Электрохимический модуль для твердоэлектролитного кислородного насоса

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 повышение надежности и ресурса модуля. Для этого предложен электрохимический модуль для твердоэлектролитного кислородного насоса, состоящий из электролитических элементов, помещенных внутрь металлического корпуса и состоящих из трубчатого твердого электролита с нанесенными на него анодом и катодом, токоотводом, установленным внутри трубчатого твердого электролита, и электропроводными гранулами, расположенными между внутренним электродом и токоотводом, причем трубчатый твердый электролит выполнен в виде трубки с двумя открытыми концами, токоотвод выполнен монолитным и выступающим за пределы трубки твердого электролита, торцы трубки твердого электролита закрыты сетчатыми заглушками с центральным отверстием, через которое проходят токоотводы, торцы элементов выступают за пределы корпуса через отверстия, электропроводные гранулы заполняют все внутреннее пространство корпуса между элементами, токоотводы элементов соединены между собой вне корпуса модуля, а два противолежащих торца корпуса выполнены в виде сетки, а диаметр электролитического элемента составляет 1÷3 мм, длина 10÷30 мм, внешним электродом является катод, край которого отстоит от конца трубки твердого электролита на 0,5÷1 мм. 1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 5 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 топливных элементов.

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, сменный модуль генератора на твердооксидных топливных элементах, состоящий из элементов из трубчатого твердого электролита с нанесенными на них анодом и катодом, токоотводом, установленным внутри трубчатого твердого электролита, и электропроводными гранулами, расположенными между внутренним электродом и токоотводом, принятый за прототип (патент РФ 2394313).

Недостатками данного технического решения являются малая удельная объемная плотность мощности, а также сложность конструкции модуля, состоящего из многих разных деталей, что понижает надежность модуля и его ресурс.

Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является увеличение удельной объемной плотности мощности и повышение надежности и ресурса модуля.

Для достижения указанного результата предложен электрохимический модуль для твердоэлектролитного кислородного насоса, состоящий из электролитических элементов, помещенных внутрь металлического корпуса и состоящих из трубчатого твердого электролита с нанесенными на него анодом и катодом, токоотводом, установленным внутри трубчатого твердого электролита, и электропроводными гранулами, расположенными между внутренним электродом и токоотводом, причем трубчатый твердый электролит выполнен в виде трубки с двумя открытыми концами, токоотвод выполнен монолитным и выступающим за пределы трубки твердого электролита, торцы трубки твердого электролита закрыты сетчатыми заглушками с центральным отверстием, через которое проходят токоотводы, торцы элементов выступают за пределы корпуса через отверстия, электропроводные гранулы заполняют все внутреннее пространство корпуса между элементами, токоотводы элементов соединены между собой вне корпуса модуля, а два противолежащих торца корпуса выполнены в виде сетки, а диаметр электролитического элемента составляет 1÷3 мм, длина 10÷30 мм, внешним электродом является катод, край которого отстоит от конца трубки твердого электролита на 0,5÷1 мм.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что удельная объемная плотность мощности при указанных размерах увеличивается в 4÷6 раз, а надежность и ресурс модуля возрастают за счет простоты конструкции и сокращения количества разнородных материалов и деталей.

На фиг.1 приведена схема электролитического элемента, где

1 - электролитический элемент,

2 - трубчатый электролит,

3 - воздушный электрод (катод),

4 - кислородный электрод (анод),

5 - токоотвод анода,

6 - электропроводные гранулы засыпки элемента,

7 - торцевая сетка элемента.

На фиг.2 и 3 представлены, соответственно, вид элемента с торца и его поперечный разрез.

На фиг.4 представлен предлагаемый модуль вид со стороны входа воздуха, где

8 - корпус модуля,

9 - электропроводные гранулы засыпки модуля,

10 - токоотвод модуля,

11 - торцевая сетка модуля.

На фиг.5 представлен предлагаемый модуль вид со стороны выхода торцов элементов. Стрелками показано направление подвода и отвода воздуха.

Предлагаемый электрохимический модуль состоит из электролитических элементов 1, помещенных внутрь металлического корпуса 8. Электролитические элементы 1 состоят из трубчатого твердого электролита 2 с нанесенными на него анодом 4 и катодом 3. Внутрь трубчатого электролита 2 помещен токоотвод анода 5, пространство между внутренним электродом-анодом 4 и токоотводом 5 заполнено электропроводными гранулами засыпки элемента 6. Трубчатый твердый электролит 2 выполнен в виде трубки с двумя открытыми концами, токоотвод анода 5 выполнен монолитным и выступающим за пределы трубки твердого электролита, торцы трубки твердого электролита закрыты сетчатыми заглушками 7 с центральным отверстием, через которое проходят токоотводы 5, а торцы элементов 1 выступают за пределы корпуса модуля 8 через отверстия, электропроводные гранулы засыпки модуля 9 заполняют все внутреннее пространство корпуса модуля 8 между элементами 1. Токоотводы элементов 5 соединены между собой вне корпуса модуля, а два противолежащих торца корпуса выполнены в виде сетки 11.

Предлагаемый электрохимический модуль работает следующим образом. Через сетчатую стенку 11 внутрь модуля подают воздух, который омывает электролитические элементы 1, расположенные внутри корпуса 8 модуля. При подаче на модуль напряжения на внешнем электроде - катоде 3, происходит восстановление кислорода воздуха до двухзарядного иона, который переносится через твердый электролит 2 к внутреннему электроду - аноду 4, на котором окисляется до молекулярного кислорода и выделяется во внутреннее пространство электролитических элементов 1 и отводится через засыпку 6 и торцевую сетку элементов 7 в окружающее модуль пространство.

В режиме электролиза водяного пара внутрь модуля подается водяной пар, который при подаче напряжения разлагается на водород, остающийся во внутреннем пространстве модуля и ионы кислорода, которые переносятся к аноду и окисляются до молекулярного кислорода, выделяющегося в окружающее модуль пространство. При заявленных размерах электролитических элементов диаметре 1÷3 мм и длине 10÷30 мм электрохимический модуль позволяет увеличить объемную плотность мощности в 4÷6 раз, а надежность и ресурс модуля возрастают за счет простоты конструкции и сокращения количества разнородных материалов и деталей. Край внешнего электрода-катода отстоит от конца трубки твердого электролита на 0,5÷1 мм для предотвращения возможного замыкания с электродом - анодом в процессе изготовления модуля.

1. Электрохимический модуль для твердоэлектролитного кислородного насоса, состоящий из электролитических элементов, помещенных внутрь металлического корпуса и состоящих из трубчатого твердого электролита с нанесенными на него анодом и катодом, токоотводом, установленным внутри трубчатого твердого электролита, и электропроводными гранулами, расположенными между внутренним электродом и токоотводом, отличающийся тем, что трубчатый твердый электролит выполнен в виде трубки с двумя открытыми концами, токоотвод выполнен монолитным и выступающим за пределы трубки твердого электролита, торцы трубки твердого электролита закрыты сетчатыми заглушками с центральным отверстием, через которое проходят токоотводы, торцы элементов выступают за пределы корпуса через отверстия, электропроводные гранулы заполняют все внутреннее пространство корпуса между элементами, токоотводы элементов соединены между собой вне корпуса модуля, а два противолежащих торца корпуса выполнены в виде сетки.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что диаметр электролитического элемента составляет 1-3 мм, а длина 10-30 мм, внешним электродом является катод, край которого отстоит от конца трубки твердого электролита на 0,5-1 мм.