Высокотемпературный электрохимический модуль

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных электрохимических устройств для получения кислорода из воздуха или водорода и кислорода из воды. Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является увеличение удельной объемной плотности мощности и недопущение потерь тепла изнутри модуля. Для этого предложен высокотемпературный электрохимический модуль, состоящий из последовательно соединенных основных электролитических элементов цилиндрической формы с расположенной внутри модуля подводящей трубкой и закрытым крышкой свободным концом модуля, причем основные электролитические элементы имеют на боковых поверхностях отверстия, в которых установлены вставные электролитические элементы цилиндрической формы с заглушенным свободным концом, а диаметры вставного и основного электролитических элементов находятся в соотношении 1/(10÷20), а диаметр и длина вставного электролитического элемента находятся в соотношении 1/(5÷10). Кроме того, модуль снабжен отводящей трубкой, к торцу которой прикреплена сборка электролитических элементов, крышка модуля имеет конусное отверстие, через которое проходит подводящая трубка, снабженная конусным расширением и расположенная соосно внутри отводящей трубки, а на внутренней поверхности отводящей трубки и внешней поверхности подводящей трубки установлены экранные перегородки, перекрывающие межтрубный просвет. 1 н.п.ф., 4 з.п.ф., 3 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных электрохимических устройств для получения кислорода из воздуха или водорода и кислорода из воды, а также некоторых типов топливных элементов малой мощности.

Известны высокотемпературные электрохимические модули с цилиндрическими электролитическими элементами, изготовленными из твердого электролита на основе диоксида циркония с нанесенными на поверхность двумя электродами, анодом и катодом, для различных электрохимических устройств, например, электролизеров, топливных элементов и т.п. (пат. США 4520082, пат. РФ 2199172).

Известен высокотемпературный электрохимический модуль, состоящий из последовательно соединенных электролитических элементов цилиндрической формы с расположенной внутри модуля подводящей трубкой и закрытым крышкой свободным концом модуля, принятый за прототип (патент ФРГ 2614727).

Недостатками данного технического решения являются малая удельная объемная плотность мощности, а также потери тепла излучением изнутри модуля по подводящей трубке, что приводит еще и к перекосу теплового поля модуля с возможным выходом из строя за счет растрескивания керамического электролита.

Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является увеличение удельной объемной плотности мощности и недопущение потерь тепла изнутри модуля.

Для достижения указанного результата предложен высокотемпературный электрохимический модуль, состоящий из последовательно соединенных основных электролитических элементов цилиндрической формы с расположенной внутри модуля подводящей трубкой и закрытым крышкой свободным концом модуля, причем основные электролитические элементы имеют на боковых поверхностях отверстия, в которых установлены вставные электролитические элементы цилиндрической формы с заглушенным свободным концом, а диаметры вставного и основного электролитических элементов находятся в соотношении 1/(10÷20), а диаметр и длина вставного электролитического элемента находятся в соотношении 1/(5÷10). Кроме того, модуль снабжен отводящей трубкой, к торцу которой прикреплена сборка основных электролитических элементов, крышка модуля имеет конусное отверстие, через которое проходит подводящая трубка, снабженная конусным расширением и расположенная соосно внутри отводящей трубки, а на внутренней поверхности отводящей трубки и внешней поверхности подводящей трубки установлены экранные перегородки, перекрывающие межтрубный просвет.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что удельная объемная плотность мощности за счет вставных электролитических элементов при указанном соотношении размеров увеличивается в 3÷5 раз, а потери тепла за счет излучения изнутри модуля исключены за счет экранных перегородок в межтрубном пространстве и открытого конца подводящей трубки, располагаемого за пределами крышки модуля. Дополнительным преимуществом предлагаемого технического решения является рекуперация тепла при соосном расположении подводящей и отводящей трубок.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого высокотемпературного электрохимического модуля в разрезе, где

1 - основной электролитический элемент,

2 - вставной электролитический элемент,

3 - крышка модуля,

4 - отводящая трубка,

5 - подводящая трубка,

6 - межэлементная связка,

7 - кольцевая экранная перегородка на отводящей трубке,

8 - кольцевая экранная перегородка на подводящей трубке.

На фиг.2 приведена схема одного электролитического элемента для предлагаемого высокотемпературного электрохимического модуля.

На фиг.3 приведена схема одного электролитического элемента вид сверху.

Предлагаемый высокотемпературный электрохимический модуль состоит из набора основных электролитических элементов 1 с отверстиями, в которых установлены вставные электролитические элементы 2. Свободный конец модуля закрыт крышкой 3 с конусным отверстием, в котором размещается конец подводящей трубки 5 с конусным расширением. Другой конец модуля прикреплен к отводящей трубке 4. Элементы скреплены между собой межэлементной связкой 6. В межтрубном пространстве на подводящей и отводящей трубках установлены кольцевые экранные перегородки 7 и 8. На поверхность электролитических элементов нанесены электроды: на внешней поверхности катод, на внутренней поверхности - анод, через межэлементную связку 6 катод предыдущего элемента соединен с анодом последующего (на фиг.1 вышерасположенного) элемента, образуя таким образом последовательно соединенный по току электрохимический модуль.

Предлагаемый высокотемпературный электрохимический модуль работает следующим образом. В режиме получения кислорода из воздуха (режим кислородного насоса) по подводящей трубке 5 подают воздух, поступающий к внешним электродам модуля. За счет подаваемого напряжения на внешнем электроде - катоде, происходит восстановление кислорода воздуха до двухзарядного иона, который переносится через твердый электролит к внутреннему электроду - аноду, на котором окисляется до молекулярного кислорода и выделяется во внутреннее пространство модуля и отводится по отводящей трубке. В режиме электролиза водяного пара по подводящей трубке подается водяной пар к внешним электродам модуля. За счет подводимого напряжения происходит разложение воды на водород, остающийся в межмодульном пространстве, и ион кислорода, переносимый через твердый электролит к внутреннему электроду и выделяющийся в виде молекулярного кислорода во внутреннее пространство модуля. При диаметре основного электролитического элемента 10 мм и вставного элемента 0,5 мм при длине 5 мм удельная объемная мощность модуля увеличивается в 5,3 раза, а при диаметре, соответственно, 15 мм и 1 мм и длине 10 мм увеличивается в 3,9 раза.

Излучение горячего пространства элементов блокируется экранными перегородками в межтрубном пространстве и не вызывает охлаждения элементов и искажение температурного поля. При прохождении подводимых веществ - воздуха или водяного пара, и отводимого кислорода по трубкам происходит рекуперация тепла между ними через стенку подводящей трубки, что является дополнительным преимуществом предлагаемого технического решения.

Таким образом, предлагаемый высокотемпературный электрохимический модуль позволит достичь увеличения удельной объемной плотности мощности в 3÷5 раз и избежать потерь тепла изнутри модуля.

1. Высокотемпературный электрохимический модуль, состоящий из последовательно соединенных основных электролитических элементов цилиндрической формы с расположенной внутри модуля подводящей трубкой и закрытым крышкой свободным концом модуля, отличающийся тем, что основные электролитические элементы имеют на боковых поверхностях отверстия, в которых установлены вставные электролитические элементы цилиндрической формы с заглушенным свободным концом.

2. Высокотемпературный электрохимический модуль по п.1, отличающийся тем, что диаметры вставного и основного электролитического элементов находятся в соотношении 1/(10÷20), а диаметр и длина вставного электролитического элемента находятся в соотношении 1/(5÷10).

3. Высокотемпературный электрохимический модуль по п.1 и 2, отличающийся тем, что высокотемпературный электрохимический модуль снабжен отводящей трубкой, к торцу которой прикреплена сборка основных электролитических элементов.

4. Высокотемпературный электрохимический модуль по п.1-3, отличающийся тем, что крышка модуля имеет конусное отверстие, через которое проходит подводящая трубка, снабженная конусным расширением и расположенная соосно внутри отводящей трубки.

5. Высокотемпературный электрохимический модуль по п.1-4, отличающийся тем, что на внутренней поверхности отводящей трубки и внешней поверхности подводящей трубки установлены экранные перегородки, перекрывающие межтрубный просвет.