Батарея високотемпературних паливних елементів

1. Батарея високотемпературних паливних елементів, яка містить в собі пакет плоских електролітних матриць з електродами, щільні газорозподільні перегородки, розміщені в корпусі, і силові струмознімачі, яка відрізняється тим, що кожна електролітна матриця із твердооксидного електроліту і діелектрична газорозподільна перегородка виконані у вигляді єдиної складової смуги з межею поділу посередині смуги, з нанесеними на електролітні матриці анодами і катодами, зібрані в га 39829 і, тим самим, спрощення і здешевлення конструкції БВПЕ в цілому; зменшення електричних втрат в ПЕРКЕ за рахунок модернізації систем подачі розплавленого електроліту в БВПЕ. Вирішення поставленого завдання досягається тим, що в батареї високотемпературних паливних елементів, які містять пакети плоских електролітних матриць з електродами, щільні газорозподільні перегородки уміщені в корпус і силові струмоз'ємники: кожна електролітна матриця із твердооксидного електроліту і діелектрична газорозподільна перегородка виконані у вигляді єдиної складової полоси з границею розподілу по середині; полоси з нанесеними на електролітні матриці анодами і катодами зібрані в газощільний пакет таким чином, що утворюють послідовне з'єднання ПЕ, яке закінчується струмоз'ємниками; кожна складова полоса зрушена відносно сусідньої навколо центру полоси по спіралі, що утворює двозахідну гвинтову лінію, так що більше половини поверхні анодів і катодів вільні для контакту з окислювачем і паливом; пакет складових полос зібраних по спіралі розміщується в циліндричному діелектродному корпусі, внутрішній діаметр якого дорівнює довжині складової полоси і утворює в ньому два герметичних канали для палива і окислювача. Батарея високотемпературних паливних елементів з розплавленим електролітом має складову полосу, що виконується з щільної кераміки і пористої електролітної матриці, просоченої розплавом карбонатів, в центрі кожної складової полоси, яка складається із електролітної матриці і газорозподільної перегородки, виконано отвір, в який періодично подається розплавлений електроліт для просочування електролітної матриці. На фіг. 1 зображена фронтальна проекція верхня половина високотемпературної батареї з ПЕТОЕ, на фіг. 2 - розріз по лінії стику - струмоз'ємник - перший електрод батареї з ПЕТОЕ. На фіг. 3 показана фронтальна проекція БВПЕ з ПЕРКЕ, а на фіг. 4 - розріз по лінії стику стр умоз'ємник - перший електрод батареї з ПЕРКЕ. На фіг. 1, 2 показаний пакет складових полос 1, який складається із щільних електролітних матриць 2 на основі диоксиду цирконію, легованного ітрієм, що напилені з одної сторони нікелем (анод) і кобальтитом лантана LаСоО3 з другої (катод) і щільних ізоляційних газорозподільних перегородок з окислу магнію 3, уміщується в ізоляційний циліндричний корпус 4. Кінці полос закруглені радіусом під внутрішній діаметр ізоляційного корпусу і проклеєні по стику з останнім, високотемпературним изоляційним клеєм 5. Сам пакет збирається на електропровідному клеї (ділянка матриць), і на ізоляторному клеї (ділянка перегородок) 6. Тим самим, в корпусі утворюються два гідравлічно не зв'язані канали для палива і окислювача 7. В струмоз'ємниках 8, що стискають пакет складових полос і контактують з крайніми електродами батареї, виконані отвори для входу реагентів в канали ПЕТОЕ і для виводу відпрацьованих продуктів. На фіг. 1 показана верхня половина батареї ПЕТОЕ з вхідними і вихідними штуцерами 9, розміщеними на кришках 10. Нижні кришка і струмоз'ємник повністю ідентичні верхнім і на фіг. 1, 2 не показані. Для усунення теплових напруг між криш кою і струмоз'ємником прокладені пружні прокладки 11, які усувають розтріскування пакету і матриць. Знімання електричної потужності здійснюється через силові клеми 12, які встановлені на кришках батареї 10. На фіг. 3, 4 показані проекції верхньої половини батареї ПЕРКЕ. Пакет складових полос 1, складений з пористих матриць 2, які напилені з одного боку нікелем (анод) і оксидом нікеля з другого (катод) і щільних ізоляційних газорозподільних перегородок із окису магнію 3, розміщується в ізоляційний циліндричний корпус 4. Кінці полос закруглені радіусом під внутрішній діаметр корпусу і приклеєні по стику з останнім високотемпературним ізоляційним клеєм 5. Сам пакет збирається на електропровідному клеї (ділянка матриць), і на ізоляційному клеї (ділянка перегородок) 6. Тим самим в корпусі утворюються два гідравлічно не зв'язаних канали для палива і окислювача 7. В струмоз'ємниках 8, які стискують пакет складових полос і контактують з крайніми електродами батареї, виконані отвори для входу окислювача і палива в канали батареї і для виходу відпрацьованих продуктів. На фіг. 3 показана верхня половина батареї з вхідними штуцерами 9, розміщеними на верхній кришці 10. Нижні кришка і струмоз'ємник повністю ідентичні верхнім і на фіг. 3, 4 не показані. Для усунення теплових напруг між кришками і струмоз'ємниками прокладені пружні прокладки 11, які усувають розтріскування пакету і матриць. Знімання електричної потужності здійснюється через силові клеми 1, 2, які встановлені на кришках. Подача розплавленого карбонату до матриці ПЕРКЕ і зливання проводиться знизу через центральний отвір 14 в складовій полосі 1. Останній стикується з отворами в нижніх струмоз'ємниках 8 і в кришці 10 і закінчується штуцером 13. Батарея ПЕТОЕ працює наступним чином. Полоси збираються в пакет, зрушуються по гвинтовій лінії і проклеюються. Після висихання пакет встановлюється в корпус 4, герметизується і опресовується струмоз'ємником 8. В такому вигляді батарея готова до роботи і підключається до джерела живлення паливом і окислювачем. Паливом може бути синтез-газ (Н2+СО), вуглеводні з загальною хімічною формулою С ХНУ, або суміш цих газів, а окислючем - кисень О2 або кисневомістка суміш газів (повітря). Для усунення теплових перенапруг батарея попередньо нагрівається і виводиться на номінальний режим генерування. При цьому на анодах і катодах проходять наступні реакції. На анодах: Н2 + О 2 - 2 e = Н2О СО + О2- - 2 e = СО 2 СхНу + (2 х + y )О2- - (4х + у) 2 e = х СО 2 + y Н2O 2 на катодах: O2 + 4e = 2O2Глибина проходження цих реакцій залежить від товщини пакета матриць - тобто від кількості послідовно з'єднаних ПЕ і легко піддається регулюванню. Процес одержання електроенергії не зв'язаний з витратою матеріалу матриці чи елект 2 39829 родів і проходить до тих пір, поки в каналах батареї присутні реагенти. Батарея ПЕРКЕ працює таким чином. Перед складанням полос - 1 в пакет, матриці просочуються розплавленим електролітом, який складається із евтектичної суміші карбонатів літію і калію з температурою плавлення меншою 650°С. Через те що газорозподільні перегородки виконані із щільної кераміки, наприклад MgO, вони не змінюють свій електричний опір і не створюють додаткових ланцюгів для електричних стр умів. Просочені полоси збираються в пакет, зрушуються по гвинтовій лінії, встановлюються в корпус 4, герметизуються, обтискуються струмоз'ємниками 8 і кришками 10. Висушена батарея підключається до джерела живлення реагентів H2+1%СО(Н2+10%СО) і O2+25%СO2 і підігрівається до номінальної температури 600-650°С (для того, щоб уникнути термічних напруг і розтріскувань). Оскільки H2 + 10%СО, як правило, є продуктом риформінгу метану, або др угого органічного палива і вже має температуру біля 600°С, то в батареї починають проходити електрохімічні реакції, які забезпечують одержання електричної енергії: біля аноду: плав карбонатів з максимально допустимою температурою для використовуваних конструктивних і активних матеріалів. Максимальна температура вибирається для скорочення часу просочування, бо заповнення каналу 14 приводить до появи ланцюгів, що шунтують вихід батареї ПЕРКЕ і додатковим втратам. Якість просочування фіксується по відновленню параметрів електричної енергії, що генерується. Після цього проводиться зливання електроліту, продувка каналу 14 і при необхідності його механічна зачистка для усунення всіх шунтуючих ланцюжків в контурі підживлення електролітом. Таким чином, високотемпературна батарея, як у виконанні ПЕТОЕ, так і у виконанні ПЕРКЕ, має наступні переваги перед прототипом: конструкція батареї як для ПЕТОЕ так і для ПЕРКЕ дозволяє використовува ти прості і дешеві плоскі матриці і діелектричні газорозподільні перегородки і: а) здійснити складання ЕРС, які генеруються, без зовнішніх і вн утрішніх з'єднань; б) здійснити послідовне з'єднання каналів для реагентів; лінійний канал круглого перерізу для подачі розплавленого електроліту в ПЕРКЕ допускає як верхню продувку каналу, так і його механічну чистку, що дозволяє мінімізувати електричні втрати в системі постачання електролітом. Джерела інформації. 1. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. – Москва, Энергоатом, 1991 г. 2. Kartha S., Grimes P. Fuel Cells/ PHYSICS today, November, 1994. - Р. 98. 3. Батарея топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом. Заявка 2170363 Япония, МКИ-Б, Н01М8/02/. Кандан Тору. № 63-323372, Заявл. 23.12.88. Опубл. 02.07.90. // Кокайтокке коло. Сер. 7(1)-1990-62-с. 335-340 // Р. ж. ХИ МИЯ № 6, 1992. 6П29. 4. Ceramic and metallic components for planar SOFC / Invers-Tiffel E. at el.//Ber. Bimdenges. phys. Chem.-1990-94-№ 9. - р. 978-981. // РЖ. Химия № 11-1991-11О300. Н2 + СО3 2- -2 e = Н2 O + СO 2 СО + СO3-2- - 2 e = 2СO2. Біля катоду O 2 + СO 2 + 4 e = 2СO32-. Глибина проходження цих реакцій обумовлюється товщиною пакету матриць, тобто кількістю послідовно з'єднаних ПЕ і легко піддається регулюванню. Процес одержання електричної енергії в батареї ПЕРКЕ йде до тих пір, поки витрата електроліту із матриці, яка викликана його випаровуванням, не досягне критичної величини, при якій внутрішній опір батареї зросте до граничних величин. В цей момент проводиться внутрішнє просочування матриць. Через нижній штуцер 13 подається роз 3 39829 Фіг. 1 Фіг. 2 4 39829 Фіг. 3 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5