RU2444095C1 - Electrochemical device - Google Patents
Electrochemical device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2444095C1 RU2444095C1 RU2011104526/07A RU2011104526A RU2444095C1 RU 2444095 C1 RU2444095 C1 RU 2444095C1 RU 2011104526/07 A RU2011104526/07 A RU 2011104526/07A RU 2011104526 A RU2011104526 A RU 2011104526A RU 2444095 C1 RU2444095 C1 RU 2444095C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- bipolar plate
- channels
- electrolyte
- electrodes
- Prior art date
Links
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000000565 sealant Substances 0.000 claims description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 18
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FVROQKXVYSIMQV-UHFFFAOYSA-N [Sr+2].[La+3].[O-][Mn]([O-])=O Chemical compound [Sr+2].[La+3].[O-][Mn]([O-])=O FVROQKXVYSIMQV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- XMHIUKTWLZUKEX-UHFFFAOYSA-N hexacosanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O XMHIUKTWLZUKEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- -1 oxygen ion Chemical class 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 2
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 229910002075 lanthanum strontium manganite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к конструкции блочных электрохимических устройств с твердым электролитом и может быть использовано, например, в качестве электрохимического генератора, электролизера и т.п.The invention relates to the design of block electrochemical devices with solid electrolyte and can be used, for example, as an electrochemical generator, electrolyzer, etc.
Известна блочная конструкция твердоэлектролитной батареи топливных элементов (М.В.Перфильев, А.К.Демин, Б.Л.Кузин, А.С.Липилин. Высокотемпературный электролиз газов. М., Наука. 1988. Рис.6.18, с.202-203) [1]. Каждый из топливных элементов известной батареи представляет собой набранный из дисков электролита цилиндр с системой плоских каналов, параллельных основанию цилиндра, и соединенных между собой так, что образуются два газовых пространства. На внутренние поверхности каналов нанесены электроды, на противоположные торцы элемента выведены равноименные электроды. Известная конструкция характеризуется большой плотностью упаковки. Однако во избежание большой длины электродов в каналах размеры элемента ограничены.The well-known block design of a solid electrolyte battery of fuel cells (M.V. Perfiliev, A.K. Demin, B.L. Kuzin, A.S. Lipilin. High-temperature electrolysis of gases. M., Science. 1988. Fig. 6.18, p.202 -203) [1]. Each of the fuel cells of the known battery is a cylinder composed of electrolyte disks with a system of flat channels parallel to the base of the cylinder and interconnected so that two gas spaces are formed. Electrodes are applied to the inner surfaces of the channels, and equal electrodes are brought out to opposite ends of the element. Known design is characterized by high packing density. However, in order to avoid a long electrode length in the channels, the cell sizes are limited.
Известна топливная электрохимическая ячейка (блок) (US 5770326, опубл. 1998 г.) [2], которая предназначена для изготовления блочного устройства на основе твердого электролита из соединенных между собой блоков с каналами для разноименных электродов. Разноименные электроды и газовые каналы выведены на взаимно пересекающиеся (смежные) внешние поверхности блока.Known fuel electrochemical cell (block) (US 5770326, publ. 1998) [2], which is intended for the manufacture of a block device based on solid electrolyte from interconnected blocks with channels for unlike electrodes. Unlike electrodes and gas channels are brought to mutually intersecting (adjacent) external surfaces of the block.
Общим для известного и заявленного устройств является наличие в них электродов и твердого электролита, исполнение элементов устройства в виде несущего блока, пронизанного каналами, расположенными под углом друг к другу, на стенках каналов нанесены тонкослойные покрытия.Common to the known and claimed devices is the presence of electrodes and a solid electrolyte in them, the execution of the elements of the device in the form of a carrier block pierced by channels located at an angle to each other, thin-layer coatings are applied to the channel walls.
В известном устройстве [2] твердый электролит выполнен в виде блока со стенками из твердого электролита, на которые наносятся электроды из материала с высокой электронной проводимостью. Толщина стенок блока является причиной относительно высокого внутреннего сопротивления электрохимического устройства, следовательно, большими омическими потерями напряжения. Это не позволяет снимать большие плотности тока как с единичного блока, так и со всей батареи в целом. Кроме того, механические свойства известного устройства, определяющиеся исключительно свойствами твердого электролита, достаточно низки, поскольку материал электролита хрупок и склонен к растрескиванию.In the known device [2], the solid electrolyte is made in the form of a block with walls of solid electrolyte, on which electrodes of a material with high electronic conductivity are applied. The wall thickness of the block is the reason for the relatively high internal resistance of the electrochemical device, therefore, large ohmic voltage losses. This does not allow to remove large current densities both from a single unit and from the battery as a whole. In addition, the mechanical properties of the known device, determined solely by the properties of the solid electrolyte, are quite low, since the electrolyte material is brittle and prone to cracking.
Система отбора тока от электродов в блочном устройстве из ячеек [2] является сложной и трудно реализуемой, а система подвода активных газов и отвода продуктов окисления топлива не предусмотрена.The system for collecting current from the electrodes in a block device from cells [2] is complex and difficult to implement, and a system for supplying active gases and removal of fuel oxidation products is not provided.
Задача настоящего изобретения заключается в возможности снимать большие плотности тока, как с единичного блока, так и со всего устройства в целом, а также в повышении механических свойств устройства.The objective of the present invention is the ability to remove large current densities, both from a single unit and from the entire device as a whole, as well as to increase the mechanical properties of the device.
Это достигается тем, что в заявленном устройстве, состоящем из собранных в пакет, содержащих электроды и твердый электролит единичных элементов, последние выполнены в виде несущего блока, например, в форме параллелипипеда, с расположенными под углом друг к другу каналами. На стенки каналов нанесены тонкослойные покрытия, а образованные при этом группы разных газовых каналов выведены на взаимно пересекающиеся поверхности блока. Несущие блоки единичных элементов являются пористыми и выполнены из материала одного из электродов. В качестве материала несущего топливного электрода можно использовать, например, никель с добавкой твердого электролита, а в варианте с несущим кислородным электродом, например, материал на основе манганита La-Sr. Второй вариант более предпочтителен. Твердый электролит в виде плотного покрытия и второй электрод, расположенный поверх электролита, нанесены на группу каналов одного знака, а каналы другого знака сформированы в самом несущем электроде, в качестве которого выступает внешняя поверхность блока. Последовательное соединение блоков достигается путем использования биполярного соединительного элемента, например биполярной пластины, которая смонтирована в месте стыковки единичных элементов с возможностью контакта с катодом и анодом соединяемых смежных элементов. Электроды топливных элементов выполнены из материалов с высокой диффузионной проницаемостью по отношению к активным компонентам и продуктам реакций, протекающих на этих электродах.This is achieved by the fact that in the claimed device, consisting of individual elements assembled in a package containing electrodes and a solid electrolyte, the latter are made in the form of a carrier block, for example, in the form of a parallelepiped, with channels located at an angle to each other. Thin-layer coatings are applied to the channel walls, and the groups of different gas channels formed in this way are brought to mutually intersecting block surfaces. The bearing blocks of individual elements are porous and made of the material of one of the electrodes. As the material of the carrier fuel electrode, for example, nickel with the addition of a solid electrolyte can be used, and in the case of the carrier oxygen electrode, for example, La-Sr manganite-based material. The second option is more preferable. A solid electrolyte in the form of a dense coating and a second electrode located on top of the electrolyte are deposited on a group of channels of one sign, and channels of another sign are formed in the carrier electrode itself, which is the outer surface of the block. The serial connection of the blocks is achieved by using a bipolar connecting element, for example a bipolar plate, which is mounted at the junction of single elements with the possibility of contact with the cathode and anode of connected adjacent elements. The electrodes of the fuel cells are made of materials with high diffusion permeability with respect to the active components and reaction products that occur on these electrodes.
Использование толстого несущего электрода из материала с высокой электропроводностью и биполярной пластины для электрического соединения элементов позволяет существенно снизить потери напряжения при отборе тока с электродов и, в частности, при последовательном соединении единичных элементов.The use of a thick carrier electrode of a material with high electrical conductivity and a bipolar plate for electrical connection of the elements can significantly reduce voltage losses during the selection of current from the electrodes and, in particular, in series connection of single elements.
Кроме того, для обеспечения центровки единичных элементов между собой и с крышками, повышения механических характеристик устройства и облегчения сборки устройства по периметру биполярной пластины снизу и сверху имеются бортики. Для обеспечения электрического последовательного соединения единичных элементов по периметру блока с одной его стороны имеются выступы.In addition, to ensure the alignment of individual elements between themselves and with covers, to increase the mechanical characteristics of the device and to facilitate the assembly of the device around the perimeter of the bipolar plate, there are sides at the top and bottom. To ensure electrical serial connection of individual elements around the perimeter of the block on one side there are protrusions.
При изготовлении электрохимического устройства очень важно обеспечить надежное разделение прианодного и прикатодного газовых пространств, особенно в случае использования несущего пористого электрода. Для этого предлагается использовать нанесение пленки электролита на определенные участки электродов и использование стеклогерметиков в местах контакта пленок с биполярной пластиной. Это можно реализовать путем нанесения на торец выступа несущего пористого электрода в месте его контакта с биполярной пластиной слоя электролита, а между этим слоем и биполярной пластиной разместить слой стеклогерметика.In the manufacture of an electrochemical device, it is very important to ensure reliable separation of the anode and cathode gas spaces, especially in the case of using a supporting porous electrode. To do this, it is proposed to use the deposition of an electrolyte film on certain sections of the electrodes and the use of glass sealants at the points of contact of the films with a bipolar plate. This can be realized by applying a supporting porous electrode to the end face of the protrusion at the place of its contact with the bipolar plate of the electrolyte layer, and place a layer of glass sealant between this layer and the bipolar plate.
Подобная же проблема возникает в месте контакта электрода противоположного знака с биполярной пластиной. Здесь необходимо разделить электроды и изолировать пористый несущий электрод от биполярной пластины при сохранении центровки единичного элемента и достаточного механического сцепления единичного элемента с биполярной пластиной. Эта задача решается путем нанесения слоя электролита не только на торцевую часть пористого электрода, но также и на его внешнюю сторону до газоплотного соединения с изолятором-уплотнителем, который находится в выточке бортика биполярной пластины.A similar problem arises at the point of contact of an electrode of the opposite sign with a bipolar plate. Here it is necessary to separate the electrodes and isolate the porous carrier electrode from the bipolar plate while maintaining the alignment of the unit cell and sufficient mechanical adhesion of the unit cell to the bipolar plate. This problem is solved by applying an electrolyte layer not only on the end part of the porous electrode, but also on its outer side to a gas-tight connection with an insulator-sealant, which is located in the undercut of the bipolar plate side.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в снижении потерь напряжения в электролите, электродах и токоотводах, а также в снижении влияния материала твердого электролита на механические свойства электрохимического устройства.A new technical result achieved by the claimed invention is to reduce voltage losses in the electrolyte, electrodes and down conductors, as well as to reduce the influence of the solid electrolyte material on the mechanical properties of the electrochemical device.
На чертеже представлен общий вид предлагаемого устройства.The drawing shows a General view of the proposed device.
Твердоэлектролитное электрохимическое устройство (батарея топливных элементов) состоит из n последовательно соединенных единичных элементов (на представленном рисунке показано соединение двух единичных элементов). Каждый единичный элемент 1, 2 выполнен в виде несущего пористого блока 3 из материала одного из электродов (катодного или анодного), например, на основе манганита La-Sr. Блок 3 пронизан каналами 4 и 5, расположенными перпендикулярно один к другому. На стенки каналов 5 нанесены тонкослойные покрытия 6 и 7 одно поверх другого - соответственно слой твердого электролита 6 и затем слой положительного электрода 7. В результате образуются группы разноименных газовых каналов, которые выведены на взаимно пересекающиеся (смежные) поверхности блока 3. На рисунке стрелками показано направление осей каналов. С направлениями осей каналов совпадает направление газовых потоков в этих каналах, т.е., например, для топливных элементов - это водород и атмосферный воздух. Разноименные электроды выведены также на смежные поверхности блока. Биполярная пластина 8, на которую выведены катод и анод смежных элементов, обеспечивает последовательное электрическое соединение единичных элементов и разделение их газовых пространств.A solid electrolyte electrochemical device (fuel cell battery) consists of n unit cells connected in series (the figure shows the connection of two unit cells). Each single element 1, 2 is made in the form of a bearing porous block 3 of the material of one of the electrodes (cathode or anode), for example, based on La-Sr manganite. Block 3 is penetrated by channels 4 and 5 located perpendicular to one another. Thin-layer coatings 6 and 7 are applied on the walls of channels 5 on top of each other, respectively a layer of solid electrolyte 6 and then a layer of positive electrode 7. As a result, groups of unlike gas channels are formed, which are displayed on mutually intersecting (adjacent) surfaces of block 3. In the figure, arrows show channel axis direction. With the directions of the axes of the channels, the direction of the gas flows in these channels coincides, i.e., for example, for fuel cells it is hydrogen and atmospheric air. Unlike electrodes are also displayed on adjacent surfaces of the block. The bipolar plate 8, on which the cathode and anode of adjacent elements are brought out, provides a serial electrical connection of individual elements and the separation of their gas spaces.
Токосъемник 9 обеспечивает электрическое соединение несущего электрода 3 с биполярной пластиной и размещается в специальной выточке в бортике биполярной пластины 8. Он представляет собой высокоэлектропроводную зернистую замазку, например, содержащую грубозернистый манганит лантана-стронция и мелкозернистую закись меди. Возможно использование для этих целей других композитных материалов с высокой электронной проводимостью. Сверху токосъемник закрыт тугоплавкой замазкой 10.The current collector 9 provides an electrical connection of the carrier electrode 3 with the bipolar plate and is placed in a special recess in the rim of the bipolar plate 8. It is a high-conductivity granular putty, for example, containing coarse-grained lanthanum-strontium manganite and fine-grained copper oxide. It is possible to use for these purposes other composite materials with high electronic conductivity. The current collector is closed by a refractory putty 10.
Тонкий газоплотный (в процессе изготовления эластичный) слой 11 в комбинации с пленкой электролита, продолженной до покрытия торца несущего электрода 3, обеспечивает необходимое разделение газовых пространств на стыке несущего пористого электрода с биполярной пластиной 8. Изолятор-уплотнитель 12, заложенный в специальную выточку в бортике биполярной пластины 8, в комбинации с тонким слоем электролита, продолженного в зону расположения изолятора-уплотнителя, обеспечивает разделение газовых пространств электродов и на этом участке модуля, а также изолирует несущий электрод от биполярной пластины. Крайние блоки закрываются крышками 13 и 14 с газоподводными трубками 15 и 16, по которым поступает и отводится один из рабочих газов. Металлические детали соединяются между собой путем использования аргонно-дуговой сварки 17.A thin gas-tight (during the manufacturing process elastic) layer 11 in combination with an electrolyte film, continued to cover the end of the supporting electrode 3, provides the necessary separation of gas spaces at the junction of the supporting porous electrode with a bipolar plate 8. Insulator-seal 12 embedded in a special recess in the side bipolar plate 8, in combination with a thin layer of electrolyte, continued into the zone of location of the insulator-sealant, provides the separation of the gas spaces of the electrodes in this section of the module, and also isolates the carrier electrode from the bipolar plate. The extreme blocks are closed by covers 13 and 14 with gas supply tubes 15 and 16, through which one of the working gases is supplied and discharged. Metal parts are interconnected by using argon-arc welding 17.
Заявленное устройство работает следующим образом. Перед началом работы батарея разогревается до рабочей температуры, например, с помощью разогретого воздуха, пропускаемого по отрицательным каналам 4 батареи. При этом для предотвращения окисления положительного (топливного) электрода 7 по каналам 5 пропускается газ-восстановитель. По достижении рабочей температуры между электродами 3 и 7 одного топливного элемента 1 возникает ЭДС. Поскольку топливные элементы 1, 2 батареи соединены последовательно, возникает суммарная ЭДС, величина которой пропорциональна количеству элементов в батарее. Подключая внешнюю нагрузку (на рисунке не показана), от батареи можно отбирать электрический ток различной мощности, вплоть до оптимальной, на которую рассчитана батарея.The claimed device operates as follows. Before starting work, the battery is heated to operating temperature, for example, using heated air passing through the negative channels 4 of the battery. In order to prevent oxidation of the positive (fuel) electrode 7, a reducing gas is passed through the channels 5. Upon reaching the operating temperature between the electrodes 3 and 7 of one fuel cell 1, an EMF occurs. Since the fuel cells 1, 2 of the battery are connected in series, a total emf occurs, the magnitude of which is proportional to the number of cells in the battery. By connecting an external load (not shown in the figure), an electric current of various capacities can be taken from the battery, up to the optimal one for which the battery is designed.
В процессе работы устройства на отрицательном (кислородном) электроде 3 происходит ионизация кислорода с образованием иона кислорода, который проходит через слой твердого электролита 6, обладающего кислород-ионной проводимостью, достигает положительного электрода 7 этого же топливного элемента и окисляет горючие составляющие газов, т.е. водород и окись углерода, входящие в состав топливной смеси, с образованием соответственно паров воды и двуокиси углерода. Для обеспечения высокой диффузионной проницаемости активных компонентов и продуктов реакции, протекающих на электродах, последние должны быть выполнены из пористых материалов.In the process of operation of the device on the negative (oxygen) electrode 3, oxygen is ionized with the formation of an oxygen ion, which passes through a layer of solid electrolyte 6 having oxygen-ion conductivity, reaches the positive electrode 7 of the same fuel cell and oxidizes the combustible components of the gases, i.e. . hydrogen and carbon monoxide, which are part of the fuel mixture, with the formation of water vapor and carbon dioxide, respectively. To ensure high diffusion permeability of the active components and reaction products proceeding on the electrodes, the latter should be made of porous materials.
Пример 1. В качестве материала отрицательного (кислородного) электрода 3 взят смешанный манганит лантата стронция, а материалом положительного (топливного) электрода 7 служит электродная масса на основе никеля, например никель с добавлением твердого электролита.Example 1. As the material of the negative (oxygen) electrode 3, mixed strontium lantate manganite is taken, and the material of the positive (fuel) electrode 7 is an electrode mass based on nickel, for example, nickel with the addition of a solid electrolyte.
Пример 2. В качестве твердого электролита 6 использован материал с высокой протонной проводимостью, например церат бария или церат стронция, в качестве положительного (топливного) электрода 7 взят сплав серебра с палладием, а отрицательный (кислородный) электрод 3 может быть изготовлен из манганита лантана стронция,Example 2. As a solid electrolyte 6, a material with high proton conductivity was used, for example, barium cerate or strontium cerate, silver alloy with palladium was taken as positive (fuel) electrode 7, and negative electrode (oxygen) 3 could be made of strontium lanthanum manganite ,
Возможность практической реализации предлагаемого электрохимического устройства обусловлена следующим. Несущий пористый электрод, например, из смеси порошков стабилизированного диоксида циркония и металлического никеля в форме пластин и трубок уже опробован в практике проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию электрохимических устройств с твердым оксидным электролитом. Эти электроды обычно используются в топливных элементах.The possibility of practical implementation of the proposed electrochemical device is due to the following. The supporting porous electrode, for example, from a mixture of powders of stabilized zirconium dioxide and metallic nickel in the form of plates and tubes, has already been tested in the practice of conducting research and development work on the creation of electrochemical devices with solid oxide electrolyte. These electrodes are commonly used in fuel cells.
Кислородные электроды, например, на основе перовскитоподобных материалов также находят практическое использование как в качестве несущих, так и в качестве тонких электродов, нанесенных на поверхности тонкослойного или несущего твердого электролита, в частности электролита блочного типа, используемого в ИВТЭ УрО РАН.Oxygen electrodes, for example, based on perovskite-like materials also find practical use both as carrier and as thin electrodes deposited on the surface of a thin-layer or carrier solid electrolyte, in particular, a block-type electrolyte used in the IHTE UB RAS.
Основываясь на результатах НИР и ОКР, выполненных в ИВТЭ УрО РАН, использование устройств с тонкослойным (пленочным) электролитом может дать следующие ожидаемые результаты.Based on the results of research and development performed at the IHTE UB RAS, the use of devices with a thin-layer (film) electrolyte can give the following expected results.
Оптимальное напряжение электрического тока на единичном элементе при отборе тока обычно принимается равным 0,7 В при ЭДС разомкнутой цепи, составляющей в среднем 1,0-1,1 В. Общеизвестные потери напряжения при отборе электрического тока связаны со следующими основными причинами: потери напряжения на омическом сопротивлении электролита, потери, связанные с поляризацией электродов и омические потери напряжения на электродах и токоотводах.The optimal voltage of an electric current on a single element during current selection is usually taken equal to 0.7 V for an open-circuit emf of an average of 1.0-1.1 V. Well-known voltage losses during the selection of electric current are associated with the following main reasons: voltage losses at ohmic resistance of the electrolyte, losses associated with the polarization of the electrodes and ohmic voltage losses at the electrodes and down conductors.
Принимаем толщину обычно используемого твердого электролита ZrO2+Y2O3, равной 0,1 мм, рабочую температуру элемента - 900÷920°С, удельную электропроводность электролита при этой температуре, равной 5.0·10-2 Ом-1·см-1. Нетрудно подсчитать, что омическое сопротивление 1 см2 электролита при этом составляет 0,2 Ом. Принимая, далее, что омическое падение напряжения на электролите составляет 0,1 В, для величины плотности тока получаем значениеWe take the thickness of the commonly used solid ZrO 2 + Y 2 O 3 electrolyte equal to 0.1 mm, the cell operating temperature is 900 ÷ 920 ° C, the electrolyte specific conductivity at this temperature is 5.0 · 10 -2 Ohm -1 · cm -1 . It is easy to calculate that the ohmic resistance of 1 cm 2 of electrolyte is 0.2 Ohms. Further, assuming that the ohmic voltage drop across the electrolyte is 0.1 V, we obtain the value for the current density
Это достаточно высокая плотность тока. Однако, основываясь на имеющихся в ИВТЭ УрО РАН экспериментальных данных, при такой плотности тока вполне допустимо, что суммарные поляризационные потери напряжения на электродах не будут превышать 0,1 В.This is a fairly high current density. However, based on the experimental data available at the IHTE UB RAS, at such a current density it is quite acceptable that the total polarization voltage loss at the electrodes will not exceed 0.1 V.
Принимая во внимание использование толстостенного несущего пористого электрода и биполярной пластины в системе токоотвода, позволяющее существенно снизить потери напряжения на электродах и токоотводах, есть основание полагать, что и здесь удастся вписаться в величину потерь напряжения, не превышающую 0,1 В.Taking into account the use of a thick-walled supporting porous electrode and a bipolar plate in the collector system, which can significantly reduce the voltage loss at the electrodes and collectors, there is reason to believe that here it will be possible to fit into the value of the voltage loss not exceeding 0.1 V.
Таким образом, имеются достаточные основания считать, что общие потери напряжения не будут превышать 0,3 В при плотности тока не менее 0,5 А/см2 (0,35 Вт/см2). Возможно, что при практической реализации заявленного изобретения могут быть достигнуты и значительно более высокие результаты, но и при плотностях тока на уровне 0,5 А/см2 предлагаемое электрохимическое устройство (например, батарея топливных элементов) будет иметь относительно высокие показатели.Thus, there is sufficient reason to believe that the total voltage loss will not exceed 0.3 V at a current density of at least 0.5 A / cm 2 (0.35 W / cm 2 ). It is possible that in the practical implementation of the claimed invention, significantly higher results can be achieved, but even at current densities of 0.5 A / cm 2, the proposed electrochemical device (for example, a fuel cell battery) will have relatively high rates.
В Институте уже в течение нескольких лет ведутся работы по использованию блочных несущих твердых электролитов в различных электрохимических устройствах. Так, разработаны электрохимические генераторы мощностью до 600 Вт, электролизеры для получения кислорода из воздуха с различной проводимостью и другие устройства.For several years, the Institute has been working on the use of block bearing solid electrolytes in various electrochemical devices. So, electrochemical generators with a power of up to 600 W, electrolyzers for producing oxygen from air with different conductivity, and other devices have been developed.
Задействованный несущий твердый электролит в таких устройствах имеет площадь электродов от 17 до 30 см2 (чаще всего 26 см2). Если в электрохимическом генераторе использовать такой же по размерам блок, но изготовленный в соответствии с предлагаемым решением, его мощность составит примерно 9 Вт, мощность 10-элементного модуля - 90 Вт, а батарея топливных элементов мощностью 1,0 кВт будет состоять всего из 11÷12 модулей. При этом вес электрохимической части такого генератора составит всего 1,8-2,0 кг. Это очень высокие показатели, которые могут быть достигнуты без применения драгметаллов.The active solid electrolyte involved in such devices has an electrode area of 17 to 30 cm 2 (most often 26 cm 2 ). If you use a block of the same size in the electrochemical generator, but made in accordance with the proposed solution, its power will be approximately 9 W, the power of the 10-cell module will be 90 W, and the fuel cell battery with a power of 1.0 kW will consist of only 11 ÷ 12 modules. The weight of the electrochemical part of such a generator will be only 1.8-2.0 kg. These are very high indicators that can be achieved without the use of precious metals.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011104526/07A RU2444095C1 (en) | 2011-02-08 | 2011-02-08 | Electrochemical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011104526/07A RU2444095C1 (en) | 2011-02-08 | 2011-02-08 | Electrochemical device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2444095C1 true RU2444095C1 (en) | 2012-02-27 |
Family
ID=45852430
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011104526/07A RU2444095C1 (en) | 2011-02-08 | 2011-02-08 | Electrochemical device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2444095C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2495854C1 (en) * | 2012-04-03 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Cerium oxide and barium cerate based solid electrolyte |
| RU2560078C1 (en) * | 2014-08-26 | 2015-08-20 | Борис Тимофеевич Таразанов | Single block solid oxide fuel element and thereof-based electrochemical generator battery |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5770326A (en) * | 1996-12-23 | 1998-06-23 | Limaye; Santosh Y. | Monolithic mass and energy transfer cell |
| WO2002089240A1 (en) * | 2001-04-23 | 2002-11-07 | Nok Corporation | Fuel cell and method of manufacturing the fuel cell |
| US20030203271A1 (en) * | 2002-04-24 | 2003-10-30 | The Regents Of The University Of California | Microfluidic fuel cell systems with embedded materials and structures and method thereof |
| RU2008116629A (en) * | 2005-09-28 | 2009-11-10 | Дзе Велдинг Инститьют (Gb) | FUEL ELEMENT ASSEMBLY |
-
2011
- 2011-02-08 RU RU2011104526/07A patent/RU2444095C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5770326A (en) * | 1996-12-23 | 1998-06-23 | Limaye; Santosh Y. | Monolithic mass and energy transfer cell |
| WO2002089240A1 (en) * | 2001-04-23 | 2002-11-07 | Nok Corporation | Fuel cell and method of manufacturing the fuel cell |
| US20030203271A1 (en) * | 2002-04-24 | 2003-10-30 | The Regents Of The University Of California | Microfluidic fuel cell systems with embedded materials and structures and method thereof |
| RU2008116629A (en) * | 2005-09-28 | 2009-11-10 | Дзе Велдинг Инститьют (Gb) | FUEL ELEMENT ASSEMBLY |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2495854C1 (en) * | 2012-04-03 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Cerium oxide and barium cerate based solid electrolyte |
| RU2560078C1 (en) * | 2014-08-26 | 2015-08-20 | Борис Тимофеевич Таразанов | Single block solid oxide fuel element and thereof-based electrochemical generator battery |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Uchida et al. | Polarization at Pt electrodes of a fuel cell with a high temperature-type proton conductive solid electrolyte | |
| US3993653A (en) | Cell for electrolysis of steam at high temperature | |
| US20250286086A1 (en) | Method for making a soec/sofc-type solid oxide stack and associated stack | |
| US9608285B2 (en) | Stack for a solid oxide fuel cell using a flat tubular structure | |
| CN107431216A (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell pack | |
| CN108463913B (en) | Conductive member, cell stack, module, and module housing device | |
| EP3588644B1 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
| JP6880178B2 (en) | Water Electrolytic Reactor (SOEC) or Fuel Cell (SOFC) with increased proportions in either steam or fuel use | |
| RU2444095C1 (en) | Electrochemical device | |
| CN101595588B (en) | Solid oxide fuel cell | |
| KR20120012262A (en) | Flat Solid Oxide Cell Stack | |
| CN203871424U (en) | Solid oxide fuel battery pack based on monolithic electrolyte | |
| CN109964350A (en) | Electrochemical reaction unit, electrochemical reaction battery, and method of making electrochemical reaction unit | |
| CN103956504A (en) | Single-sheet electrolyte solid oxide fuel battery pack | |
| AU722980B2 (en) | High-temperature fuel cell | |
| JPH11121019A (en) | Electrochemical cell and electrochemical device | |
| RU2846382C1 (en) | Assembly unit of solid oxide fuel cell on perforated metal base of planar type and interconnector | |
| JPH03238758A (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
| JPH0294365A (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
| JPH0722058A (en) | Flat solid electrolyte fuel cell | |
| RU2556888C1 (en) | Electrochemical energy converter | |
| RU2502158C2 (en) | Manufacturing method of electrochemical energy converter, and electrochemical energy converter | |
| RU152463U1 (en) | HIGH-TEMPERATURE ELECTROCHEMICAL OXYGEN ELECTROLYZER BATTERY | |
| RU1840836C (en) | Cell battery | |
| RU151307U1 (en) | UNIT BLOCK FUEL ELEMENT |