RU1840821C

RU1840821C - High-temperature battery of fuel cells

Info

Publication number: RU1840821C
Application number: SU2255333/07A
Authority: RU
Inventors: А.С. Липилин (RU); А.С. Липилин
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН
Priority date: 1979-04-16
Filing date: 1979-04-16
Publication date: 2012-02-27

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to high-temperature electrochemistry, in particular, to high-temperature electrochemical devices with solid oxide electrolyte to be used as fuel cells or electrolysers, etc. Proposed device consists of cells solid electrolyte of which is made up of double-face spiral of Archimedes. Flat spirals/current taps secured on one side by electrode material are fitted into turns. Free side of said flap spirals rest on electron-conduction plate that makes, together with current leads, the gas channels. Said plate is used to connect aforesaid cells into battery.

EFFECT: simple design, lower drag, higher reliability and expanded applications.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом и может быть использовано при изготовлении источников тока (топливных элементов), электролизеров, кислородных насосов и т.д.The invention relates to the field of electrochemical devices with a solid high-temperature electrolyte and can be used in the manufacture of current sources (fuel cells), electrolyzers, oxygen pumps, etc.

Известны электрохимические устройства с газовыми электродами и твердым электролитом в форме цилиндрической трубки, на которой располагаются отдельные элементы, соединенные последовательно по току и по газу. (H.H.Möbius, «Zur Entwicklung der Elektrochemie mit Festelektrolyten», Cemische Geselschaft, 21 Jahryang, №2, 8-1974, 177-182).Known electrochemical devices with gas electrodes and a solid electrolyte in the form of a cylindrical tube, on which individual elements are arranged, connected in series by current and gas. (H.H. Möbius, “Zur Entwicklung der Elektrochemie mit Festelektrolyten”, Cemische Geselschaft, 21 Jahryang, No. 2, 8-1974, 177-182).

Устройства этой конструкции имеют низкие удельные характеристики, сложны в изготовлении - нанесении и соединении электродов. Устройства такой конструкции не могут быть большой мощности.Devices of this design have low specific characteristics, are difficult to manufacture - deposit and connect electrodes. Devices of this design cannot be of great power.

Наиболее близким по технической сущности является батарея элементов с твердым электролитом в виде шайб, соединенных последовательно по току и газу с центральными газоподводящими трубками. (Von Franz-Josef Rohr, Ober-Abtsteinach Odenwald, BBC Nachrichten, №3, 1966).The closest in technical essence is a battery of cells with solid electrolyte in the form of washers, connected in series by current and gas to the central gas supply tubes. (Von Franz-Josef Rohr, Ober-Abtsteinach Odenwald, BBC Nachrichten, No. 3, 1966).

Такая батарея не может иметь высоких удельных характеристик, т.к. рабочая площадь электродов не существенна по отношению к объему, соединение элементов по току сложное и распределение тока по электроду неравномерное, что также снижает удельные характеристики. Механическое соединение элементов трудно выполнимо и требует специальных замазок или стекол. Кроме того, собрать батарею более чем из двух элементов, видимо, невозможно, т.е. батарея такой конструкции не может быть большой мощности.Such a battery cannot have high specific characteristics, because the working area of the electrodes is not significant in relation to the volume, the connection of the elements by current is complex and the current distribution across the electrode is uneven, which also reduces the specific characteristics. The mechanical connection of the elements is difficult and requires special putty or glass. In addition, it is apparently impossible to assemble a battery of more than two elements, i.e. a battery of this design cannot be of great power.

Целью настоящего изобретения является упрощение сборки элементов в батарею, улучшение удельных характеристик благодаря увеличению рабочей площади элементов при том же занимаемом объеме и увеличение эффективности за счет снижения потерь напряжения на токоподводах и более равномерного распределения тока.The aim of the present invention is to simplify the assembly of cells into a battery, improve specific characteristics by increasing the working area of cells with the same occupied volume and increasing efficiency by reducing voltage losses on current leads and more uniform current distribution.

Указанная цель достигается благодаря упрощению сборки элементов в батарею, которая сводится к составлению элементов в столбик, через металлические пластины, являющиеся одновременно и токосъемом и элементом, герметизирующим газовые объемы электрохимического устройства. В батарее прототипа соединение элементов между собой осуществляется проволочками, а герметизация осуществляется специальными замазками и стеклами, что усложняет сборку и требует дополнительных деталей и специально приготовленных веществ. Развитие рабочей поверхности твердого электролита элемента осуществляют изготовлением его в виде двухсторонней спирали, например, формы Архимеда. При диаметре элемента 50 мм, высоте 15 мм и диаметре центральной газоподводящей трубки 5 мм, его рабочая площадь превышает более чем в три раза площадь батареи прототипа с теми же размерами. Увеличение эффективности работы предлагаемой батареи осуществляется благодаря электрическому соединению элементов через пластины, что сводит к минимуму потери напряжения при коммутации. Введение спиральных токоотводов приводит также к равномерности распределения тока по поверхности электродов, что также увеличивает эффективность. Так, при использовании предлагаемой батареи в качестве электролизера для получения одного и того же количества кислорода необходимо прикладывать напряжение на 20-35% ниже, чем батарее прототипа с равной рабочей площадью.This goal is achieved by simplifying the assembly of elements into a battery, which boils down to compiling the elements in a column through metal plates, which are both a current collector and an element that seals the gas volumes of an electrochemical device. In the prototype battery, the elements are interconnected by wires, and the sealing is carried out with special putties and glasses, which complicates the assembly and requires additional parts and specially prepared substances. The development of the working surface of a solid electrolyte cell is carried out by manufacturing it in the form of a two-sided spiral, for example, the Archimedes form. With an element diameter of 50 mm, a height of 15 mm and a diameter of the central gas supply tube of 5 mm, its working area exceeds more than three times the area of the prototype battery with the same dimensions. Increasing the efficiency of the proposed battery is due to the electrical connection of the elements through the plate, which minimizes voltage loss during switching. The introduction of spiral down conductors also leads to a uniform distribution of current on the surface of the electrodes, which also increases efficiency. So, when using the proposed battery as an electrolyzer to obtain the same amount of oxygen, it is necessary to apply a voltage of 20-35% lower than the prototype battery with an equal working area.

На чертеже изображен внешний вид батареи заявляемой конструкции с центральным газоподводом 1, крышками 2. Элементы между собой и с крышками соединены через электропроводящие пластины 3, герметично соединенные с центральной трубкой элементов и внешней цилиндрической частью. В верхней части трубка имеет перегородку и отверстия с обеих сторон перегородки для входа и выхода газа из элемента. Внизу внешней цилиндрической части элементов имеются отверстия 4 для выхода кислорода. В сечении одного из элементов хорошо виден твердый электролит 5, выполненный в виде двухсторонней спирали с трубкой в центре. В углубления спиралей с обеих сторон элемента вставляются плоские спирали-токоотводы 6, которые закрепляются в них электродной массой. Свободные стороны спиралей-токоотводов опираются на пластины 3, образующие со спиралями токоотводов и электролита каналы для продвижения газов, в данном случае H₂O + H₂. В батарее с последовательно соединенными элементами спиральные углубления твердого электролита, обращенные в одну сторону, - покрываются одноименными электродами, обращенные в другую сторону, электродами противоположной полярности. Чтобы не загромождать чертеж, электроды на нем не обозначены.The drawing shows the appearance of the battery of the claimed design with a central gas supply 1, covers 2. The elements are connected to each other and with the covers through electrically conductive plates 3, hermetically connected to the Central tube of the elements and the outer cylindrical part. In the upper part of the tube has a partition and openings on both sides of the partition for gas inlet and outlet from the element. At the bottom of the outer cylindrical part of the elements there are openings 4 for oxygen output. The solid electrolyte 5, made in the form of a two-sided spiral with a tube in the center, is clearly visible in the cross section of one of the elements. In the recesses of the spirals on both sides of the element are inserted flat spiral down conductors 6, which are fixed in them by the electrode mass. The free sides of the down conductor spirals are supported by plates 3, which form channels for the promotion of gases with spirals of down conductor and electrolyte, in this case, H ₂ O + H ₂ . In a battery with elements connected in series, spiral recesses of a solid electrolyte, turned in one direction, are covered with the same name electrodes, turned in the opposite direction, with electrodes of opposite polarity. In order not to clutter up the drawing, the electrodes are not marked on it.

В конкретном исполнении элементы батареи были выполнены из твердого электролита на основе двуокиси циркония (0,9ZrO₂ + 0,1Y₂O₃). В качестве электродов была использована мелкодисперсная платина, а спирали-токоотводы и пластины из платиновой фольги толщиной 0,02 и 0,05 мм соответственно. Газоподводы из платиновой трубки являлись одновременно и токоподводами.In a specific embodiment, the battery cells were made of a solid electrolyte based on zirconium dioxide (0.9ZrO ₂ + 0.1Y ₂ O ₃ ). Finely dispersed platinum was used as electrodes, and spiral conductors and plates made of platinum foil with a thickness of 0.02 and 0.05 mm, respectively. The gas inlets from the platinum tube were also current leads.

Батарея работала в качестве электролизера. На вход подавали пары воды, которые разлагались постоянным током до водорода и кислорода, выходящего во внешнюю среду из отверстий 4. При неполном разложении воды вместе с водородом выходят остатки паров воды.The battery worked as an electrolyzer. Water vapors were supplied to the inlet, which were decomposed by direct current to hydrogen and oxygen leaving the openings 4 in the external medium. In the case of incomplete decomposition of water, the remaining water vapors leave with hydrogen.

Значительное упрощение сборки элементов в батарею за счет последовательного соединения их через пластину с одновременным улучшением удельных характеристик, из-за увеличения более чем в три раза рабочей поверхности твердого электролита, делают батарею предлагаемой конструкции наиболее приемлемой для применения в народном хозяйстве. Снижение потерь напряжения на токоподводах и улучшение равномерности распределения тока по поверхности электрода способствует увеличению эффективности работы электрохимического устройства при снижении напряжения на 20÷35%.A significant simplification of the assembly of elements into a battery due to their serial connection through a plate with a simultaneous improvement in specific characteristics, due to a more than three-fold increase in the working surface of solid electrolyte, makes the battery of the proposed design the most suitable for use in the national economy. Reducing voltage losses at current leads and improving the uniformity of current distribution over the electrode surface helps to increase the efficiency of the electrochemical device while reducing voltage by 20 ÷ 35%.

Предлагаемая батарея существенно технологичней прототипа в изготовлении, не требует дополнительных конструктивных деталей и изготовления специальных веществ для герметизации. Батарея имеет в несколько раз более высокие удельные характеристики, что позволяет рекомендовать ее применение в народном хозяйстве в качестве любого электрохимического устройства.The proposed battery is much more technologically advanced prototype in manufacturing, does not require additional structural parts and the manufacture of special substances for sealing. The battery has several times higher specific characteristics, which allows us to recommend its use in the national economy as any electrochemical device.

Claims

1. A high-temperature battery of fuel cells with a solid electrolyte from cells connected in series by current and gas to a central gas supply tube with holes, characterized in that, in order to improve the specific characteristics, the solid electrolyte is made in the form of a two-sided spiral, for example Archimedes, in the turns of which inserted flat spiral down conductors, fixed on one side by electrically conductive materials, the free side resting on an electrically conductive plate forming channels with current leads advancing gases, and with a solid electrolyte of adjacent elements in the central and peripheral parts is connected hermetically.

2. The battery according to claim 1, characterized in that, in order to uniformly supply gas, a partition is fixed in the middle of the central tube.

3. The battery according to claim 1 and 2, characterized in that, in order to simplify the removal of reagents, one of the gas cavities communicates through openings in the outer cylindrical part with the surrounding volume.