Способ сборки элементов
Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам с твердооксидным электролитом. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии и повышение КПД. Согласно изобретению способ сборки элементов включает плоскопараллельное шлифование элементов, нанесение электродов с выводом их на противоположные торцы, припекание и соединение под давлением с последующим высокотемпературным нагревом. Перед нанесением электродов на торцы наносят электроизоляционный слой, устанавливают платиновые кольца токоотводов, нагревают до температуры плавления изоляционного слоя, а соединение осуществляют при температуре 800-1000°C. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом и может быть использовано при изготовлении источников тока (топливных элементов), систем жизнеобеспечения, для получения кислорода, электролизеров, для водородной энергетики, кислородных насосов, датчиков для промышленности и метрологии и т.д.
Известны способы сборки элементов в батарею электрохимического устройства путем стыковки элементов друг с другом, электрического соединения электродов соседних элементов припеканием сеток, проволочек и герметизации мест стыковки специальными высокотемпературными замазками и стеклами ( авт. свид. СССР 
1825250).
Устройства, собранные таким способом, имеют низкие эксплуатационные характеристики. Из-за размягчения замазок и стекол при рабочих температурах практически отсутствует механическая прочность батарей в местах соединений. Неравномерность толщины швов при длительных сроках службы устройств (1000 и более часов) приводит к потере герметичности и батарея выходит из строя. Коммутация элементов проволочками приводит к потерям напряжения на них, к неравномерностям распределения тока из-за точечного коллектора и к местным разогревам герметика, которым залиты проволочки-токоподводы из-за выделения на них тепла при прохождении тока. Все это ведет к снижению удельных характеристик и выходу в конечном итоге устройства из строя.
Наиболее близким по технической сущности решением (прототипом) является способ соединения элементов электрохимического устройства в батарею путем плоскопараллельного шлифования торцов элементов, нанесения электродов с выходом разноименных электродов на противоположные торцы, припекания электродов и соосного соединения элементов в батарею путем высокотемпературного нагрева 1100-1300°С и сжатия вдоль оси с удельным усилием 0,1-5,0 кг/мм2 (авт. свид. СССР 1840834).
Устройства, собранные этим способом, не могут достаточно эффективно работать в режиме электролиза, поскольку электроды, наносимые на электролитные торцы элементов, создают в местах соединения короткозамкнутые топливные элементы, что приводит к самопроизвольному перекачиванию кислорода в сторону меньшего парциального давления, тем самым уменьшая выход кислорода (водорода) по току. Для того чтобы избежать указанного эффекта, металл, соединяющий элементы, не должен иметь электрической связи с твердым электролитом. При коммутации элементов проволоками и герметизации мест стыковки высокотемпературными стеклами изоляция проволок от твердого электролита достигается либо просто затеканием стекла в зазоры, что, однако, не дает 100% гарантии отсутствия контакта, либо специально изготовленными керамическими кольцами, при этом отсутствие контакта гарантируется конструктивно. Однако при этом увеличивается объем, вес устройства и увеличивается в три раза длина паяных стеклом швов, что существенно снижает надежность. В способе-прототипе к электроизоляции должны предъявляться еще более высокие требования, поскольку он предназначен для сборки элементов с распределенным контактом, тем более в случае соединения через электродный материал, значительно возрастает площадь, где необходимо отделять металл от электролита. Кроме того, электроизоляционный слой не должен влиять на плоскопараллельность торцов элементов.
Целью настоящего изобретения является способ сборки электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом, позволяющий увеличить их КПД без значительного усложенения технологии сборки.
Поставленная цель достигается тем, что на плоскопараллельно отшлифованные торцы элементов наносится тонкий слой электроизоляционного материала, устанавливают токосъемы в виде платиновых колец под небольшим усилием сжатия и при обеспечении плоскопараллельности, нагревают до температуры на 10-60° выше температуры плавления электроизоляционного материала. После данной операции одно кольцо токосъема завальцовывают вовнутрь элемента, другое - по внешнему периметру элемента, затем наносят электроды, припекают их и осуществляют соединение элементов в батарею путем диффузионной сварки платиновых колец между собой, либо платинового кольца с электроизоляционным слоем в случае, если элемент готовить только с одним кольцом.
Пример.
На плоскопараллельные отшлифованные торцы трубчатых элементов из твердого электролита состава 0,91ZrO2 + 0,095Sc2O наносили электроизоляционный слой в виде тонкоизмельченной суспензии (пасты). Материал электроизоляционного слоя имел состав 70 вес.% талька и 30 вес.% окиси бария. Затем каждый элемент устанавливали на платиновое кольцо, лежащее на плоской алундовой пластине, накрывали сверху вторым кольцом и плоской алундовой пластиной с небольшим грузом, обеспечивающим плоскопараллельное приклеивание колец токосъемов, и производили нагрев до 1230°C с выдержкой в 15 минут. После обжига платину завальцовывали с одной стороны элемента по внутреннему, с другой - по внешнему периметру трубки. Затем на внутреннюю и внешнюю поверхности трубок наносили платиновые электроды из паст, обеспечивая контакт каждого электрода со своим кольцом, и припекали при 1100°C. Окончательно сборку батареи из трубчатых элементов производили путем соосного сжатия с усилием 1-1,5 кг/мм2 при температуре 800-1000°C в течение часа. (Температура и давление обусловлены достаточной для сварки пластичностью платины).
Батареи, собранные по предлагаемому способу, позволяют производить электролиз воды со 100% выходом кислорода (водорода) по току. При длине трубчатого элемента 2 см, внешнем диаметре 1 см и толщине стенки 0,1 см введение электроизоляционного слоя позволило увеличить выход кислород по току с 85 до 100%. Кроме того, соединение элементов путем диффузионной сварки платиновых колец позволило снизить температуру окончательной сборки до 800°C.
Формула изобретения
1. Способ сборки элементов в батарею путем плоскопараллельного шлифования торцов элементов, нанесения электродов с выводом их на противоположные торцы, припекания и соединения под давлением с последующим высототемпературным нагревом всех элементов, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса, перед нанесением электродов на торцы наносят электроизоляционный слой, устанавливают платиновые кольца токоотводов, нагревают до температуры выше температуры плавления электроизоляционного слоя на 10-60°C, а окончательное соединение осуществляют при температуре 800-1000°C.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроизоляционный слой имеет состав 70 вес.% талька и 30 вес.% окиси бария.
3. Способ по п.1, 2, отличающийся тем, что соединение электроизоляционного слоя с твердым электролитом и платиновыми кольцами осуществляется при температуре 1210-1260°C в течение 15-30 мин.
