Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2660124C2 - Способ соединения трубчатых топливных элементов - Google Patents

Способ соединения трубчатых топливных элементов Download PDF

Info

Publication number
RU2660124C2
RU2660124C2 RU2016141636A RU2016141636A RU2660124C2 RU 2660124 C2 RU2660124 C2 RU 2660124C2 RU 2016141636 A RU2016141636 A RU 2016141636A RU 2016141636 A RU2016141636 A RU 2016141636A RU 2660124 C2 RU2660124 C2 RU 2660124C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
interconnector
anode
cathode
fuel
fuel cells
Prior art date
Application number
RU2016141636A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2016141636A3 (ru
RU2016141636A (ru
Inventor
Юрий Павлович Зайков
Максим Васильевич Ананьев
Анатолий Константинович Дёмин
Антон Валерьевич Кузьмин
Алексей Ильич Вылков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Завод электрохимических преобразователей"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Завод электрохимических преобразователей" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Завод электрохимических преобразователей"
Priority to RU2016141636A priority Critical patent/RU2660124C2/ru
Publication of RU2016141636A3 publication Critical patent/RU2016141636A3/ru
Publication of RU2016141636A publication Critical patent/RU2016141636A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2660124C2 publication Critical patent/RU2660124C2/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологиям сборки конструкции подблоков трубчатых топливных элементов. Способ включает последовательное соединение топливных элементов, содержащих несущую основу из электролита и нанесенные на нее слои электродов, посредством интерконнектора в виде ступенчатого кольца из токопроводящего материала, который обеспечивает электрический контакт анода одного топливного элемента с катодом другого, разделение электролита топливных элементов и размещенного между ними интерконнектора посредством диэлектрика, а также герметизацию соединений элементов. Между торцами топливных элементов и торцами интерконнектора располагают высокотемпературный газоплотный герметик, на свободный от электродов конец несущей основы одного топливного элемента надевают интерконнектор стороной с большим диаметром, который стороной с меньшим диаметром вставляют в кольцевое отверстие несущей основы, образованное свободным от электродов концом другого топливного элемента, между торцевыми поверхностями интерконнектора и электродных слоев размещают соответствующие катодный или анодный клеи. Изобретение позволяет упростить сборку и эксплуатацию подблоков из трубчатых топливных элементов при снижении их стоимости. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к технологиям сборки конструкции подблоков трубчатых топливных элементов (ТТЭ), которые могут быть использованы при разработке энергоустановок для преобразования химической энергии в электрическую, систем жизнеобеспечения, электролизеров для водородной энергетики, кислородных насосов и т.д.
В общем случае топливный элемент (ТЭ) состоит из несущей основы (электролита) и нанесенных с противоположных сторон на нее электродов (катод и анод). С целью повышения электрической мощности энергоустановок на основе ТЭ последние последовательно соединяют в подблоки, обеспечивая электрический контакт анода одного ТЭ с катодом последующего. Для функционирования ТЭ необходимо, чтобы его катод находился в окислительной газовой среде, а анод – в восстановительной, вследствие чего газовый контакт между электродами ТЭ – катодом и анодом – должен быть исключен. С целью его исключения электрическое соединение ТЭ выполняют с помощью устройств, непроницаемых для газов, называемых интерконнекторами, и все соединения уплотняются с помощью высокотемпературных газоплотных герметиков. Возможны различные варианты исполнения ТЭ, но одним из наиболее широко применяемых являются трубчатые топливные элементы (ТТЭ).
Известен способ соединения топливных элементов в подблок (SU 1840834, опубл. 27.07.2012) [1], в котором торцы несущей основы (электролита) соединяемых топливных элементов шлифуют, соблюдая плоскопараллельность, наносят на нее электродную массу на основе мелкодисперсного порошка платины, так чтобы разноименные электроды выходили на противоположные торцы элементов, вжигают и складывают топливные элементы в столбик. Столбик топливных элементов помещают в печь, сжимают с удельным давлением 0,1-3,0 кг/мм2 через металл электродной массы, нагревают на воздухе до температуры 900-1400°С со скоростью 200-500°С в час, выдерживают 15-60 минут и охлаждают с той же скоростью. Таким образом, за счет спекания выведенных на торцы разноименных платиновых электродов соседних элементов обеспечиваются их электрический контакт и герметизация соединения, без применения каких-либо специальных интерконнеторов и герметиков соответственно. Основными недостатками этого способа являются его сложность в связи с необходимостью плоскопараллельного шлифования торцов ТЭ и нанесения равномерного слоя электродов на торцы ТЭ и дороговизна из-за применения платины в качестве материала электродов.
Наиболее близким решением к заявляемому является способ сборки трубчатых топливных элементов в подблок (SU 1840828, опубл. 27.07.2012) [2], в котором торцы несущей основы (электролита) соединяемых топливных элементов шлифуют, соблюдая плоскопараллельность, наносят на них электроизоляционный слой в виде тонкоизмельченной пасты из талька и оксида бария, затем каждый из соединяемых элементов устанавливают на платиновое кольцо, лежащее на алундовой пластине, затем накрывают сверху вторым кольцом и плоской алундовой пластиной с небольшим грузом, обеспечивая таким образом плоскопараллельное приклеивание колец токосъемов, и нагревают до температуры выше температуры плавления электроизоляционного слоя на 10-60°С. После обжига пластину завальцовывают с одной стороны топливного элемента по внутреннему, а с другой - по наружному периметру трубки. Затем на внутреннюю и наружную поверхности трубок наносят платиновые электроды из паст, обеспечивая контакт каждого электрода со своим кольцом, и припекают при температуре 1100°С. Окончательную сборку батареи из трубчатых элементов производят диффузионной сваркой с усилием соосного сжатия 1,0-1,5 кг/мм2 при температуре 800-1000°С. Таким образом обеспечивается газоплотное герметичное соединение соседних элементов и отсутствует необходимость использования интерконнекторов.
Недостатками данного способа являются его сложность, связанная с необходимостью плоскопараллельного шлифования торцов ТЭ и развальцовки интерконнекторов, высокая стоимость из-за использования достаточно большого количества платины и сложность замены ТЭ в подблоке, так как их соединение выполняют диффузионной сваркой.
Задача изобретения заключается в упрощении сборки и эксплуатации подблоков из трубчатых топливных элементов при снижении их стоимости.
Для этого предложен способ соединения трубчатых топливных элементов, который, как и способ-прототип, включает последовательное соединение топливных элементов, содержащих несущую основу из электролита и нанесенные на нее слои электродов, посредством интерконнектора кольцевого типа из токопроводящего материала, который обеспечивает электрический контакт анода одного топливного элемента с катодом другого, разделение электролита топливных элементов и размещенного между ними интерконнектора посредством диэлектрика, а также герметизацию соединений элементов. Заявленный способ отличается тем, что соединение топливных элементов осуществляют посредством интерконнектора в виде ступенчатого кольца, между торцами топливных элементов и торцами интерконнектора располагают высокотемпературный газоплотный герметик, на свободный от электродов конец несущей основы одного топливного элемента надевают интерконнектор стороной с большим диаметром, который стороной с меньшим диаметром вставляют в кольцевое отверстие несущей основы, образованное свободным от электродов концом другого топливного элемента, а для электрического контакта интерконнектора с катодом и анодом соединяемых топливных элементов между торцевыми поверхностями интерконнектора и электродных слоев размещают соответствующие катодный или анодный клеи.
Способ также отличается тем, что:
- используют двухслойный катод, состоящий из катодного функционального слоя, и катодного коллекторного слоя;
- используют двухслойный анод, состоящий из анодного функционального слоя и анодного коллекторного слоя;
- что используют катодный и анодный клеи на основе связующего с органическим растворителем;
- используют интерконнектор из жаропрочной нержавеющей стали;
- используют интерконнектор, поверхность которого покрыта защитным слоем, препятствующим образованию окалины;
- в качестве высокотемпературного газоплотного герметика используют высокотемпературный стеклогерметик;
- в качестве высокотемпературного стеклогерметика используют композиционный материал на основе измельченного силикатного стекла и полимерного связующего.
Сущность изобретения заключается в следующем. В отличие от прототипа, где торцы несущей основы подвергают плоскопараллельному шлифованию, в заявленном способе шлифование торцов не требуется, а имеющиеся шероховатости компенсируются слоем высокотемпературного герметика, обеспечивающим газоплотный контакт ТТЭ с интерконнектором. В отличие от прототипа, где в качестве интерконнектора используют платиновые кольца, которые при сварке образуют газоплотный контакт, в заявленном способе в качестве интерконнектора используют ступенчатое кольцо из жаропрочной нержавеющей стали, а газоплотный контакт обеспечивают с помощью высокотемпературного герметика.
Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в упрощении изготовления самих ТТЭ, их соединения между собой в подблок, упрощении процесса диагностики и замены ТТЭ подблока в ходе эксплуатации за счет удобства доступа к этим элементам и удобства их разъединения, а также в удешевлении изготовления ТТЭ и интерконнектора за счет отказа от использования драгоценных материалов, таких как платина.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображена схема соединения топливных элементов в подблок; на фиг.2 – трубчатый топливный элемент; на фиг.3 – интерконнектор; на фиг.4 – процесс сборки топливных элементов в подблок; на фиг.5 – подблок трубчатых твердооксидных топливных элементов.
Трубчатый твердооксидный топливный элемент содержит несущую основу 1 из электролита, стабилизированного или частично стабилизированного оксидом иттрия. Анодный функциональный 2 и токосъемный 3 слои изготовлены из композиционного материала, одним из компонентов которого является материал кислород-ионного оксидного электролита, а вторым - металлический никель. Катодный функциональный слой 4 также изготовлен из композиционного материала, одним из компонентов которого является материал кислород-ионного оксидного электролита, а вторым - оксид со смешанной кислород-ионной и электронно-дырочной проводимостью на основе РЗЭ и 3d-металлов. Катодный токосъемный слой 5 выполнен на основе второго компонента катодного функционального слоя. В качестве анодного 6 и катодного 7 клеев может быть использован материал с большей вязкостью на основе композиционных материалов для катода и анода с органическим связующим, таким как α-терпинеол, канифоль, метилцеллюлоза и другие. Несущая основа 1 имеет свободные от электродов концы для соединения с кольцевым интерконнектором 8.
Интерконнектор 8 выполнен в виде кольца, наружная поверхность которого, как и соответствующая ей внутренняя поверхность, выполнены ступенчатыми. Часть интерконнектора, имеющая больший диаметр, надета на свободный от электродов конец несущей основы одного топливного элемента, а часть интерконнектора, имеющая меньший диаметр, вставлена в кольцевое отверстие несущей основы, образованное свободным от электродов концом другого топливного элемента. Интерконнектор 8 обеспечивает электрический контакт анода одного ТТЭ с катодом последующего и выполнен из токопроводящего материала, а именно из жаропрочной нержавеющей стали с содержанием хрома от 17 до 28 % и ТКЛР (10–15) ⋅ 10–6 K–1 марки Crofer. Могут использоваться также стали марок IC, 15X25Т, SUS. Поверхность интерконнектора 8 покрыта защитным слоем, препятствующим образованию окалины. В качестве защитного покрытия используют оксидные материалы со структурой перовскита на основе манганита лантана или марганец-кобальтовой шпинели, нанесенные методом окрашивания из спиртовой суспензии с канифолью.
Соединения между торцевыми поверхностями интерконнектора 8 и торцевыми поверхностями несущей основы 1 топливных элементов герметизированы высокотемпературным герметиком 9, выполненным из композиционного материала на основе измельченного силикатного стекла системы SiO2–Al2O3–R2O–RO (где R2O – Na2O, K2O, Li2O, RO – CaO, MgO, BaO, SrO, ZnO) с температурой склейки 950-1100°С и полимерного связующего, деградирующего при температуре не выше 500°С, таких, например, как полибутилметакрилат, поливинилбутираль, поливиниловый спирт.
Соединение топливных элементов в подблок осуществляют следующим образом. Для уплотнения соединений и предотвращения смешивания рабочих газов на интерконнектор 8 со стороны с меньшим диаметром надевается одно кольцо из высокотемпературного герметика 9, а второе такое же кольцо вставляется в интерконнектор со стороны с большим диаметром. Затем интерконнектор стороной с большим диаметром надевают на свободный от электродов конец несущей основы одного топливного элемента, а стороной с меньшим диаметром вставляют в кольцевое отверстие несущей основы, образованное свободным от электродов концом другого топливного элемента. Для надежного электрического контакта слоев электродов с интерконнектором места их соединения промазывают анодным и катодным клеями соответственно. В результате получается подблок трубчатой конструкции, состоящий из заданного количества последовательно соединенных топливных элементов, обладающий высокой электрической мощностью и надежностью конструкции при упрощении его сборки, эксплуатации и удешевлении.

Claims (8)

1. Способ соединения трубчатых топливных элементов, включающий последовательное соединение топливных элементов, содержащих несущую основу из электролита и нанесенные на нее слои электродов, посредством интерконнектора кольцевого типа из токопроводящего материала, который обеспечивает электрический контакт анода одного топливного элемента с катодом другого, разделение электролита топливных элементов и размещенного между ними интерконнектора посредством диэлектрика, обеспечивающего герметизацию соединений элементов, отличающийся тем, что соединение топливных элементов осуществляют посредством интерконнектора в виде ступенчатого кольца, между торцами топливных элементов и торцами интерконнектора располагают высокотемпературный газоплотный герметик, на свободный от электродов конец несущей основы одного топливного элемента надевают интерконнектор стороной с большим диаметром, который стороной с меньшим диаметром вставляют в кольцевое отверстие несущей основы, образованное свободным от электродов концом другого топливного элемента, а для электрического контакта интерконнектора с катодом и анодом соединяемых топливных элементов пространство между торцевыми поверхностями интерконнектора и электродными слоями заполняют соответствующими катодными или анодными клеями.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют двухслойный катод, состоящий из катодного функционального слоя и катодного коллекторного слоя.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют двухслойный анод, состоящий из анодного функционального слоя и анодного коллекторного слоя.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют катодный и анодный клеи на основе связующего с органическим растворителем.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют интерконнектор из жаропрочной нержавеющей стали.
6. Способ по пп. 1, 5, отличающийся тем, что используют интерконнектор, поверхность которого покрыта защитным слоем, препятствующим образованию окалины.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве высокотемпературного газоплотного герметика используют высокотемпературный стеклогерметик.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве высокотемпературного стеклогерметика используют композиционный материал на основе измельченного силикатного стекла и полимерного связующего.
RU2016141636A 2016-10-25 2016-10-25 Способ соединения трубчатых топливных элементов RU2660124C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016141636A RU2660124C2 (ru) 2016-10-25 2016-10-25 Способ соединения трубчатых топливных элементов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016141636A RU2660124C2 (ru) 2016-10-25 2016-10-25 Способ соединения трубчатых топливных элементов

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016141636A3 RU2016141636A3 (ru) 2018-05-03
RU2016141636A RU2016141636A (ru) 2018-05-03
RU2660124C2 true RU2660124C2 (ru) 2018-07-05

Family

ID=62105991

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016141636A RU2660124C2 (ru) 2016-10-25 2016-10-25 Способ соединения трубчатых топливных элементов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2660124C2 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005135595A (ja) * 2003-10-28 2005-05-26 Toto Ltd 固体酸化物型燃料電池
RU2005139441A (ru) * 2005-12-16 2007-06-27 Институт электрофизики Уральского отделени РАН (RU) Трубчатый элемент (его варианты), батарея трубчатых элементов с токопроходом по образующей и способ ее изготовления
WO2012160102A1 (en) * 2011-05-23 2012-11-29 The European Union, Represented By The European Commission Micro-tubular solid oxide fuel cell arrangement
RU2507643C2 (ru) * 2008-08-01 2014-02-20 Топсеэ Фюэль Селл А/С Интерконнектор для топливных элементов и способ производства интерконнектора для топливных элементов

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005135595A (ja) * 2003-10-28 2005-05-26 Toto Ltd 固体酸化物型燃料電池
RU2005139441A (ru) * 2005-12-16 2007-06-27 Институт электрофизики Уральского отделени РАН (RU) Трубчатый элемент (его варианты), батарея трубчатых элементов с токопроходом по образующей и способ ее изготовления
RU2507643C2 (ru) * 2008-08-01 2014-02-20 Топсеэ Фюэль Селл А/С Интерконнектор для топливных элементов и способ производства интерконнектора для топливных элементов
WO2012160102A1 (en) * 2011-05-23 2012-11-29 The European Union, Represented By The European Commission Micro-tubular solid oxide fuel cell arrangement

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016141636A3 (ru) 2018-05-03
RU2016141636A (ru) 2018-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4794178B2 (ja) 固体電解質燃料電池
US5338623A (en) Series tubular design for solid electrolyte oxygen pump
JP5318345B2 (ja) 固体酸化物電気化学デバイスを製造する方法および固体酸化物電気化学デバイス
US20100255398A1 (en) Electrochemical cell stack assembly
US20110269047A1 (en) Metal-supported, segmented-in-series high temperature electrochemical device
Chou et al. Long-term evaluation of solid oxide fuel cell candidate materials in a 3-cell generic short stack fixture, part I: Test fixture, sealing, and electrochemical performance
JP2000086204A (ja) 酸素含有ガスから酸素を分離する方法
KR20070059159A (ko) 고체 산화물 연료전지 및 다른 고온 응용 분야를 위한고강도 절연 조인트 및 그 제조 방법
RU2660124C2 (ru) Способ соединения трубчатых топливных элементов
JP5301587B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セル用無アルカリガラス系シール材
JP6273233B2 (ja) 電気化学反応セルスタックの製造方法
CN106571475B (zh) 一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法
JP3079268B2 (ja) 組立式円筒直列型固体電解質燃料電池
CN100524894C (zh) 平板型固体氧化物燃料电池堆密封方法及其专用密封件
JP2013114979A (ja) 固体酸化物型燃料電池
KR20090029381A (ko) 고체산화물 연료전지용 밀봉재 및 이를 이용한 가스켓 제조 방법
JP6675218B2 (ja) セパレータ付電気化学反応単セルの製造方法
JP6605969B2 (ja) 電気化学反応単セル、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体、および、電気化学反応セルスタック
KR20140087273A (ko) 금속지지체형 셀을 포함하는 sofc 스택의 공기극 집전 방법
Liu et al. Single solid oxide fuel cell testing using silver paste for sealing and current collection
JP2012074267A (ja) 固体酸化物形燃料電池システム及び接合材
RU2502158C2 (ru) Способ изготовления электрохимического преобразователя энергии и электрохимический преобразователь энергии
JP6917398B2 (ja) 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック
KR20190063893A (ko) 응력 완화층을 갖는 고체산화물 연료전지용 압축 밀봉재
US9786043B2 (en) Inspection method for the effect of composition on the bond strength of a metallized alumina ceramic

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181026