Высокотемпературная батарея топливных элементов
Изобретение относится к устройствам с твердым высокотемпературным электролитом, таким как топливные элементы, электролизеры, кислородные насосы и т.д. Технический результат заключается в упрощении сборки элементов в батарею, улучшении удельных характеристик благодаря увеличению рабочей площади элементов при том же занимаемом объеме и увеличении эффективности за счет снижения потерь напряжения на токоподводах и более равномерного распределения тока. Для этого заявленное устройство состоит из элементов, твердый электролит которых выполнен в виде двухсторонней спирали формы Архимеда, в витки вставлены плоские спирали/токоотводы, закрепленные с одной стороны электродным материалом, свободная сторона их опирается на электронопроводящую пластину, которая образует с токоподводами каналы продвижения газов, посредством этой пластины элементы соединяются в батарею. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. 
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.
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).
Устройства этой конструкции имеют низкие удельные характеристики, сложны в изготовлении - нанесении и соединении электродов. Устройства такой конструкции не могут быть большой мощности.
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).
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.
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.
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.
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.
В конкретном исполнении элементы батареи были выполнены из твердого электролита на основе двуокиси циркония (0,9ZrO 2 + 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.
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.
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%.
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.
Формула изобретения
1. Высокотемпературная батарея топливных элементов с твердым электролитом из элементов, последовательно соединенных по току и газу с центральной газоподводящей трубкой с отверстиями, отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных характеристик, твердый электролит выполнен в виде двухсторонней спирали, например Архимеда, в витки которой вставлены плоские спирали-токоотводы, закрепленные с одной стороны электропроводными материалами, свободной же стороной опирающиеся на электропроводящую пластину, образующую с токоподводами каналы продвижения газов, а с твердым электролитом смежных элементов в центральной и периферической части соединенную герметично.
2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что, с целью равномерной подачи газа, в середине центральной трубки закреплена перегородка.
3. Батарея по п.1 и 2, отличающаяся тем, что, с целью упрощения отвода реагентов, одна из газовых полостей сообщается через отверстия во внешней цилиндрической части с окружающим объемом.
РИСУНКИ
