ячейка высокотемпературного элемента электрохимического устройства с твердым электролитом

Формула изобретения

Ячейка высокотемпературного элемента электрохимического устройства с твердым электролитом, содержащая трубчатый элемент из твердого электролита с катодом и анодом, газоподводящую трубку, установленную внутри трубчатого элемента, электропроводящий дисперсный материал, размещенный в полости между газоподводящей трубкой и внутренней поверхностью трубчатого элемента, и кольца, ограничивающие засыпку дисперсного материала, отличающаяся тем, что ячейка снабжена дополнительными кольцами, которые размещены в слое дисперсного материала, беззазорно зафиксированы на газоподводящей трубке и установлены с зазором относительно внутренней поверхности трубчатого элемента, дисперсный материал содержит частицы размером 0,25-1,5 мм, причем кольца и газоподводящая трубка выполнены из металла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к высокотемпературной электрохимии, а более конкретно к конструкциям газодиффузионных ячеек электрохимических устройств с твердым электролитом, и может быть использовано в конструкциях топливных элементов, в электролизерах, датчиках активности кислорода.

Известна конструкция электрода для высокотемпературного электрохимического устройства с твердым электролитом, защищенная а. с. N 1748508, G 01 N 27/50, 16.01.90 г. Электрод содержит пробирку из твердого электролита с анодным и катодным слоем из электродно-активного вещества и газоподводящую трубку. В качестве электродно-активного вещества используют дисперсный материал дендритовой структуры.

Недостатком известного устройства является то, что потенциал, снимаемый с такого электрода, невелик, что обусловлено малой рабочей поверхностью пробирки. Конструкция датчика неэкономична, так как требует использования элементов передачи электрического сигнала, выполняемых из платины, область применения датчика ограничена потенциометрической регистрацией концентрации кислорода.

Известна конструкция зонда с твердым электролитом, описанная в заявке ФРГ N 3709196, G 01 N 27/50, 1998 г. Зонд содержит пробирку твердого электролита, в которой установлена газоподводящая трубка, в пространство между трубкой и внутренней поверхностью пробирки помещают зерна дисперсного материала с электронной или смешанной проводимостью, которая ограничивается засыпкой изолирующего материала. В слое засыпки размещается металлический проволочный электрод, а по наружной поверхности пробирки размещается аналогичный электрод для передачи электрического сигнала.

Данное устройство является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком известного устройства является высокое электрическое сопротивление вдоль электрода, обусловленное плохим контактом между большим количеством зерен порошка, высокое гидравлическое сопротивление, ухудшающее эксплуатационные свойства электрода, приводящее к диффузионным затруднениям, мешающим использованию этого электрода в устройствах с постоянным подводом и отводом реагентов от трехфазной границы.

Заявляемым изобретением решались задачи повышения удельной мощности ячейки, снижения электрического и регулирования гидравлического сопротивления при экономичном конструктивном выполнении.

Для достижения этой задачи в ячейке высокотемпературного электрохимического устройства с твердым электролитом, содержащей трубчатый элемент из твердого электролита с катодом и анодом, газоподводящую трубку, установленную внутри трубчатого элемента, электропроводный дисперсный материал, размещенный в полости между газоподводящей трубкой и внутренней поверхностью трубчатого элемента и кольца, согласно изобретению кольца дополнительно размещены в слое дисперсного материала, беззазорно зафиксированы на газоподводящей трубке и установлены с зазором относительно внутренней поверхности трубчатого элемента, дисперсный материал содержит частицы размером 0,25 - 1,5 мм, кольца и газоподводящая трубка выполнены из металла, например никеля.

Наличие отличительных признаков от прототипа позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

В процессе поиска не выявлено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения, что позволяет сделать заключение о соответствии его критерию "изобретательский уровень".

Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что выбранный диапазон размеров частиц позволяет, с одной стороны, преодолеть диффузионные затруднения, возникающие при подводе топлива и отводе продуктов реакции от трехфазной границы, с другой стороны, снизить внутреннее сопротивление ячейки, в совокупности эти признаки позволяют обеспечить высокую электрическую мощность ячейки. Кроме того, кольца, зафиксированные на газоподводящей трубке и установленные в дисперсном материале, позволяют предотвратить осевые перемещения трубки и использовать трубку как элемент крепления ячейки в батарее. Кольца выполнены из высокоэлектропроводного металлического материала, что позволяет им выполнять функцию эффективного токосъема, а беззазорная фиксация колец на трубе позволяет организовать надежный токосъем через металлическую газоподводящую трубку. Расположение колец в слое дисперсного материала увеличивает поверхность активного токосъема. Установка колец с зазором относительно внутренней поверхности трубчатого элемента позволяет более рационально осуществить газораспределение и направить газовый поток вдоль поверхности трубчатого элемента, где он активно участвует в электрохимических процессах. Все эти функции различных элементов ячейки направлены в конечном итоге на увеличение электрической мощности последней.

Предлагаемая конструкция ячейки иллюстрируется чертежом общего вида ячейки.

Ячейка представляет собой пробирку 1 из твердого электролита, анод 2, расположенный на внутренней поверхности пробирки в виде припеченного слоя из никель - кермета. Катод 3 размещен на наружной поверхности пробирки в виде припеченного слоя из манганита лантана - стронция. В полости пробирки размещается газоподводящая трубка 4 из высокоэлектропроводного металлического материала, например никеля. Полость между внутренней поверхностью пробирки 1 и наружной поверхностью трубки 4 заполнена дисперсным материалом 5 из никель - кермета, частицы которого имеют дисперсность 0,25 - 1,5 мм. В слое материала размещены кольца 6, которые зафиксированы на газоподводящей трубке и установлены на последней беззазорно. Кольца 6 установлены как ограничивающие засыпку дисперсного материала и в слое засыпки. Наружный диаметр кольца меньше, чем внутренний диметр трубчатого элемента, поэтому образуется зазор 7 между кольцом и стенкой трубчатого элемента. Газоподводящая трубка 4 и кольца 6 выполнены из высокоэлектропроводного металлического материала, например никеля.

Токосъем может представлять собой слой проводящего дисперсного материала (например, манганита лантана - стронция, на фиг. не показан), расположенного снаружи пробирки, либо токосъем 8 выполнен в виде проволочных колец и передает ток от катода 3 к токовыводу 9.

Устройство работает следующим образом. Топливо - газ подают в трубку 4, в донной части пробирки 1 газ проходит через перфорацию 10 в трубке 4, затем через зазор 7 и дисперсный материал 5 к аноду 2. Наличие зазора позволяет направить газовый поток к трехфазной границе "газ - материал анода 2 - твердый электролит 1", где происходит электрохимическое взаимодействие топлива с ионами кислорода, поступающими через электролит 1 с катода 3. При взаимодействии образуются свободные электроны и пары воды. Вода удаляется через дисперсный материал, а электроны через кольца 6 и электропроводный материал засыпки 5 поступают к электропроводной газоподводящей трубке 4, которая выполняет роль токосъема, и по ней электроны поступают в цепь нагрузки. Через цепь нагрузки электроны поступают на токосъем 8, который контактирует с катодом 3. На трехфазной границе "газ - окислитель - катод 3 - твердый электролит 1" происходит электрохимическое взаимодействие электронов с молекулой кислорода с образованием ионов кислорода, которые, двигаясь через электролит, замыкают цепь.

Наличие колец, размещенных в слое дисперсного материала, ограничивает уплотнение материала, позволяет формировать поток топлива, направляя его к трехфазной границе и повышая эффективность электрохимических процессов и, как следствие, увеличивает мощность ячейки. Кроме того, выбор размеров частиц не менее 0,25 мм позволяет снизить поляризационное сопротивление и обеспечить оптимальный режим подвода топлива и отвода продуктов реакции у трехфазной границы. В то же время, ограничение размера частиц не более 1,5 мм позволяет создать оптимальное количество точек контакта, что обуславливает снижение омического сопротивления ячейки. Данные о характеристиках ячейки при различных размерах частиц дисперсного материала приведены в таблице. По данным таблицы видно, что размер частиц из выбранного диапазона позволяет в два раза повысить мощность ячейки. Электропроводность материала кольца выше, чем электропроводность дисперсного материала, поэтому каждое кольцо является эффективным токосъемом.

Использование в качестве токосъема гранул дисперсного материала создает условия равномерного токосъема по анодной рабочей поверхности пробирки, что уменьшает путь тока и снижает потери на сопротивлении ячейки.

В процессе отработки конструкции ячейки в институте испытана ячейка, представляющая собой пробирку из электролита на основе стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония (YSZ) с размерами - диаметр 10 мм, длина 210 мм с катодом на наружной поверхности из манганита лантана - стронция толщиной 0,25 мм и анодом на внутренней поверхности из никель - кермета толщиной 0,06 мм. В пробирке установлена газоподводящая трубка из никеля, по которой пропускали топливо - водород. Газ проходил через слой дисперсного материала никель - кермета, расположенного между наружной поверхностью трубки и анодом. В слое материала установлены кольца из никеля, жестко зафиксированные на газоподводящей трубке. Диаметр кольца - 8 мм. Токосъем с катода осуществлялся при помощи колец 8 из платиновой проволоки. Токосъемы соединялись методом сварки с никелевым токовыводом 9.