Блочно-планарный элемент и пакет на основе этих элементов

Изобретение относится к конструкции единичного элемента твердооксидного электролизера с высокими удельными и техническими характеристиками и пакета на основе этих элементов. Согласно изобретению блочно-планарный элемент (БПЭ) имеет форму параллелепипеда с четным числом плоских каналов, открывающихся на нижнюю грань, и меньшим на единицу числом плоских каналов, открывающихся на верхнюю грань, причем каналы, открывающиеся на противоположные грани, чередуются между собой. Каналы, открывающиеся на нижнюю грань, являются анодными каналами твердооксидного электролизера (ТОЭ), а каналы, открывающиеся на верхнюю грань, являются катодными каналами ТОЭ. В противоположных боковых стенках параллелепипеда, ограничивающих катодные каналы, есть отверстия. Ширина анодного канала больше, ширина катодного канала. На внутренние поверхности анодных каналов нанесен кислородный электрод, например, на основе манганита лантана, а на внутренние поверхности катодных каналов, на верхнюю поверхность элемента, на переднюю и заднюю стенки элемента нанесен топливный электрод, например, на основе никель-кермета. Пакет БПЭ включает, более чем 2 элемента, токопроходы между элементами, герметик между токопроходом и периметром нижней грани элемента, клеммы и газовый коллектор, отличающийся тем, что токопроходы соединяются герметично с элементами по периметру только со стороны анодных каналов, а коллектор герметично присоединен к стеку с той стороны, с которой открываются канавки токопроходов.

Изобретение относится к электрохимическим устройствам с твердым электролитом, в частности к конструкции единичного элемента твердооксидного, который может использоваться в качестве топливного элемета или электролизера с высокими удельными и техническими характеристиками и пакета на основе этих элементов.

Известно электрохимическое устройство, содержащее твердый электролит, кислородный и водородный электроды (патент РФ №2064210 C1, H01M 8/12, С25В 9/00, 1996). Недостатком этого устройства является низкие удельные характеристики.

Известен пакет элементов содержащий, по крайней мере два элемента (патент РФ №2296393 С2, H01M 8/24, 27.03.2007). Недостатком этого пакета является низкие удельные характеристики.

Задачей изобретения является повышение удельных характеристик.

Технический результат достигается тем, что электролит элемента имеет волнообразную форму и заключен в прямоугольный короб из того же материала. Зазоры между внутренними стенками электролита являются газовыми каналами. Каналы, открытые со стороны одной из граней элемента образуют систему кислородных каналов, каналы, открытые со стороны противоположной грани элемента образуют систему водородных каналов. Число кислородных каналов четное, число водородных каналов на единицу меньше. В одной из стенок элемента, перпендикулярной оси каналов, есть отверстия для входа водяного пара в катодный канал, в противоположной стенке есть отверстия для выхода водорода. Поверхность элемента со стороны водородных каналов покрыта слоем из Ni-кермета (катод электролизера) за исключением стенок с отверстиями и полосы посредине

одной из внешних граней элемента. Поверхность элемента со стороны кислородных каналов покрыта слоем манганита лантана-стронция, за исключением полосы вдоль периферии на грани элемента. По взаиморасположению электролита и электродов данный элемент аналогичен планарному элементу; по конструктивному исполнению он представляет собой объемный блок. Такой элемент является блочно-планарным элементом (БПЭ). Пакет из БПЭ включает элементы, плоские прямоугольные пластины из электронпроводящего материала, расположенные между одинаково ориентированными элементами со стороны граней с каналами и на гранях с каналами крайних элементов, герметик между пластиной и элементом вдоль полосы на периферии грани с кислородными каналами и газовый коллектор из изоляционного материала. Пластины, расположенные между элементами, служат токопроходами, пластины, закрывающие каналы крайних элементов, служат для соединения с внешним источником тока (контактные пластины). На стороне пластин, обращенной к кислородным каналам, есть канавка вдоль осевой линии, которая служит для сбора кислорода и вывода его к газовому коллектору. Пластины ориентированы относительно элемента так, что выход канавки находится в пределах полосы, свободной от электрода на внешней грани элемента. Механическая прочность пакета обеспечивается за счет склейки элементов с пластинами через герметик со стороны кислородных каналов и за счет диффузионной сварки элементов с пластинами со стороны водородных каналов. Газовый коллектор герметично присоединен к пакету вдоль полосы, свободной от электродов и служит для сбора кислорода от всех элементов и отвода его от пакета. Техническим результатом изобретения является улучшение характеристик элемента и пакета: увеличение отношения "площадь рабочей поверхности/объем пакета", уменьшение линейных размеров плоских участков элемента, улучшение равномерности распределения тока в электролите и газа над электродами, увеличение отношения "рабочая площадь элемента/площадь токопрохода" и отношения "рабочая площадь элемента/длина периметра герметизации".

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 представлен блочно-планарный элемент.

На фиг.2 представлен токопроход.

На фиг.3 представлен пакет БПЭ.

Блочно-планарный элемент (Фиг.1) состоит из твердого электролита (1), кислородного электрода (2), топливного электрода (3). Электролит в форме параллелепипеда имеет четное число выемок со стороны нижней грани - анодные каналы (4) и нечетное число выемок со стороны верхней грани - катодные каналы (5), причем анодные и катодные каналы чередуются между собой. Каналы имеют постоянные длину, глубину и ширину; ширина анодных каналов больше ширины катодных каналов. В противоположных боковых стенках элемента есть отверстия (6) для прохода реагентов через катодные каналы.

Пакет (Фиг.3) состоит из элементов (11), токопроходов (12), герметика (13), контактных пластин (14) и газового коллектора (15). Токопроход (Фиг.2) имеет вид плоской прямоугольной пластины. С той стороны пластины, которая обращена к анодным каналам, токопроход имеет канавку \(16) для сбора кислорода, расположенную вдоль средней линии токопрохода. По периметру токопрохода со стороны канавки размещен герметик (13) для газоплотного соединения с элементом. Контактные пластины имеют те же размеры, что и токопроход; нижняя контактная пластина тоже имеет канавку. Канавки ориентированы перпендикулярно каналам. Газовый коллектор (15) имеет вид пробирки с удаленным сегментом. Коллектор герметично соединен с пакетом со стороны открытых канавок токопроходов таким образом, чтобы выходные отверстия канавок находились в пределах канала коллектора.

1. Блочно-планарный элемент (БПЭ), содержащий твердый электролит, кислородный электрод и топливный электрод, отличающийся тем, что электролит имеет волнообразную форму и заключен в прямоугольный короб из материала электролита, при этом зазоры между коробом и электролитом образуют газовые каналы, каналы с одной стороны образуют систему кислородных каналов, каналы с другой стороны образуют систему водородных каналов, анодные и катодные каналы чередуются между собой, число кислородных каналов на единицу больше, чем водородных

2. БПЭ по п.1, отличающийся тем, что в противоположных боковых стенках короба выполнены отверстия.

3. БПЭ по п.1, отличающийся тем, что ширина анодного канала больше, ширина катодного канала.

4. БПЭ по п.1, отличающийся тем, что на внутренние поверхности анодных каналов нанесен кислородный электрод, например, на основе манганита лантана, а на внутренние поверхности катодных каналов, на верхнюю поверхность элемента, на переднюю и заднюю стенки элемента нанесен топливный электрод, например, на основе никель-кермета.

5. Пакет, включающий более чем 2 блочно-планарных элемента, выполненных по п.4, токопроходы между элементами, герметик между токопроходом и периметром нижней грани элемента, клеммы и газовый коллектор, отличающийся тем, что токопроходы соединяются герметично с элементами по периметру только со стороны анодных каналов, а коллектор герметично присоединен к пакету с той стороны, с которой открываются канавки токопроходов.

6. Пакет по п.5, отличающийся тем, что токопроход выполнен в виде плоской прямоугольной пластины, имеющей канавку для сбора кислорода с той стороны, которая обращена к анодным каналам.

7. Пакет по п.5, отличающийся тем, что газовый коллектор выполнен в виде пробирки с вырезанным сегментом.