Электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах

Авторы патента:

Гончаров Алексей Иванович (RU)

Чуйкин Александр Юрьевич (RU)

Демин Анатолий Константинович (RU)

Зайков Юрий Павлович (RU)

H01M8/12 - работающие при высокой температуре, например со стабилизированным электролитом ZrO2

Владельцы патента RU 2474929:

Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (RU)
Открытое акционерное общество "ТВЭЛ" (RU)

Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую с использованием твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах содержит корпус, камеру смешения метана и воздуха, камеру парциального окисления метана, камеру электрохимического окисления топлива с батареей топливных элементов и камеру дожита топлива. Генератор содержит вторую камеру смешения метана и воздуха, расположенную под первой камерой смешения метана и воздуха. Камера парциального окисления метана содержит совокупность трубок, закрепленных на трубной доске, с нанесенным на их внешние поверхности катализатором парциального окисления метана. Топливные элементы в виде трубок с открытыми концами соосно соединены с трубками камеры парциального окисления. Камера дожига содержит совокупность перфорированных пластин с нанесенным на них катализатором дожига. На внутренней поверхности трубок камеры парциального окисления нанесен катализатор окисления топлива в избытке воздуха. Изобретение позволяет упростить конструкцию и увеличить надежность устройства. 4 ил.

Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую с использованием твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Известно устройство для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, включающее батарею из трубчатых элементов (Патент США 4,374,184, Edward V. Somers, Arnold O Isenberg, Fuel Cell Generator and Method of Operating Same. Feb. 15, 1983, Int. C1. H01M 8/06, U.S. C1. 429/17; 429/31). Корпус батареи известного устройства включает генерирующую камеру, камеру дожига, которая является также камерой предварительного нагрева воздуха, камеру входящего воздуха и камеру перемешивания реагентов для реформирования топлива и распределения продуктов реформирования. Трубчатые элементы известной батареи расположены горизонтально, выполнены в виде пробирок из диоксида циркония, закрытые концы которых направлены к камере смешения, а открытые - к камере дожига и нагрева воздуха. Камеры известного устройства разделены перегородками с проходными отверстиями для обеспечения перехода соответствующих газовых потоков между камерами. Одна из перегородок представляет собой трубную доску с трубками для подачи воздуха внутрь элементов к их закрытым концам. Совокупность трубок для подачи воздуха во внутренние полости элементов, большая длина каналов для потоков воздуха предопределяют значительное гидравлическое сопротивление для потоков воздуха, что предполагает наличие принудительных устройств для подачи воздуха.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электрохимический генератор на базе твердооксидных топливных элементов (Патент РФ №2027258, Сомов С.И, Демин А., Липилин А.С., Кузин Б.Л., Перфильев М.В. Высокотемпературный электрохимический генератор, 03.07.90, 20.01.95. Бюл №2. C1, ⁶H01M 8/12). Известный генератор (ЭХГ-ТОТЭ) включает корпус, разделенный поперечными перегородками с проходными отверстиями на камеру смешения топлива и окислителя, камеру электрохимического окисления с батареей вертикально расположенных топливных элементов в виде пробирок, закрытые концы которых направлены к камере смешения, и камеру дожига топлива и нагрева воздуха. В камере смешения топлива и окислителя находится катализатор преобразования смеси газов в синтез-газ. Топливные элементы открытыми концами заглублены в перегородку между камерой электрохимического окисления и камерой дожига топлива и нагрева воздуха. Камера смешения расположена в нижней части корпуса, а камера дожига топлива - в его верхней части. Нагрев воздуха, поступающего во внутреннее пространство элементов, осуществляется за счет теплообмена с газами, выходящими из камеры дожига. Большая длина пути подаваемого воздуха, включающая изменение направления потока, предопределяет значительное гидравлическое сопротивление потоку, поэтому воздух в камеру электрохимического окисления подается с помощью побудителя расхода воздуха. Основной недостаток такого ЭХГ - необходимость использования устройств для подачи воздуха, содержащих движущиеся части, что снижает надежность ЭХГ и ведет к усложнению его конструкции.

Задача изобретения - упрощение конструкции и повышение надежности электрохимического генератора на твердооксидных топливных элементах.

Задача решается тем, что электрохимический генератор, включающий корпус, камеру смешения метана и воздуха, камеру парциального окисления метана, камеру электрохимического окисления топлива с батареей топливных элементов и камеру дожига топлива, расположенных друг над другом, содержит вторую камеру смешения метана и воздуха, расположенную ниже первой камеры смешения. Камера парциального окисления метана представляет собой внешнее пространство совокупности трубок, закрепленных на трубной доске, с нанесенным на их внешние поверхности катализатором парциального окисления метана. Камера электрохимического окисления топлива содержит совокупность топливных элементов в виде трубок с открытыми концами, соосно соединенных с трубками камеры парциального окисления. Совокупность внутренних пространств трубок камеры парциального окисления метана, на внутренние поверхности которых нанесен катализатор окисления метана в избытке воздуха, представляет собой реактор нагрева воздуха. Камера дожига содержит совокупность перфорированных пластин с нанесенным на них катализатором дожига.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. В известных устройствах воздух по системе трубок подается ко дну элементов в виде пробирок, что предопределяет значительное гидравлическое сопротивление потоку воздуха, для преодоления которого требуются устройства для принудительной подачи воздуха, содержащие движущиеся части (насосы, вентиляторы, компрессоры и т.п.), срок службы которых значительно меньше потенциального срока службы топливных элементов. В этих устройствах нагрев подаваемого в батарею воздуха по системе трубок осуществляется за счет отбора тепла от выходящих газов в камере дожига. В предлагаемом устройстве нагрев воздуха осуществляется за счет каталитического окисления метана, подаваемого в поток воздуха, который проходит через внутреннее пространство топливных элементов в виде трубок с открытыми концами за счет естественной тяги. Устройства для принудительной подачи воздуха при этом не требуются. Таким образом, новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в том, что заявленный электрохимический генератор имеет более простую конструкцию за счет исключения системы трубок для подачи воздуха и более высокую надежность за счет исключения дополнительных устройств, содержащих движущиеся части.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображен общий вид электрохимического генератора в аксонометрии; на фиг.2 - то же, в разрезе; на фиг.3 - фрагмент сечения стенки единичного топливного элемента; на фиг.4 - фрагмент сечения стенки трубки камеры парциального окисления метана.

Электрохимический генератор содержит батарею топливных элементов 1, имеющих форму трубки с открытыми концами, внутренняя сторона которой является пористым воздушным электродом 2, внешняя сторона - пористым топливным электродом 3, а между электродами находится газоплотный кислородионный электролит 4. В данном примере батарея включает шестнадцать топливных элементов, размещенных в четыре ряда по четыре элемента в каждом. Пространство внутри корпуса, в котором расположена батарея топливных элементов, является камерой электрохимического окисления 5. Нижние концы элементов закреплены на верхних концах трубок из фехраля 6, нижние концы трубок 6 закреплены на трубной доске 7 из алюмомагнезиальной шпинели. Между трубной доской 7 и камерой электрохимического окисления 5 расположена нижняя перегородка 8 с проходными кольцевыми отверстиями 9 для равномерного распределения смеси метан-воздух на топливные электроды 3 топливных элементов 1. На внешнюю поверхность трубок 6 выше перегородки 8 нанесен катализатор парциального окисления метана 10. Пространство между нижней перегородкой 8 и камерой электрохимического окисления 5 является камерой парциального окисления метана 11. Пространство между трубной доской 7 и нижней перегородкой 8 является первой камерой смешения метана и воздуха 12. На внутреннюю поверхность трубок 6 нанесен катализатор каталитического окисления метана в избытке воздуха 13; совокупность внутренних пространств трубок 6 представляет собой реактор нагрева воздуха (не показан). Ниже трубной доски 7 расположена вторая камера смешения метана и воздуха 14, содержащая горелку 15 и нижние перфорированные пластины 16 для равномерного распределения воздуха между внутренними каналами элементов и для экранирования теплового излучения вышерасположенных нагретых компонентов ЭХГ-ТОТЭ. Верхние концы топливных элементов 1 вставлены в отверстия 17 в верхней перегородке 18 между камерой электрохимического окисления топлива 5 и камерой дожига топлива 19; перегородка 18 имеет отверстия 20 для выхода топлива из камеры электрохимического окисления 5 топлива в камеру дожига 19. В камере дожига 19 расположены верхние перфорированные пластины 21 из фехраля с нанесенным на них катализатором дожига топлива 22; пластины также экранируют тепловое излучение нижерасположенных нагретых компонентов ЭХГ-ТОТЭ. Все указанные компоненты расположены в корпусе 23 из муллито-кремнеземистой керамики. Корпус 23 имеет отверстие 24 для подачи смеси метан-воздух из эжектора 25 во вторую камеру смешения 12 и отверстие 26 для подачи метана в горелку 12.

В горелку 12 подают метан и производят его поджиг. После достижения температуры 450°С на фехралевых трубках 6 кратковременно прерывают подачу метана для прекращения пламенного горения, потом возобновляют подачу метана. Метан начинает каталитически окисляться на внутренних поверхностях трубок 6. После достижения температуры 800°С в первую камеру смешения 12 с помощью эжектора 25 подают метан, который эжектирует воздух в соотношении, обеспечивающем парциальное окисление метана. Смесь метан-воздух из камеры смешения 12 через кольцевые отверстия 9 равномерным потоком поступает в камеру парциального окисления 11, где каталитически преобразуется в синтез-газ. Синтез-газ поступает в камеру электрохимического окисления 5. Батарею подключают к нагрузке, и горючие компоненты синтез-газа электрохимически окисляются на внешних электродах 3 топливных элементов 1.

Электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах, содержащий корпус, расположенные в нем друг над другом камеру смешения метана и воздуха, камеру парциального окисления метана, камеру электрохимического окисления топлива с батареей топливных элементов и камеру дожига топлива, отличающийся тем, что генератор содержит вторую камеру смешения метана и воздуха, расположенную под первой камерой смешения метана и воздуха, камера парциального окисления метана содержит совокупность трубок, закрепленных на трубной доске, с нанесенным на их внешние поверхности катализатором парциального окисления метана, топливные элементы в виде трубок с открытыми концами соосно соединены с трубками камеры парциального окисления, камера дожига содержит совокупность перфорированных пластин с нанесенным на них катализатором дожига, на внутренней поверхности трубок камеры парциального окисления нанесен катализатор окисления топлива в избытке воздуха.

Изобретение относится к области нанесения электропроводного защитного металлического покрытия. .

Оксид циркония и способ его получения // 2442752

Изобретение относится к порошкообразному оксиду циркония, способу его получения, а также применению в топливных ячейках, в частности для получения электролитных субстратов для керамических топливных ячеек.

Тонкослойный твердооксидный элемент // 2427945

Способ изготовления одиночного твердооксидного топливного элемента // 2424604

Изобретение относится к высокотемпературному топливному элементу, содержащему смешанные проводящие катодные электроды, в частности к твердооксидным топливным элементам.

Объемный твердый электролит для высокотемпературных электротехнических устройств и способ его изготовления // 2422952

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам (ЭХУ) с твердым электролитом, таким как электрохимические генераторы (топливные элементы), электролизеры, конвертеры, кислородные насосы и т.п.

Модифицированный планарный элемент (варианты), батарея электрохимических устройств на его основе, способ изготовления элемента и форма для его реализации // 2422951

Изобретение относится к высокотемпературным электрохимическим устройствам (ЭХУ) с твердым электролитом, точнее к конструкции элемента этих устройств, к конструкции батареи любого ЭХУ, способу изготовления элемента данной конструкции и формы для реализации способа.

Планарный элемент электрохимических устройств, батарея и способ изготовления // 2417488

Изобретение относится к твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ). .

Композиционный материал для применения в качестве электродного материала в твердооксидных элементах тоэ // 2416843

Изобретение относится к композиционному материалу, пригодному для применения в качестве материала электрода твердооксидного элемента, в частности в твердооксидных топливных элементах или в твердооксидных электролизерных элементах.

Устойчивая суспензия изопропанольного шликера на поливинилбутиральной связке из нанопорошка с добавлением дисперсанта (варианты) и способ его получения // 2414776

Способ получения многослойной барьерной структуры для твердооксидного топливного элемента // 2414775

Изобретение относится к способу получения многослойной барьерной структуры в батарее твердооксидных элементов и к многослойной структуре, получаемой таким способом.

Высокотемпературное электрохимическое устройство со структурой с взаимосцеплением // 2480864

Изобретение относится к области твердотельных электрохимических устройств

Реверсивный твердооксидный топливный элемент (варианты) // 2480865

Изобретение относится к области электрохимии, к реверсивному твердооксидному топливному элементу

Батарея твердооксидных топливных элементов и применение е-стекла в качестве стеклянного уплотнителя в батарее твердооксидных топливных элементов // 2489778

Способ оптимизации проводимости, обеспеченный вытеснением h+ протонов и/или oh- ионов в проводящей мембране // 2497240

Изобретение относится к способу оптимизации проводимости, который обеспечен вытеснением Н+ протонов и/или ОН- ионов в проводящей мембране. Способ содержит стадии, на которых используют проводящую мембрану, изготовленную из материала, позволяющего введение пара, используют рабочую температуру в зависимости от указанного материала, вводят под давлением газообразный поток, содержащий пар в указанной мембране для нагнетания указанного пара в указанную мембрану при определенном парциальном давлении с тем, чтобы получить желаемую проводимость при данной температуре, причем указанное парциальное давление выше или равно 1 бар. Изобретение позволяет получить высокую проводимость мембраны. 7 н. и 18 з.п. ф-лы, 15 ил. 1 табл.

Способ изготовления электрохимического преобразователя энергии и электрохимический преобразователь энергии // 2502158

Предложенное изобретение относится к способу изготовления электрохимического преобразователя энергии с твердым электролитом, который включает нанесение металлокерамического материала (2А), (2В) на обе стороны центральной керамической пластины (1), причем на обеих сторонах этой пластины в металлокерамическом материале (2А), (2В) проделывают каналы (3А), (3В), затем каналы (3А), (3В) по обе стороны пластины покрывают слоями металлокерамического материала (4А), (4В). После этого на обе стороны керамической конструкции, изготовленной таким способом, накладывают токопроводящие конструкции (5А), (5В) и затем последующие слои металлокерамического материала (6А), (6В), содержащие никель; затем на обе стороны керамической конструкции, подготовленной таким образом, наносят следующие покрытия: слои, образующие твердый электролит (7А), (7В), слои, образующие электроды (8А), (8В), и контактные слои (9А), (9В). Электрохимический преобразователь энергии имеет плоскую многослойную керамическую основу, средний слой которой образует керамическая пластина, неподвижно соединенная с пористыми металлокерамическими слоями (AN1), (AN2), в которых образованы каналы подачи топлива (3А), (3В). Заявленное устройство компактно, технологично в обслуживании и обеспечивает увеличение срока его эксплуатации. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Система топливного элемента и способ ее управления // 2504052

Система топливного элемента содержит топливный элемент (10), первую камеру (20) сгорания, первый обратный канал (17) для обогревающего газа и систему (50) подачи газа. Топливный элемент (10) включает в себя элемент с твердым электролитом с анодом (12) и катодом (13). Топливный элемент (10) вырабатывает энергию посредством реакции водородосодержащего газа и кислородсодержащего газа. Первая камера (20) сгорания избирательно подает обогревающий газ в катод (13) топливного элемента (10). Первый обратный канал (17) для обогревающего газа смешивает, по меньшей мере, часть выпускаемого газа, выпускаемого из катода (13), с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания, так что смешанный обогревающий газ из выпускаемого газа и обогревающего газа подается в катод (13). Система (50) подачи газа соединена с первым обратным каналом (17) для обогревающего газа для подачи выпускаемого газа из катода (13) так, что он смешивается с обогревающим газом первой камеры (20) сгорания. Повышение эффективности использования газа, выпускаемого из катода, путем использования его для повышения температуры топливного элемента, а также снижение отложений углерода на аноде, является техническим результатом заявленного изобретения. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

Материал для электрохимического устройства // 2516309

Настоящее изобретение относится к материалу для изготовления протонообменной мембраны для электрохимического устройства, в частности топливного элемента, электролизера или аккумулятора. Активированный бор, содержащийся в матрице, представляет собой нитрид бора, который активируют путем воздействия на него жидкости, содержащей радикалы и/или ионы кислотного или щелочного раствора для создания в нитриде бора связей в присутствии электрического поля, причем до его использования для изготовления указанного электротехнического устройства. Протонообменная мембрана в соответствии с предложенным изобретением позволяет обеспечить высокую механическую и термическую устойчивость и работает при относительно высокой температуре так же, как и при комнатной температуре. Мембрана герметична по отношению к водороду при давлении 1 бар. 8 н. и 21 з.п. ф-лы, 11 ил., 4 пр., 2 табл.

Твердый окисный элемент и содержащая его батарея // 2521874

Заявленное изобретение относится к твердым окисным топливным элементам (ТЭ), полученным в соответствии со способом, в котором имеют место стадии: - нанесения слоя топливного электрода: слоя электролита, содержащего стабилизированный цирконий, на слой топливного электрода для получения системы из основы топливного электрода и электролита; - спекания системы из основы топливного электрода и электролита друг с другом для получения полуэлемента; - нанесения на слой электролита предварительно спеченного полуэлемента одного или более слоев кислородного электрода, причем, по меньшей мере, один из слоев содержит композит из лантан-стронций-манганита и стабилизированного циркония для получения полного твердого окисного элемента; - спекания одного или более слоев кислородного электрода с предварительно спеченным полуэлементом; а также пропитки марганцем одного или более слоев кислородного электрода полного твердого окисного элемента для получения пропитанного марганцем ТЭ. Предложена также батарея, содержащая один или более твердых окисных элементов, выполненных в соответствии с предложенным способом. Повышение срока службы указанного ТЭ является техническим результатом заявленного изобретения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил., 20 пр.

Композитный электродный материал для электрохимических устройств // 2523550

Изобретение относится к области катализа, а именно каталитическим активным пористым композитным материалам, которые могут быть использованы в качестве несущих электродов электрохимических устройств для получения водорода и/или кислорода либо высоко- и среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Изобретение относится к композитному электродному материалу для электрохимических устройств, содержащему металлическую составляющую в виде двухкомпонентного сплава никеля с алюминием и керамическую оксидную составляющую, при этом в качестве двухкомпонентного сплава используют никель, плакированный алюминием, при содержании алюминия 3-15 мас.%, а в качестве оксидной составляющей - оксид алюминия, при этом состав материала характеризуется массовым отношением металлической составляющей к оксидной в соответствии с формулой yNixAl100-x-(100-y)Al2O3, где x=85÷97; y=30÷60. Техническим результатом изобретения является получение пористого несущего электрода для электрохимических устройств с улучшенной термодинамической и механической стабильностью, каталитической активностью, высокими электрическими характеристиками. 2 ил., 1 табл.

Комбинированные схемы потоков в пакете топливных элементов или в пакете электролитических элементов // 2531912

Изобретение относится к области электротехники, а именно к комбинации схем потоков внутри каждого элемента и между элементами пакета топливных элементов (ТЭ) или пакета электролитических элементов. Пакет элементов, содержащий множество ТЭ или электролитических элементов, имеет комбинацию схем потоков анодного газа и катодного газа внутри каждого из элементов и между элементами по отношению друг к другу, так что катодный и анодный газ внутри элемента текут либо в параллельном потоке, либо в противотоке, либо в поперечном потоке, при этом поток анодного и катодного газа в одном элементе имеет параллельный поток, противоток или поперечный поток по отношению к потоку анодного и катодного газа в соседних элементах. Повышение входной мощности и плотности тока за счет минимизации градиента температур по элементам и по пакету в целом является техническим результатом изобретения. 21 з.п. ф-лы, 28 ил.