Способ соединения элементов в батарею

 

Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом. Техническим результатом изобретения является повышение удельных характеристик и надежности. Согласно изобретению способ включает сжатие шлифованных торцов элементов удельным давлением 0,1-3,0 кг/мм² , нагрев до температуры 900-1400°C со скоростью 200-500°C в час, выдержку в течение 15-60 мин и охлаждение с той же скоростью.

Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом, преимущественно на основе двуокиси циркония и может быть использовано при изготовлении источников тока (топливных элементов), систем жизнеобеспечения, электролизеров для водородной энергетики, кислородных насосов и т.д.

Известен способ соединения элементов с помощью специального сплава на основе золота (Archer D.H., Sverdrup E.F., Zahradnik R.L., Ch. Energ. Progr., 1964, v.60, p.64). Элементы с нанесенными электродами собирают в столбик, вставляя узкий конец в расширенный конец соседнего элемента. Затем в места соединения наносят приготовленную металлическую пасту специального сплава, который предварительно был сплавлен, а затем измельчен. После этого батарею нагревают до температуры расплавления пасты.

Этот способ не нашел широкого применения из-за неоправданно большого расхода дорогостоящего сплава, который необходимо специально готовить, из-за ненадежности герметизации, требующей повторных заплавлений, из-за недостаточного срока службы устройств (кристаллизация сплава). При использовании этого способа конструкция элементов усложняется дополнительными бортиками, канавками, конусностью для затекания сплава. При этом рабочая температура устройства ограничивается температурой плавления сплава.

Более широко применяется способ соединения элементов с помощью специальных стекол, которые создают механическое крепление и герметизацию батареи. Этот способ предполагает электрическое соединение элементов осуществлять проволочками, проходящими сквозь стекло шва. Этот способ более дешев из-за отсутствия дорогостоящего сплава, но он также имеет недостатки.

При высоких рабочих температурах стекла находятся в полужидком состоянии и не могут обеспечить достаточной механической прочности батареи. Да и сам процесс варки стекол, их измельчения и приготовления замазок требует дополнительного оборудования и занимает много времени и труда. Электрическая коммутация элементов проволочками, кроме трудоемкости: необходимо проволочки предварительно припечь к электродам, затем собрать батарею и соединить, приводит еще к дополнительным потерям напряжения как на самих проволочках, так и за счет неравномерного распределения плотности тока по поверхности электродов. Это ведет к разогреву проволочек, разжижению вблизи них стекла и к потере герметичности батареи в этих местах. Все это ведет к удорожанию и снижению удельных характеристик батарей.

Целью настоящего изобретения является способ соединения элементов в батарею электрохимического устройства с твердым высокотемпературным электролитом, лишенный указанных недостатков и позволяющий изготавливать батареи с большим сроком службы.

Указанная цель достигается тем, что торцы элементов пришлифовывают, затем наносят электроды таким образом, чтобы разноименные электроды выходили на противоположные торцы элементов. После этого элементы сжимают торцами через металл электродной массы с удельным давлением 0,1-3,0 кг/мм², нагревают со скоростью 200÷500°С в час до 900÷1400°C, выдерживают 15÷60 минут и охлаждают с той же скоростью.

Торцы элементов из твердого электролита состава 0,9ZrO₂+0,1Y₂ O₃ шлифовали до чистоты ∇8÷∇10 класса, соблюдая плоскопараллельность. Затем нанесли электродную массу на основе мелкодисперсного порошка платины. После вжигания электродов элементы складывали один на другой в столбик, чтобы, соединив, получить батарею из последовательно соединенных элементов. Столбик элементов помещали в силитовую печь, сдавливали удельным давлением 2 кг/мм² на воздухе до температуры 1100°C, выдерживали 30 минут и охлаждали вместе с печью. Скорость нагрева и охлаждения примерно 300° в час.

Обоснование режимов: давление менее 0,1 кг/мм² практически не оказывает уплотняющего действия на металл электродной массы, давление более 3,0 кг/мм² может вызвать локальные перегрузки, сравнимые с пределами прочности твердого электролита. При 3,0 кг/мм² уплотнение наступает при температурах выше 900°C. Нагрев же выше 1400°C нежелателен, т.к. пористость электродов, нанесенных на элементы, будет существенно уменьшаться. Основное уплотнение в процессе соединения по предлагаемому способу проходит в первые 15÷60 минут. Выдерживание более одного часа нецелесообразно. Скорость нагрева и охлаждения диктуются термостойкостью твердого электролита - бóльшая скорость недопустима, меньшая скорость нецелесообразна.

Полностью исключив операции изготовления стекол, герметизацию батарей стеклом и электрическую коммутацию элементов проволочками. Заменив это соединением элементов через материал электродов под давлением при высоких температурах, получили батареи с механической прочностью, близкой к пределу прочности твердого электролита, что невозможно получить ни одним из известных способов. Достаточно большой по площади и плоский контакт разноименных электродов соседних элементов создает благоприятные условия для распределения токов в электрохимических устройствах, повышает удельные характеристики элементов на 20÷40%.

Таким образом, преимущества предлагаемого способа позволяют создавать надежно работающие электрохимические устройства в течение длительных сроков эксплуатации. Устройства, соединенные таким способом, могут использоваться как источники тока, топливные элементы, электролизеры в системах жизнеобеспечения в наземных, подводных и космических кораблях, как устройства для получения водорода при решении задачи водородной энергетики.

Формула изобретения

Способ соединения элементов в батарею путем прессования и термообработки, отличающийся тем, что, с целью повышения удельных характеристик, прочности и надежности, элементы сжимают пришлифованными торцами, удельным давлением 0,1-3,0 кг/мм², нагревают до 900-1400°C со скоростью 200-500°C в час, выдерживают 15-60 мин и охлаждают с той же скоростью.