RU2084053C1

RU2084053C1 - Battery of fuel elements

Info

Publication number: RU2084053C1
Application number: RU9595116832A
Authority: RU
Inventors: В.И. Щекалов
Original assignee: Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики; Министерство РФ по атомной энергии
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 1997-07-10

Abstract

FIELD: high-temperature energy converters. SUBSTANCE: proposed battery has pile of solid oxide fuel elements each containing fuel cell I composed of layer 3 of solid electrolyte and electrode coats 4, 5 and ring casing 2 with bore 6 in its upper part where fuel cell is laid. Electrode chambers in specified battery are formed by superimposition of ring casing 2 fitted with fuel cells 1 with butts one on other. They are limited over side surface by internal surface of specified ring casings. On top and bottom they are limited by like electrode coats of neighboring fuel cells. Grooves 7 form vertical channels for gaseous reagents, slits 8 are used as horizontal channels communicating vertical channels with specified electrode chambers. Most preferable shape of fuel cell is segment of hollow sphere. Ring current collectors 11 are positioned inside each electrode chamber contacting electrode coats of neighboring fuel cells and are fitted with current leads 12. Battery exhibits increased specific power per weight unit owing minimally needed number of used components. EFFECT: increased specific power per weight unit. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электрохимическим генераторам, а более конкретно, к батареям, выполненным на основе твердооксидных топливных элементов. The invention relates to electrochemical generators, and more specifically, to batteries made on the basis of solid oxide fuel cells.

Известны разнообразные конструкции батарей, которые прежде всего определяются формой используемых твердооксидных топливных элементов. Условно твердооксидные топливные элементы можно разделить на три группы: пластинчатые, трубчатые и блочные. Первую группу составляют элементы в виде плоских или близких к плоским пластин различных форм: круглых, кольцеобразных прямоугольных. Батареи, использующие данную группу элементов и к которым относится заявляемое изобретение, называются условно планарными. A variety of battery designs are known, which are primarily determined by the shape of the solid oxide fuel cells used. Conventionally, solid oxide fuel cells can be divided into three groups: lamellar, tubular and block. The first group consists of elements in the form of flat or close to flat plates of various shapes: round, ring-shaped rectangular. Batteries using this group of elements and to which the claimed invention relates are called conditionally planar.

Твердооксидный топливный элемент плоской формы состоит из слоя твердого электролита, на противоположные стороны которого нанесены электродные покрытия: анодное и катодное. Планарная батарея формируется при сборке таких элементов в стопку с одновременным образованием электродных камер и коммуникационных каналов. Топливный и окислительный газовые реагенты, поступающие через систему коммуникационных каналов в соответствующие электродные камеры, взаимодействуют с электродными покрытиями отдельного элемента, в результате чего между электродами возникает разность потенциалов, снимаемая токосъемниками, контактирующими с электродными покрытия. Элементы могут соединяться между собой как последовательно, так и параллельно. в частности, известна батарея из собранных в стопку элементов, каждый из которых содержит выполненный из электролита диск, покрытый с каждой стороны электродным покрытием, первое и второе кольца между которыми зажат электролитный диск, электропроводящий диск и сепараторный диск, отделяющий один элемент от другого. Сепараторный диск, электролитный диск и кольца имеют соосные отверстия, образующие при сборке элементов в стопку систему соосных патрубков для газовых реагентов (Пат. США N 3526549, кл. 136-86, 1968 г.)
Недостатком такой конструкции является сложность, обусловленная наличием большого количества разнообразных сборочных единиц: двух разделительных колец, сепараторного диска, электропроводящего диска и, как следствие, большая материалоемкость.A solid oxide fuel cell of a flat shape consists of a layer of solid electrolyte, on the opposite sides of which electrode coatings are applied: anodic and cathodic. A planar battery is formed during the assembly of such elements into a stack with the simultaneous formation of electrode chambers and communication channels. Fuel and oxidizing gas reagents entering the corresponding electrode chambers through a system of communication channels interact with the electrode coatings of a single element, as a result of which a potential difference arises between the electrodes, which is removed by current collectors in contact with the electrode coatings. Elements can be interconnected both in series and in parallel. in particular, a battery of stacked cells is known, each of which contains an electrolyte disk, coated on each side with an electrode coating, the first and second rings between which an electrolyte disk, an electrically conductive disk, and a separator disk separating one cell from the other are clamped. The separator disk, electrolyte disk and rings have coaxial holes that, when assembling the elements into a stack, form a system of coaxial nozzles for gas reagents (US Pat. US N 3526549, CL 136-86, 1968).
The disadvantage of this design is the complexity due to the presence of a large number of different assembly units: two spacer rings, a separator disk, an electrically conductive disk and, as a result, a large material consumption.

Известна другая батарея из набранных в сборку элементов, каждый из которых содержит первое и второе электропроводные кольца, между которыми зажат электролитный диск с металлическими электродами, электроизоляционный (сепараторный) диск, отделяющий анодное и катодное пространства соседних элементов и систему соосных каналов для газовых реагентов (М.В.Перфильев и др. "Высокотемпературный электролиз газов", М. Наука, 1988 г. с.192, рис. 6.5). Another battery is known from the elements assembled into the assembly, each of which contains the first and second conductive rings, between which an electrolyte disk with metal electrodes is clamped, an electrical insulating (separator) disk separating the anode and cathode spaces of neighboring elements and a system of coaxial channels for gas reagents (M .V. Perfiliev et al. "High-temperature electrolysis of gases", M. Nauka, 1988, p. 192, Fig. 6.5).

В данной конструкции также необходимо использование сепараторного диска для формирования изолированных друг от друга электродных камер. In this design, it is also necessary to use a separator disk to form isolated from each other electrode chambers.

Наиболее близкой к заявляемой является батарея топливных элементов, собранных в стопку, каждый из которых содержит топливную ячейку из тонкослойного твердого электролита в форме диска с электродными покрытиями на противоположных сторонах и кольцевую обойму, охватывающую топливную ячейку, а также первый и второй кольцевые токосъемники, разделительные газонепроницаемые диски, вертикальные каналы для подвода и отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов, образованные сквозными отверстиями в кольцевых обоймах и токосъемниках, и горизонтальные каналы для соединения вертикальных каналов с электродными камерами, образованные радиальными отверстиями в разделительных дисках (пат. США N 3505114, кл.136-86,1968.). Closest to the claimed one is a stacked stack of fuel cells, each of which contains a fuel cell of a thin layer solid electrolyte in the form of a disk with electrode coatings on opposite sides and an annular cage covering the fuel cell, as well as the first and second ring collectors, gas-tight separation disks, vertical channels for supplying and discharging reducing and oxidizing gaseous reagents, formed through holes in the ring cages and okosemnikah, horizontal and vertical channels for connecting the channels to the electrode chambers formed by radial openings in the separation discs (Pat. US N 3505114, kl.136-86,1968.).

Недостатком данной конструкции, как и вышеприведенных, является необходимость использования разделительных газонепроницаемых дисков для организации электродных камер и громоздких токосъемников, что ведет к увеличению материалоемкости конструкции. The disadvantage of this design, as well as the above, is the need to use dividing gas-tight disks for organizing electrode chambers and bulky current collectors, which leads to an increase in the material consumption of the structure.

Настоящее изобретение направлено на создание такой конструкции твердотопливной батареи, в которой использовалось бы минимальное количество деталей, что обеспечит не только большую технологичность устройства, но и повышенную удельную мощность на единицу веса. The present invention is directed to the creation of such a design of a solid fuel battery, which would use a minimum number of parts, which will provide not only greater manufacturability of the device, but also an increased specific power per unit weight.

Поставленная задача решается тем, что в батарее топливных элементов, собранных в стопку, каждый из которых содержит топливную ячейку из тонкослойного твердого электролита с электродными покрытиями на противоположных сторонах, кольцевую обойму, охватывающую топливную ячейку, и кольцевой токосъемник, содержащей также электродные камеры, вертикальные каналы для подвода-отвода восстановительного и окислительного газообразных реагентов и горизонтальные каналы для сообщения вертикальных каналов с электродными камерами, согласно изобретению, в верхней части кольцевой обоймы выполнена кольцевая расточка, в которую по периферийной области уложена топливная ячейка, в наружной стенке кольцевой обоймы равномерно выполнены четыре паза, образующие при наложении кольцевых обойм друг на друга вертикальные каналы, а в двух противоположных пазах выполнены сквозные прорези, образующие горизонтальные каналы. Боковая поверхность электродных камер образована внутренними стенками кольцевых обойм, а верхняя и нижняя поверхности одноименными электродными покрытиями соседних топливных ячеек. Кольцевые токосъемники расположены внутри каждой электродной камеры по ее периметру, контактируя с одноименными электродными покрытиями обеих топливных ячеек, и снабжены токовыводами, проходящими через стенки кольцевых обойм. The problem is solved in that the battery of fuel cells assembled in a stack, each of which contains a fuel cell made of a thin layer of solid electrolyte with electrode coatings on opposite sides, an annular cage enclosing the fuel cell, and an annular current collector, which also contains electrode chambers, vertical channels for supplying and removing reducing and oxidizing gaseous reagents and horizontal channels for communicating vertical channels with electrode chambers, according to the invention In the upper part of the annular cage, an annular bore is made in which a fuel cell is laid along the peripheral region, four grooves are uniformly made in the outer wall of the annular cage, forming vertical channels when the annular cages are superimposed on each other, and through two slots are made in two opposite grooves, forming horizontal channels. The lateral surface of the electrode chambers is formed by the inner walls of the annular cages, and the upper and lower surfaces with the same electrode coatings of adjacent fuel cells. Ring current collectors are located inside each electrode chamber along its perimeter, in contact with the same electrode coatings of both fuel cells, and are equipped with current leads passing through the walls of the ring cages.

Благодаря такому выполнению кольцевых обойм и размещению в них топливных ячеек с встречным направлением одноименных электродов, удалось организовать изолированные друг от друга электродные камеры без использования специальных разделительных элементов, при этом использована облегченная конструкция токосъемников. Thanks to this arrangement of annular cages and placement of fuel cells in them with the opposite direction of the same electrodes, it was possible to organize electrode chambers isolated from each other without the use of special dividing elements, while the lightweight design of current collectors was used.

Кроме того, для обеспечения одинакового коэффициента температурного расширения используемых элементов, кольцевая обойма выполнена из материала, который использован при изготовлении топливной ячейки. Наиболее предпочтителен диоксид циркония с добавками. In addition, to ensure the same coefficient of thermal expansion of the elements used, the annular cage is made of material that was used in the manufacture of the fuel cell. Zirconia with additives is most preferred.

Топливная ячейка может быть выполнена в форме диска, как это предложено в прототипе и в большинстве других аналогичных конструкций. Однако с точки зрения устойчивости по отношению к механическим напряжениям, возникающим при температурных расширениях материала электролита, наиболее предпочтительно выполнение топливной ячейки в форме сегмента полой сферы, при этом одноименные электродные покрытия у соседних ячеек предлагается наносить на выпуклую и вогнутую поверхности, соответственно. The fuel cell can be made in the form of a disk, as proposed in the prototype and in most other similar designs. However, from the point of view of stability with respect to mechanical stresses arising from thermal expansions of the electrolyte material, it is most preferable to make the fuel cell in the form of a segment of a hollow sphere, while it is proposed to apply the same electrode coatings on adjacent cells on a convex and concave surfaces, respectively.

Кроме того, токовыводы, кольцевых токосъемников предлагается выводить в полости вертикальных каналов, предназначенных для восстановительного реагента. In addition, current outputs, ring current collectors, it is proposed to display in the cavity of the vertical channels intended for the reducing reagent.

На фиг. 1 показан вариант отдельного топливного элемента заявляемой батареи с топливной ячейкой в виде сегмента сферы; на фиг. 2 фрагмент батареи в виде стопки из трех топливных элементов такого типа. In FIG. 1 shows a variant of a separate fuel cell of the inventive battery with a fuel cell in the form of a segment of a sphere; in FIG. 2 is a fragment of a battery in the form of a stack of three fuel cells of this type.

Каждый топливный элемент состоит из топливной ячейки 1 и кольцевой обоймы 2. Топливная ячейка 1 содержит твердый электролит 3 в форме тонкостенного сегмента полой сферы из высокотемпературной керамики, например, диоксида циркония, катодное покрытие 5, выполненное, например, напылением мангинитлантана стронция, и анодное покрытие 4 в виде напыленного слоя, например, никелевого кермета. В кольцевой обойме 2 выполнена расточка 6, на которую уложена топливная ячейка и зафиксирована, например, с помощью высокотемпературного клея. В наружной стенке кольцевой обоймы 2 выполнены четыре наружных паза 7, в противоположных пазах 7 выполнены сквозные прорези 8. При сборке используются два типа топливных ячеек, отличающихся только местонахождением одноименных электродных покрытий, т.е. у двух соседних ячеек одноименные покрытия находятся на выпуклой и вогнутой поверхностях сферических сегментов. Сборка осуществляется простым наложением снаряженных топливными ячейками 1 кольцевых обойм 2 друг на друга (фиг.2) при совмещении пазов 7, которые образуют вертикальные каналы для газообразных реагентов. Пространства между ячейками выполняют функции электродных камер, например, анодной 9 и катодной 10. Сквозные прорези 8 сообщают вертикальные каналы, образованные пазами 7 с соответствующими электродными камерами 9 или 10. При сборке соседние обоймы 2 разворачивают вокруг оси друг относительно друга на 90^o, при этом сквозные прорези 8 сообщают одноименные камеры с соответствующими им вертикальными каналами. До сборки в стопку кольцевой токосъемник 11 надежно соединяют, например спеканием, с вогнутым электродным покрытием по его наружному контуру. Высота кольцевого токосъемника 11 такова, чтобы в образованной при наложении элементов друг на друга электродной камере между электродными покрытиями осуществлялся надежный электрический контакт. Для улучшения контакта на внутреннюю поверхность токосъемника 11 наносят соответствующее электродное покрытие в виде шликера. Снятие напряжения с кольцевых токосъемников 11 осуществляется с помощью проволочных токовыводов 12. Вся стопка помещается в цилиндрический корпус 13, ограничивающий снаружи вертикальные каналы для подвода реагентов. Имеются также верхняя и нижняя крышки с патрубками для подвода и отвода реагентов, электрические вертикальные шины для соединения токовыводов (не показаны), которые принципиально не отличаются от подобных элементов, используемых в аналогичных конструкциях.Each fuel cell consists of a fuel cell 1 and an annular holder 2. The fuel cell 1 contains a solid electrolyte 3 in the form of a thin-walled segment of a hollow sphere made of high-temperature ceramics, for example, zirconia, a cathode coating 5 made, for example, by spraying strontium manginitlant, and an anode coating 4 in the form of a sprayed layer, for example, nickel cermet. In the annular holder 2, a bore 6 is made, on which the fuel cell is laid and fixed, for example, using high-temperature glue. Four outer grooves 7 are made in the outer wall of the annular ring 2, through slots 8 are made in the opposite grooves 7. Two types of fuel cells are used during assembly, differing only in the location of the same electrode coatings, i.e. in two neighboring cells, coatings of the same name are located on the convex and concave surfaces of spherical segments. The assembly is carried out by simply superimposing the annular cages 2 equipped with fuel cells 1 on top of each other (FIG. 2) while aligning the grooves 7 that form the vertical channels for gaseous reactants. The spaces between the cells act as electrode chambers, for example, anode 9 and cathode 10. Through slots 8 communicate vertical channels formed by grooves 7 with corresponding electrode chambers 9 or 10. When assembling, adjacent cages 2 are rotated around the axis by 90 ^° , when this through the slots 8 communicate the same camera with their corresponding vertical channels. Prior to assembly into a stack, the annular current collector 11 is reliably connected, for example, by sintering, with a concave electrode coating along its outer contour. The height of the annular current collector 11 is such that a reliable electrical contact is made between the electrode coatings formed when the elements are stacked on top of each other. To improve contact, the corresponding electrode coating in the form of a slip is applied to the inner surface of the current collector 11. Voltage removal from the ring current collectors 11 is carried out using wire current leads 12. The entire stack is placed in a cylindrical housing 13, delimiting externally vertical channels for supplying reagents. There are also upper and lower covers with nozzles for supplying and removing reagents, electric vertical buses for connecting current leads (not shown), which fundamentally do not differ from similar elements used in similar designs.

Токовыводы 12 через специальные отверстия в стенках кольцевых обойм 2 выводятся в вертикальные каналы, предназначенные для восстановительного реагента, что позволяет расширить выбор материалов токовыводов. Current leads 12 through special holes in the walls of the annular casing 2 are displayed in vertical channels intended for the reducing reagent, which allows to expand the choice of materials for current leads.

На фиг. 2 показаны каналы 7 для восстановительного реагента, которые с помощью сквозных прорезей 8 сообщаются с анодными камерами 9. Через один канал, например левый, в указанные камеры поступает водородсодержащий газ. Аналогично через подобный канал, развернутый относительного первого на 90^o поступает воздух в катодные камеры 10. Реагенты омывают электродные поверхности топливных ячеек и, взаимодействуя с ними при определенной температуре, обеспечивают преобразованием химической энергии в электрическую. Продукты реакции и непрореагировавшие газообразные продукты удаляются из камер 9, 10 через противоположные каналы.In FIG. 2 shows channels 7 for a reducing reagent, which, through through slots 8, communicate with anode chambers 9. Through one channel, for example, the left, hydrogen-containing gas enters these chambers. Similarly, through a similar channel, deployed relative to the first 90 ^° , air enters the cathode chambers 10. The reagents wash the electrode surfaces of the fuel cells and, interacting with them at a certain temperature, provide the conversion of chemical energy into electrical energy. The reaction products and unreacted gaseous products are removed from the chambers 9, 10 through opposite channels.

Проведенный расчет показал работоспособность заявляемой батареи топливных элементов. The calculation showed the performance of the inventive fuel cell battery.

Claims

1. A battery of fuel cells assembled in a stack, each of which contains a fuel cell made of a thin layer of solid electrolyte with electrode coatings on opposite sides, an annular cage covering the fuel cell, and an annular current collector, which also contains electrode chambers, vertical channels for supplying and discharging recovery and oxidizing gaseous reagents and horizontal channels for connecting vertical channels with electrode chambers, characterized in that in the upper part of the annular wall we made an annular bore in which a fuel cell was laid along the peripheral region, four grooves are made in the outer cylindrical wall of the annular ring evenly around the circumference along the entire length of the ring, forming vertical channels when the ring rings are superimposed on each other, and in two opposite grooves in through the radial direction, through slots are made, forming horizontal channels when ring rings are applied to each other, while the lateral surface of the electrode chambers is formed by internal Tenkai annular yokes, and the upper and lower surfaces of the electrode coatings homonymous adjacent fuel cells, and the slip rings are arranged within each electrode along its perimeter the chamber, contacting the electrode with similar coatings both fuel cells, provided with current leading and passing through the wall of the annular yokes.

2. The battery according to claim 1, characterized in that the annular ferrule is made of solid electrolyte material.

3. The battery according to claim 2, characterized in that the fuel cell is made in the form of a segment of a hollow sphere, while the same electrode coatings of adjacent cells are deposited on a convex and concave surface, respectively.

4. The battery according to claim 2, characterized in that the current outputs of the ring current collectors are displayed in vertical channels intended for the reducing reagent.