692688C2 RU2692688C2 RU2017142087A RU2017142087A RU2692688C2 RU 2692688 C2 RU2692688 C2 RU 2692688C2 RU 2017142087 A RU2017142087 A RU 2017142087A RU 2017142087 A RU2017142087 A RU 2017142087A RU 2692688 C2 RU2692688 C2 RU 2692688C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- battery
- frames
- solid oxide
- microplanar
- 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
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
-
- 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
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of 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
- 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
Abstract
Description
Область использованияField of use
Изобретение относится к электрохимическим устройствам (ЭХУ), таким как электрохимические генераторы тока на топливных элементах, кислородные насосы, электролизеры, конвертеры, и т.п. устройствам на основе твердооксидных элементов (ТОЭ) – элементов с твердым оксидным электролитом. Точнее, к конструкции элемента и батареи микро-планарных ТОЭ с тонкослойным твердым электролитом и узлов соединения (токопроходов, интерконнектов) ТОЭ в батарею.The invention relates to electrochemical devices (ECU), such as electrochemical current generators for fuel cells, oxygen pumps, electrolyzers, converters, etc. Devices based on solid oxide elements (SOE) - elements with solid oxide electrolyte. More precisely, to the design of the element and the battery of micro-planar TOE with thin-layer solid electrolyte and connection nodes (current paths, interconnects) of the TOE to the battery.
Уровень техникиThe level of technology
Известные ЭХУ содержат ТОЭ, например, топливные элементы с твердым электролитом чаще всего на основе диоксида циркония, которые могут иметь трубчатую, планарную или блочную (монолитную) конструкции электролита с нанесенными газодиффузионными электродами, анодом и катодом. При этом конструкция элементов и конструкция собственно батареи – взаимосвязаны. В устройствах с разделенными газовыми пространствами, будь то топливная и окислительная полости в топливном элементе или воздушная и кислородная полости кислородного насоса и т.д., задача разделения газовых пространств, на наш взгляд, проще решается при использовании трубчатой конструкции элемента. В планарной конструкции разделение приэлектродных газовых пространств осуществляется биполярной пластиной, которая выполняет функции организации газовых потоков реагентов и функции токопрохода (интерконнекта) для электрического последовательного соединения элементов в батарее. Как правило, биполярную пластину изготавливают из металла, элемент же является керамическим, поэтому совместимость их в процессе длительной эксплуатации проблемно и желает быть лучше. Часто достаточное уплотнение реализуется при сжимающем усилии пропитанного войлока в процессе работы и не допускает желаемого количества циклов нагрев-охлаждение или снятия этой нагрузки. В конструкциях батарей ТОЭ в последнее время все большее применение в качестве материалов токовых коллекторов и токопроходов (биполярных пластин) получают сплавы на основе Fe-Cr и Ni-Cr, которые по сравнению с электропроводными керамиками, например, хромитом лантана-стронция, являются более технологичными и обладают улучшенными электрическими и теплофизическими свойствами, а также приемлемой стоимостью. В настоящей заявке для описания компонентов батареи, выполняющих одновременно функцию токового коллектора-токосъема и токопрохода, будем использовать термин узел соединения (УС). Кроме традиционных трубчатых и планарных конструкций ТОТЭ, получивших развитие в прошлом веке, в настоящее время уже устоявшимся термином можно считать микро-трубчатую конструкцию, в которой диаметр единичного элемента равен или менее 5 мм. При этом в [1] было показано, что с уменьшением диаметра таких элементов увеличивается удельная мощность – мощность на единицу площади электрода(ов). На Фиг. 1а приведена зависимость плотности мощности (кВт/л) от диаметра микро-трубчатого ТОТЭ для удельной мощности 0,2 Вт/см2 [1]. С уменьшением диаметра микро-трубчатого ТОТЭ улучшаются его потребительские свойства: объемная мощность (кВт/л), удельная массовая мощность (кВт/кг) и скорость запуска и охлаждения батарей в минутном интервале, что позволяет расширить применения энергосистем на ТОТЭ до автономных, мобильных (бортовых). В начале своего развития, в прошлом веке, сторонники планарной (плоской) конструкции говорили не только о большой плотности упаковки (удельная объемная мощность кВт/л), но и о возможности увеличения площади единичного элемента до метровых величин. При этом отводу тепла от центральной части элемента по тонкослойной пластине к периферии не уделяли должного внимания, не считая это проблемой. Однако, к концу века большинство разработчиков пришли к ограничению площади единичного элемента 1–2 дм2 или даже к площади 50х50 мм. Разработчики фирмы Rolls-Royce Fuel Cell Systems (US) Inc. ввели новый термин «Integrated Planar SOFC (IP-SOFC)» [2], т.е. «соединенные планарные ТОТЭ» или в нашем понимании – «батарея ТОТЭ». На наш взгляд, по аналогии с устоявшимся термином «микро-трубчатой» конструкции, такую конструкцию следует называть «микро-планарной» конструкцией ТОТЭ. На Фиг. 2 приведены внешний вид трех батарей фирмы Rolls-Royce Fuel Cell Systems (US) Inc. (Фиг. 2а–в) и схематичное изображение (Фиг. 2г) последовательного соединения элементов в них [2]. Батареи на Фиг. 2а–в имеют одинаковые габаритные размеры и отличаются количеством единичных элементов N, активной площадью электродов Sакт. (% от общей поверхности) и генерируемой в одинаковых условиях мощностью P: (а) – N = 15, Sакт. = 63%, P = 30 Вт; (б) – 30, 53%, 42 Вт; (в) – 60, 53%, 60 Вт. Зависимость плотности мощности от площади электрода указанных батарей с токами 2,5 А (Фиг. 2а), 1,75 А (Фиг. 2б) и 1,25 А (Фиг. 2в) при 0,8 В на единичном элементе приведена на Фиг. 1б. Видно, что эффект увеличения плотности мощности с уменьшением площади электрода также, как и для трубчатой конструкции, имеет место. Авторы аналога естественно заметили, что уменьшение рабочей площади единичного элемента и снижение тока приводят к увеличению плотности мощности (кВт/л; кВт/кг), но не смогли, к сожалению, преодолеть инерционность мышления, располагая элементы батареи на плоскости (интегрированные планарные твердооксидные элементы – IP-SOFC), авторы не могли получить большей плотности упаковки элементов, как в микротрубчатых батареях ТОТЭ. Known ECUs contain TOE, for example, solid electrolyte fuel cells, most often based on zirconium dioxide, which can have tubular, planar or block (monolithic) electrolyte structures with applied gas diffusion electrodes, an anode and a cathode. In this case, the design of the elements and the design of the battery itself are interrelated. In devices with separated gas spaces, whether it be the fuel and oxidation cavities in a fuel cell or the air and oxygen cavities of an oxygen pump, etc., the problem of separating gas spaces, in our opinion, is easier solved using a tubular element structure. In the planar construction, the separation of the near-electrode gas spaces is carried out by a bipolar plate, which performs the functions of organizing the gas flows of the reactants and the functions of the current passage (interconnect) for the electrical series connection of the elements in the battery. As a rule, the bipolar plate is made of metal, the element is ceramic, therefore their compatibility in the process of long-term operation is problematic and wants to be better. Often enough compaction occurs with the compressive force of the impregnated felt during operation and does not allow the desired number of heating-cooling cycles or the removal of this load. Recently, the use of Fe-Cr and Ni-Cr alloys, which, compared to electrically conductive ceramics, for example, lanthanum-strontium chromite, are more advanced, is being increasingly used as materials for current collectors and current passages in the construction of batteries. and have improved electrical and thermal properties, as well as an acceptable cost. In this application, to describe battery components that simultaneously perform the function of a current collector, a current collection and a current passage, we will use the term connection node (CS). In addition to traditional tubular and planar constructions of SOFC, developed in the last century, at present an already well-established term can be considered a micro-tubular structure in which the diameter of a single element is equal to or less than 5 mm. At the same time, it was shown in [1] that with a decrease in the diameter of such elements, the specific power — power per unit area of the electrode (s) increases. FIG. 1a shows the dependence of the power density (kW / l) on the diameter of micro-tubular SOFC for the specific power of 0.2 W / cm2 [1]. With a decrease in the diameter of micro-tubular SOFC, its consumer properties are improved: volumetric power (kW / l), specific mass power (kW / kg) and the speed of starting and cooling batteries in the minute interval, which allows expanding the application of power systems on SOFC to autonomous, mobile ( airborne). At the beginning of its development, in the last century, supporters of planar (flat) construction spoke not only about high packing density (specific volume capacity of kW / l), but also about the possibility of increasing the area of a single element to meter values. In this case, the removal of heat from the central part of the element along a thin-layer plate to the periphery did not pay enough attention, not considering this to be a problem. However, by the end of the century, most developers came to a limitation of the area of a single element of 1-2 dm2 or even to an area of 50x50 mm. The developers of Rolls-Royce Fuel Cell Systems (US) Inc. introduced the new term “Integrated Planar SOFC (IP-SOFC)” [2], i.e. “United planar SOFC” or in our understanding - “SOFC battery”. In our opinion, by analogy with the well-established term “micro-tubular” structure, such a structure should be called the “micro-planar” structure of the SOFC. FIG. 2 shows the appearance of three batteries of the company Rolls-Royce Fuel Cell Systems (US) Inc. (Fig. 2a – c) and a schematic depiction (Fig. 2d) of a series connection of the elements in them [2]. The batteries in FIG. 2a – c have the same overall dimensions and differ in the number of single elements N, the active area of the electrodes Sact. (% of total surface) and power generated under identical conditions P: (a) - N = 15, Sact. = 63%, P = 30 W; (b) - 30, 53%, 42 W; (c) - 60, 53%, 60 W. The dependence of the power density on the area of the electrode of these batteries with currents of 2.5 A (Fig. 2a), 1.75 A (Fig. 2b) and 1.25 A (Fig. 2b) at 0.8 V on a single element is shown in Fig . 1b. It is seen that the effect of increasing power density with decreasing electrode area, as well as for a tubular structure, occurs. The authors of the analogue naturally noticed that a decrease in the working area of a single element and a decrease in current lead to an increase in power density (kW / l; kW / kg), but unfortunately could not overcome the inertia of thinking by placing the battery cells on a plane - IP-SOFC), the authors could not get a greater packing density of the elements, as in the microtubular batteries of the cell.
Описание аналоговDescription of analogues
Одним из аналогов батареи ТОТЭ из трубчатых элементов с несущим твердым электролитом авторы считают, например, патент [3]. В аналоге использован элемент в виде пробирки из твердого электролита с равномерно нанесенными газодиффузионными электродами и организованным токосъемом и транспортом тока через гранулированную засыпку (например, из электродного материала) вдоль элемента с выводом к торцевой части пробирки внутренним и внешним трубчатыми металлическими токоотводами. При этом внутренний токоотвод выполнял функцию газоввода. Соединение элементов аналога в батарею осуществляется параллельно по току и газу, как описано авторами в [4]. При этом последовательное соединение элементов в батарее не предполагалось, что следует отнести к основному недостатку. Следующим недостатком конструкции аналога является использование трубчатого элемента (пробирки) с толстой стенкой и большой рабочей площади, что снижает эффективность всей батареи. Аналогами можно считать и батареи из последовательно соединенных микро-трубчатых элементов [1]. The authors consider, for example, a patent [3] to be one of the analogues of a SOFC battery made of tubular elements with a solid electrolyte carrier. The analogue used an element in the form of a solid electrolyte tube with uniformly applied gas diffusion electrodes and organized current collection and current transport through granular filling (for example, from electrode material) along the element with a terminal to the end portion of the tube with internal and external tubular metal current leads. At the same time, the internal current drain functioned as a gas inlet. The connection of the elements of the analog to the battery is carried out in parallel with the current and gas, as described by the authors in [4]. In this case, the serial connection of elements in the battery was not supposed to be attributed to the main disadvantage. The following disadvantage of the design of the analog is the use of a tubular element (test tube) with a thick wall and a large working area, which reduces the efficiency of the entire battery. Batteries from series-connected micro-tubular elements can also be considered analogous [1].
Аналоги плоской планарной конструкции ТОТЭ достаточно полно описаны в монографиях [5–7]. Однако все они имеют относительно низкие удельные объемную мощность кВт/л, удельную массовую мощность кВт/кг и не пригодны для использования в автомототранспорте и в авиации.The analogs of the planar planar construction of the SOFC are quite fully described in monographs [5–7]. However, all of them have relatively low specific volumetric power of kW / l, specific mass power of kW / kg and are not suitable for use in automotive transport and aviation.
Наиболее близким аналогом – прототипом элементов, батареи элементов и узлов соединения элементов в батарею авторы считают конструкцию фирмы SolidPower [8], изображенную на Фиг. 3. Разработчики этой фирмы с целью повышения электрического КПД, достигшего 60–65%, шли поэтапно к уменьшению рабочей площади элемента от почти 2 дм2 до 1/4 дм2 (50х50 мм). Одновременно они улучшили равномерность газовых потоков топлива благодаря усложнению биполярной пластины, что привело одновременно как к более равномерному распределению температуры по 4 элементам 50х50 мм на одной биполярной пластине, так и в батарее 1,5–2,0 кВт в целом. По сути они выполняли принципы конструирования микро-трубчатых элементов, уменьшали рабочую поверхность единичного элемента, улучшая равномерность распределения реагирующих газовых потоков и температуры. В конечном итоге путем выравнивания потоков реагентов они добивались уменьшения градиентов температуры, улучшению теплоотвода, снижения тока и электрических потерь, связанных с омическим (IRΩ) и поляризационным (IRη) перенапряжениями. Авторы прототипа добились поставленной цели и достигли экспериментально высокого КПД при малой мощности 1,5 кВт. Однако они не смогли повысить объемную и массовую удельные мощности устройства в целом (кВт/л, кВт/кг), а значит и не смогли перейти от стационарных устройств к более широкому применению к мобильной (бортовой) энергетике или как ее называют - малой распределенной энергетике, к энергетике, лишенной больших сетевых потерь. Улучшать (кВт/л, кВт/кг) более всего не позволяют биполярные пластины составляющие более 50% объема и 70% массы.The closest analogue is the prototype of the elements, the battery of the elements and the nodes of the connection of the elements into the battery, the authors consider the design of the firm SolidPower [8], shown in FIG. 3. The developers of this company in order to increase the electrical efficiency, which reached 60–65%, went in stages to reducing the working area of the element from almost 2 dm2 to 1/4 dm2 (50x50 mm). At the same time, they improved the uniformity of the gas flow of fuel due to the complexity of the bipolar plate, which led to both a more uniform temperature distribution across 4 elements of 50x50 mm on one bipolar plate, and in the battery 1.5-2.0 kW in general. In fact, they fulfilled the principles of micro-tubular design, reduced the working surface of a single element, improving the uniform distribution of reactive gas flows and temperature. Ultimately, by equalizing the fluxes of reagents, they sought to reduce temperature gradients, improve heat dissipation, reduce current and electrical losses associated with ohmic (IRΩ) and polarization (IRη) overvoltages. The authors of the prototype achieved the goal and achieved experimentally high efficiency at low power of 1.5 kW. However, they could not increase the volumetric and mass specific power of the device as a whole (kW / l, kW / kg), and therefore could not move from stationary devices to more widespread use to mobile (on-board) energy or as it is called - small distributed energy , to power, devoid of large network losses. To improve (kW / l, kW / kg) most of all do not allow bipolar plates constituting more than 50% of the volume and 70% of the mass.
Целью, технической задачей настоящего изобретения является конструкция элемента и батареи, лишенные вышеперечисленных недостатков прототипа и аналогов, позволяющие получать более высокие удельные объемные и массовые плотности мощности (кВт/л, кВт/кг).The goal, the technical task of the present invention is the design of the element and the battery, devoid of the above disadvantages of the prototype and analogues, allowing to obtain higher specific volume and mass density of power (kW / l, kW / kg).
Поставленная задача решается использованием микро-планарного твердооксидного элемента (ТОЭ) и батареи на основе таких пленочных микро-планарных ТОЭ (МП ТОЭ). Тонкослойная (тонкопленочная) рабочая часть плоского элемента находится между рамкой из конструкционной керамики, выполняющей роль механического держателя. Активная часть может быть выполнена с несущим электролитом толщиной до 100-200 мкм, с несущим катодом, с несущим анодом, с несущими слоями анодного или катодного смешанного проводника с тонким слоем электролита, менее 5-10 мкм. При этом электролитическая мембрана может быть выполнена многослойной, по меньшей мере двухслойной, со слоями из материала твердого электролита другого состава или материала со смешанной электронной и ионной проводимостью. Формирование многослойного электролита позволяет решать несколько задач: расширение электролитической области использования такого электролита, формирование мембраны электролита с оптимальным сочетанием ее проводимости и механической прочности, а также улучшение совместимости электролита с электродами и др.The problem is solved by using a micro-planar solid oxide cell (TOE) and batteries based on such film micro-planar TOE (MP TOE). Thin-layer (thin-film) working part of the flat element is located between the frame of structural ceramics, which serves as a mechanical holder. The active part can be made with a carrier electrolyte with a thickness of up to 100–200 µm, with a carrier cathode, with a carrier anode, with carrier layers of an anodic or cathodic mixed conductor with a thin electrolyte layer, less than 5–10 µm. In this case, the electrolytic membrane can be made multi-layer, at least two-layer, with layers of solid electrolyte material of different composition or material with mixed electronic and ionic conductivity. The formation of a multilayer electrolyte allows us to solve several problems: the expansion of the electrolytic use of such an electrolyte, the formation of an electrolyte membrane with the optimal combination of its conductivity and mechanical strength, as well as improving the compatibility of the electrolyte with electrodes, etc.
Форма элемента активной части и рамки может быть в виде треугольной, прямоугольной многоугольной пластины, круга, овала и т.д. Проводимость и последовательная коммутация электродов смежных элементов в батарею осуществляется локальными слоями токового коллектора (интерконнекта) или проволочными (плоскими) сетками, нанесенными на электроды активной части смежных элементов, плоские поверхности и боковые грани рамок соединяемых смежных элементов. Усовершенствованный, микро-планарный элемент, заявляемой конструкции представлен на Фиг. 4. В активной части он имеет несущий твердооксидный электролит, мембрану 1, в общем случае содержащую два и более слоев, отличающихся по типу проводимости, на противоположных поверхностях мембраны 1 нанесены электроды: анод 2 и катод 3. Функцию несущего компонента ТОТЭ, обладающего необходимой механической прочностью, в известных технических решениях возлагают на твердый электролит, анод, катод, токовый коллектор и т.д., либо эту роль выполняют совместно одновременно несколько компонентов. В заявляемой нами конструкции эту функцию исполняет одна или две рамки 4, расположенные по периметру активной части из совместимой конструкционной керамики или из материала того же электролита. Как было описано выше, тонкослойная, активная (функциональная, рабочая) часть элемента, окаймленная рамкой(ами), предающей(ими) необходимую механическую прочность элементу, может иметь любую форму, представленную на Фиг. 5. При этом функции механической прочности и формирования приэлектродных газовых пространств микро-планарного элемента, обеспечиваемые одной или двумя рамками, предполагают отсутствие дополнительных деталей: разделяющих газовые реагенты пластин с отверстиями и последовательное соединение смежных элементов по току биполярных пластин. При этом небольшие рабочие поверхности элементов, снижая токи, делают приемлемыми потери при коммутации элементов вдоль электродов. Поэтому электроды смежных элементов по току соединены через токовые коллекторы (интерконнекты), расположенные на противоположных торцах рамок.The shape of the element of the active part and the frame can be in the form of a triangular, rectangular polygonal plate, circle, oval, etc. Conductivity and sequential switching of electrodes of adjacent elements into a battery is carried out by local layers of the current collector (interconnect) or wire (flat) grids applied to the electrodes of the active part of adjacent elements, flat surfaces and lateral faces of the frames of adjacent adjacent elements. An improved micro-planar element of the claimed design is shown in FIG. 4. In the active part, it has a carrier solid oxide electrolyte,
На Фиг. 6 изображена батарея МП ТОЭ из тонкослойной активной зоны (поз. 1 – 3), ограниченной шестиугольными рамками 4, которую собирают (соединяют по току) на плоской, овальной или более сложной поверхности технического устройства. На Фиг. 6 показан принцип последовательного электрического соединения МП ТОЭ и омывание рабочих поверхностей батареи топливом и окислителем. Например, батарея МП ТОЭ может быть расположена на поверхности камеры сгорания топлива в авиационном двигателе, работающем при рабочих температурах и обеспечивающим подвод топлива и окислителя. Батареи МП ТОЭ могут быть расположены и внутри цементных печей при высокой температуре и обеспечении газовых потоков реагентов.FIG. 6 depicts a battery MP TOE from a thin-layer active zone (pos. 1-3), bounded by
На Фиг. 7 представлена батарея микро-планарных твердооксидных элементов (МП ТОЭ) из тонкослойной активной зоны, ограниченной шестиугольными рамками, которую собирают (соединяют по току) вдоль нормальной оси симметрии планарных элементов. При этом смежные элементы батареи собирают активными одноименными поверхностями (электродами) друг к другу. Такое расположение элементов позволяет исключить сложные разделительные газовые перегородки (биполярные пластины) для формирования газовых потоков топлива (Н2) и окислителя (О2, воздух) и обеспечения последовательного соединения элементов по току. Расположение (соединение) микро-планарных элементов в заявляемой нами батарее приводит к образованию совместных, чередующихся анодных и катодных газовых полостей с входными и выходными газовыми каналами, а электрическое последовательное соединение по току осуществляют по боковым граням рамок.FIG. 7 shows a battery of micro-planar solid oxide cells (MP TOE) from a thin-layer active zone bounded by hexagonal frames, which is collected (connected by current) along the normal axis of symmetry of the planar elements. At the same time, adjacent elements of the battery are collected by active surfaces of the same name (electrodes) to each other. Such an arrangement of the elements makes it possible to exclude complex separating gas partitions (bipolar plates) for the formation of gas flows of fuel (H2) and oxidant (O2, air) and to ensure the consistent connection of the elements along the current. The arrangement (connection) of micro-planar elements in the battery we declare leads to the formation of joint, alternating anodic and cathodic gas cavities with inlet and outlet gas channels, and an electrical series-connected current connection is performed on the side edges of the frames.
Патентуемая конструкция микро-планарных элементов (МП ТОЭ) и батареи, собираемые на поверхности технических устройств, или автономно вдоль нормальной оси симметрии, позволяют изготавливать различные твердооксидные устройства: электрохимические генераторы электроэнергии на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ); твердооксидные электролизеры для получения водорода и кислорода, например разложением воды (ТОЭ); твердооксидные кислородные насосы для получения особо чистого кислорода из воздуха (ТОКН): твердооксидные конвертеры (ТОК) и другие возможные устройства.The patented design of micro-planar elements (MP TOE) and batteries assembled on the surface of technical devices, or autonomously along the normal axis of symmetry, allows the manufacture of various solid oxide devices: electrochemical solid-state fuel cell (TFC) electricity generators; solid oxide electrolysis cells for producing hydrogen and oxygen, for example, water decomposition (SOE); solid oxide oxygen pumps for the production of highly pure oxygen from air (TOCN): solid oxide converters (TSC) and other possible devices.
Представленные варианты конструкции МП ТОЭ и батареи на основе МП ТОЭ поясняются чертежами на Фиг. 4–7, где на Фиг. 4 приведено схематичное изображение поперечного сечения МП ТОЭ согласно настоящего изобретения (на рисунке – местное сечение): 1 – тонкая мембрана несущего твердооксидного электролита, 2 – анод, 3 – катод, 4 – рамка, 5 – токопроход (интерконнект); на Фиг. 5 схематично приведены возможные формы МП ТОЭ и их соединение в плоскую батарею; на Фиг. 6 схематично показан принцип последовательного электрического соединения МП ТОЭ в плоской батарее и омывание рабочих поверхностей элементов батареи топливом и окислителем: 1 – тонкая мембрана несущего твердооксидного электролита, 2 – анод, 3 – катод, 4 – рамка, 5 – токопроход (интерконнект); на Фиг. 7 приведено схематичное изображение батареи МП ТОЭ блочного типа, в которой элементы соединены между собой последовательно по току и расположены по нормальной оси симметрии активными одноименными поверхностями (электродами) друг к другу с образованием совместных, чередующихся анодных и катодных газовых полостей с входными и выходными газовыми каналами (каналы на рисунке не показаны): 2 – анод, 3 – катод, 4 – рамка, 5 – токопроход (интерконнект).The presented design options for the MP EOC and batteries based on the MP EFC are explained in the drawings in FIG. 4-7, where in FIG. 4 shows a schematic depiction of the cross section of the MP EOC in accordance with the present invention (in the figure is a local section): 1 — a thin membrane of a supporting solid oxide electrolyte, 2 — an anode, 3 — a cathode, 4 — a frame, 5 — current passage (interconnect); in FIG. 5 schematically shows the possible forms of MP TOE and their connection into a flat battery; in FIG. 6 schematically shows the principle of series electrical connection of the MP EFC in a flat battery and washing of the working surfaces of the battery elements with fuel and oxidizer: 1 - a thin membrane of a solid oxide electrolyte, 2 - an anode, 3 - a cathode, 4 - a frame, 5 - a current passage (interconnect); in FIG. 7 shows a schematic depiction of a block-type battery MP TOE, in which the elements are interconnected sequentially in current and arranged along the normal axis of symmetry of the active surfaces of the same name (electrodes) to each other with the formation of joint, alternating anode and cathode gas cavities (the channels in the figure are not shown): 2 — anode, 3 — cathode, 4 — frame, 5 — current passage (interconnect).
Список цитируемой литературы: List of references:
1. K. Kendall. Progress in Microtubular Solid Oxide Fuel Cells // Int. J. Appl. Ceram. Technol., V. 7, 2010, p. 1–9.1. K. Kendall. Progress in Microtubular Solid Oxide Fuel Cells // Int. J. Appl. Ceram. Technol., V. 7, 2010, p. 1–9.
2. Ted Ohrn. Rolls Royce IP-SOFC Technology Development // NETL.DOE.GOV: Proceedings of the 10th Annual Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) Workshop, July 14-16, 2009,Pittsburgh, PA.2. Ted Ohrn. Rolls Royce IP-SOFC Technology Development // NETL.DOE.GOV: Proceedings of the 10th Annual Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) Workshop, July 14-16, 2009, Pittsburgh, PA.
URL:https://www.netl.doe.gov/file%20library/events/2009/seca/presentations/Ohrn_Presentation.pdf (дата обращения: 23.03.2017).URL: https: //www.netl.doe.gov/file%20library/events/2009/seca/presentations/Ohrn_Presentation.pdf (access date: 03/03/2017).
3. Ячейка высокотемпературного элемента электрохимического устройства с твердым электролитом: пат. 2178560 Рос. Федерация: МПК7 G 01 N 27/406 / Востротин В.А., Гречко М.В., Закутнев А.Д., Крылова О.Е., Кулаев В.В., Лукашенко И.Г., Устюгов А.В., Чухарев В.Ф., заявитель и патентообладатель РФЯЦ – ВНИИТФ, Министерство Российской Федерации по атомной энергии. – 98117353/28; заявл.: 17.09.1998; опубл.: 27.06.2000, Бюл. № 18.3. Cell of a high-temperature element of a solid electrolyte electrochemical device: Pat. 2178560 Ros. Federation: MPK7 G 01 N 27/406 / Vostrotin V.A., Grechko M.V., Zakutnev A.D., Krylova O.E., Kulaev V.V., Lukashenko I.G., Ustyugov A.V. ., Chukharev V.F., Applicant and patent holder of RFNC - VNIITF, Ministry of the Russian Federation for Atomic Energy. - 98117353/28; Appl .: 17.09.1998; publ .: 27.06.2000, Bull. No. 18.
4. Твердооксидные топливные элементы: Сборник научно-технических статей. – Снежинск: Издательство РФЯЦ–ВНИИТФ, 2003. – С. 340-364.4. Solid oxide fuel cells: Collection of scientific and technical articles. - Snezhinsk: RFNC – VNIITF Publishers, 2003. - P. 340-364.
5. High temperature solid oxide fuel cells: fundamentals, design and applications // Edited by S.C. Singhal, K. Kendall, Elsevier Ltd.– 2003.– 405 p.5. High temperature solid oxide fuel cells: fundamentals, design and applications // Edited by S.C. Singhal, K. Kendall, Elsevier Ltd.– 2003.– 405 p.
6. Высокотемпературный электролиз газов / М.В. Перфильев, А.К. Демин, Б.Л. Кузин, А.С. Липилин. – М.: Наука, 1988. – 232 c.6. High-temperature electrolysis of gases / M.V. Perfilyev, A.K. Demin, B.L. Kuzin, A.S. Lipilin. - M .: Science, 1988. - 232 c.
7. Science and technology of ceramic fuel cells / Edited by N.Q. Minh, T. Takahasi. – Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1995. – 366 p.7. Science and Technology of Ceramic Fuel Cells / Edited by N.Q. Minh, T. Takahasi. - Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1995. - 366 p.
8. SolidPower BlueGEN // BLUEGEN.DE: Brochure. 2014. URL: http://www.solidpower.com/wp-content/uploads/2014/02/SOLIDpower_BlueGEN_UK_web.pdf (дата обращения: 23.03.2017).8. SolidPower BlueGEN // BLUEGEN.DE: Brochure. 2014. URL: http://www.solidpower.com/wp-content/uploads/2014/02/SOLIDpower_BlueGEN_UK_web.pdf (access date: 03/23/2017).
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017142087A RU2692688C2 (en) | 2017-12-04 | 2017-12-04 | Micro-planar solid oxide element (mpsoe), battery based on mpsoe (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017142087A RU2692688C2 (en) | 2017-12-04 | 2017-12-04 | Micro-planar solid oxide element (mpsoe), battery based on mpsoe (versions) |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017142087A RU2017142087A (en) | 2019-06-04 |
RU2017142087A3 RU2017142087A3 (en) | 2019-06-04 |
RU2692688C2 true RU2692688C2 (en) | 2019-06-26 |
Family
ID=66793136
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017142087A RU2692688C2 (en) | 2017-12-04 | 2017-12-04 | Micro-planar solid oxide element (mpsoe), battery based on mpsoe (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2692688C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU214734U1 (en) * | 2022-05-18 | 2022-11-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Current collector of solid oxide fuel cell stack |
Citations (7)
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 |
RU2373616C1 (en) * | 2005-08-31 | 2009-11-20 | Текникал Юниверсити Оф Денмарк | Pack of convertible solid-oxide fuel elements and method of its fabrication |
US20110129756A1 (en) * | 2008-08-01 | 2011-06-02 | Niels Erikstrup | Interconnect for a fuel cell, a method for manufacturing an interconnect for a fuel cell |
JP2012038718A (en) * | 2010-07-15 | 2012-02-23 | Ngk Insulators Ltd | Fuel cell structure |
JP2014089865A (en) * | 2012-10-30 | 2014-05-15 | Nippon Soken Inc | Fuel cell stack and fuel cell stack unit |
JP2015185334A (en) * | 2014-03-24 | 2015-10-22 | 凸版印刷株式会社 | Membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell |
JP2017010682A (en) * | 2015-06-18 | 2017-01-12 | 日本特殊陶業株式会社 | Interconnector fuel battery single cell composite body and fuel battery stack |
-
2017
- 2017-12-04 RU RU2017142087A patent/RU2692688C2/en active
Patent Citations (7)
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 |
RU2373616C1 (en) * | 2005-08-31 | 2009-11-20 | Текникал Юниверсити Оф Денмарк | Pack of convertible solid-oxide fuel elements and method of its fabrication |
US20110129756A1 (en) * | 2008-08-01 | 2011-06-02 | Niels Erikstrup | Interconnect for a fuel cell, a method for manufacturing an interconnect for a fuel cell |
JP2012038718A (en) * | 2010-07-15 | 2012-02-23 | Ngk Insulators Ltd | Fuel cell structure |
JP2014089865A (en) * | 2012-10-30 | 2014-05-15 | Nippon Soken Inc | Fuel cell stack and fuel cell stack unit |
JP2015185334A (en) * | 2014-03-24 | 2015-10-22 | 凸版印刷株式会社 | Membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell |
JP2017010682A (en) * | 2015-06-18 | 2017-01-12 | 日本特殊陶業株式会社 | Interconnector fuel battery single cell composite body and fuel battery stack |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU214734U1 (en) * | 2022-05-18 | 2022-11-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Current collector of solid oxide fuel cell stack |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2017142087A (en) | 2019-06-04 |
RU2017142087A3 (en) | 2019-06-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Homel et al. | Carbon monoxide-fueled solid oxide fuel cell | |
Yang et al. | Micro-tubular solid oxide fuel cells fabricated by phase-inversion method | |
Lee et al. | Development of a 700 W anode-supported micro-tubular SOFC stack for APU applications | |
US9608285B2 (en) | Stack for a solid oxide fuel cell using a flat tubular structure | |
Bian et al. | Regulation of cathode mass and charge transfer by structural 3D engineering for protonic ceramic fuel cell at 400 C | |
Zhang et al. | A dynamic solid oxide fuel cell empowered by the built-in iron-bed solid fuel | |
JPH04237962A (en) | Flat type solid electrolyte fuel cell | |
JPWO2016152923A1 (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack | |
JP5270385B2 (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
KR20150074283A (en) | Saperator for solid oxide fuel cell and fuel cell having thereof and method for manufacturing the same | |
RU2692688C2 (en) | Micro-planar solid oxide element (mpsoe), battery based on mpsoe (versions) | |
CN113097552A (en) | Connecting plate and solid oxide fuel cell/electrolytic cell stack | |
KR20120012262A (en) | flat-tubular solid oxide cell stack | |
JP3057342B2 (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
Panthi et al. | Development of a high-performance micro-tubular SOFC based on a hollow fiber support | |
RU2417488C1 (en) | Planar element of electrochemical devices, battery and method of production | |
JP6748518B2 (en) | Method for manufacturing electrochemical reaction cell | |
KR101220739B1 (en) | Saperator for planer solid oxide fuel cell and fuel cell comprising the same | |
JP2013219020A (en) | Flat-tubular solid oxide unit cell, and flat-tubular solid oxide fuel cell and flat-tubular solid oxide electrolyzer including the same | |
PL220309B1 (en) | Fuel cells battery | |
RU2444095C1 (en) | Electrochemical device | |
JP2011204568A (en) | Flat tube type electrochemical cell, electrochemical module, and electrochemical reaction system | |
Goel et al. | Simulation Approach for Design and Analysis of Solid Oxide Fuel Cells | |
JPH07145492A (en) | Steam electrolytic cell | |
RU2556888C1 (en) | Electrochemical energy converter |