Батарея элементов электрохимического устройства
Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом. Техническим результатом изобретения является улучшение удельных характеристик и увеличение срока службы. Согласно изобретению предлагается батарея элементов с твердым высокотемпературным электролитом из элементов цилиндрической формы, электроизоляционными слоями и разноименными электродами на торцах, соединенных механически и электрически. Твердый электролит выполнен с каналами для разноименных электродов, а электроизоляционный слой расположен под электродным материалом в местах соединения элементов. 1 ил.
Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом и может быть использовано при изготовлении источников тока (топливных элементов), систем жизнеобеспечения, 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 газу (H.H.Möbius «Zur Entwicklung der Elektrochemie mit Festelektrolyten», Chemische Geselschaft, 21 Jahrgang, 
2, 8, 1974, 177-182).
Устройства этой конструкции имеют низкие удельные характеристики, сложно решается вопрос по нанесению внутренних электродов, коммутации элементов, токосъемов и не могут иметь значительной мощности.
Из известных конструкций батарей наиболее близкой является батарея из блоков твердого электролита с каналами для разноименных электродов, расположенными под углом друг к другу, соединенных последовательно по току и газу путем стыковки блоков между собой, и имеющая крышки с газоотводящими трубками.
Прямоугольная форма блоков приводит к неравномерной усадке твердого электролита в процессе высокотемпературного спекания, что ведет к искривлению боковых стенок блока и большому количеству брака. Кроме того, две боковые стенки конструктивно ослаблены, что приводит к появлению трещин, к потере герметичности и выходу из строя всего устройства. К недостаткам нужно отнести и герметизацию мест сочленения блоков посредством заплавления специальными стеклами, т.к. последние при высоких рабочих температурах находятся в полужидком состоянии, не могут обеспечить механической прочности батареи, которая быстро теряет герметичность. Кроме того, большое количество герметизирующих стеклянных швов на 10÷15 процентов увеличивает длину самой батареи. Электрическая коммутация элементов в батарею осуществляется проволочными токоподводами, проходящими через стеклянный шов, что значительно затрудняет сборку, приводит к ненужным потерям напряжения на самих проводничках до 20 процентов, к нерациональному распределению тока по поверхности электродов, к разогреву проволочек, который приводит к местному перегреву стекла-герметика и возникновению пузырьков и течей батареи вблизи коммутации. Все перечисленные недостатки снижают удельные характеристики батарей и значительно сокращают срок их службы.
Целью настоящего изобретения является батарея, лишенная перечисленных недостатков.
Указанная цель достигается благодаря изготовлению элементов цилиндрической формы и выводу разноименных электродов на противоположные электроизолированные торцы цилиндров. Герметичное сочленение элементов в батарею и одновременная электрическая коммутация их осуществляется по торцам цилиндров через материал электродов.
Цилиндрическая форма элементов обеспечивает более равномерное спекание, уменьшает количество брака по форме. Более прочные стенки элементов увеличивают надежность работы батареи. Отсутствие стеклянных швов в сочленениях, кроме увеличения прочности и надежности работы батареи приводит к улучшению удельных характеристик, т.к. герметизация идет по торцу и не удлиняет, не усложняет батарею дополнительными бортиками или конусностью элементов, необходимых для стеклянного шва. Проще осуществляется и коммутация элементов в батарею, что приводит к более равномерному распределению тока, улучшению характеристик и увеличению срока службы батареи.
На чертеже приведен общий вид батареи из элементов 1, которая имеет крышки 2 с газоподводящими трубками 3. В сечении элементов хорошо видны газовые каналы, образованные твердым электролитом 4 (0,9ZrO2+0,1Sc 2O3), заштрихованы точками) и разноименные платиновые электроды 5 и 6, выведенные на торцы элементов, осуществляющие герметизацию шва 7 и электрическую коммутацию. Непосредственно под электродами на торцах элементов находятся слои 8 электроизоляционной конструкционной керамики на основе двуокиси циркония толщиной около 0,1 мм (заштрихованы черным цветом). На чертеже не изображены электроды, нанесенные на газовые каналы внутри элементов.
Пары воды (можно углекислый газ или его смесь с парами воды) подают через газоподводящую трубку внутрь батареи, разогретой до температуры 800÷1100°C. При пропускании постоянного тока через батарею последовательно соединенных элементов (электролизер) пары воды разлагаются до водорода и кислорода. Последний выделяется на наружной поверхности батареи, а водород удаляется через вторую трубку. При замене электродов и смене полярности пропускаемого тока, возможна подача паров воды снаружи батареи. В этом случае для отбора кислорода из внутренней полости батареи достаточно одной газоотводящей трубки.
Испытания показали надежность предлагаемой конструкции батареи в процессе длительной эксплуатации. Такие батареи могут использоваться как источники тока, так и электролизеры в системах жизнеобеспечения в наземных, подводных и космических кораблях, а также для получения водорода при решении задачи водородной энергетики.
Формула изобретения
Батарея элементов электрохимического устройства с твердым высокотемпературным электролитом из элементов цилиндрической формы, электроизоляционными слоями и разноименными электродами на торцах, соединенных механически и электрически, отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных характеристик и увеличения срока службы, твердый электролит выполнен с каналами для разноименных электродов, а электроизоляционный слой расположен под электродным материалом в местах соединения элементов.
РИСУНКИ
