КЕРАМИЧЕСКИЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ)

КЕРАМИЧЕСКИЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ) 


RU (11) 2221315 (13) C2

(51) 7 H01M8/12, H01M8/04 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
к патенту Российской Федерации 
Статус: по данным на 27.12.2006 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 2004.01.10 
(21) Регистрационный номер заявки: 2001101170/09 
(22) Дата подачи заявки: 1999.06.10 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1999.06.10 
(31) Номер конвенционной заявки: 60/089,169 
(32) Дата подачи конвенционной заявки: 1998.06.12 
(33) Страна приоритета: US 
(43) Дата публикации заявки: 2003.03.27 
(45) Опубликовано: 2004.01.10 
(56) Аналоги изобретения: RU 2084053 С1, 10.07.1997. US 5385874 A, 31.01.1995. US 4749632 A, 07.06.1988. EP 0756347 А2, 29.01.1995. US 5145754 А, 08.09.1992. 
(72) Имя изобретателя: ЛОУЛИСС Уильям Николас (US) 
(73) Имя патентообладателя: ЭЙИПИ ЕМТЕХ ЛЛС (US) 
(74) Патентный поверенный: Дементьев Владимир Николаевич 
(85) Дата соответствия ст.22/39 PCT: 2001.01.12 
(86) Номер и дата международной или региональной заявки: US 99/13132 (10.06.1999) 
(87) Номер и дата международной или региональной публикации: WO 99/65099 (16.12.1999) 
(98) Адрес для переписки: 119034, Москва, Пречистенский пер., 14, стр.1, Гоулингз Интернэшнл Инк., пат.пов. В.Н.Дементьеву 

(54) КЕРАМИЧЕСКИЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ) 

Изобретение относится к топливным элементам. Согласно изобретению сотовый керамический топливный элемент среди прочего содержит стабилизированную оксидом иттрия проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута с введенным в нее оксидом циркония, стабилизированную оксидом ниобия проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута, анодный электрод из медного кермета, расположенный в канале подачи топлива керамического топливного элемента из оксида висмута, или специально выполненные межканальные проходы в керамическом материале топливного элемента. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения предусмотрен керамический топливный элемент, который содержит канал подачи окислителя, катодный электрод, установленный в указанном канале подачи окислителя, канал подачи топлива, анодный электрод, установленный в указанном канале подачи топлива, и стабилизированную проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута, которая установлена между катодным электродом и анодным электродом. Указанная керамика может быть стабилизирована оксидом иттрия или оксидом ниобия и может содержать оксид циркония. Топливные элементы, которые содержат керамическую композицию в соответствии с настоящим изобретением, сохраняют работоспособность при температурах ориентировочно до 650oС. Техническим результатом изобретения является отсутствие сажеобразования в каналах керамического материала, что не создает проблем при использовании не преобразованного органического топлива. В соответствии с некоторыми вариантами настоящего изобретения покрытие из оксида циркония вводят между стабилизированным керамическим материалом и анодным электродом. Кроме того, керамические электроды (например, изготовленные из композиции LXM, где L обозначает лантан (La), М - манганат (MnO3) и Х обозначает Pb, Sr, Ca или Ва) в соответствии с настоящим изобретением могут иметь поверхностный слой серебра. Анод также может содержать медный кермет. 4 с. и 42 з.п. ф-лы, 4 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение имеет отношение к созданию топливных элементов, а более конкретно керамических сотовых топливных элементов, которые содержат пропускающую (проводящую) ионы кислорода керамику, помещенную между снабжающим окислителем катодным электродом и снабжающим топливом анодным электродом.

Топливные элементы с твердым электролитом содержат твердый электролит, который пропускает (проводит) ионы кислорода, причем пористый катодный электрод и пористый анодный электрод образованы на противоположных сторонах электролита. Окислитель, например газообразный кислород или воздух, вводят через канал подачи окислителя на катодной стороне электролита. Топливо, например газообразный водород или природный газ, вводят через канал подачи топлива на анодной стороне электролита. Молекулы кислорода в канале подачи окислителя диссоциируют (разлагаются) у катодного электрода и абсорбируют электроны с образованием ионов кислорода. Эти ионы затем диффундируют через проводник ионов к анодному электроду, создавая на входной поверхности катода дефицит электронов. Кислородные ионы, уходящие из анодного электрода, должны отдавать электроны для образования молекулярного кислорода, в результате чего на выходной поверхности анода образуется избыток электронов. За счет указанного топливный элемент использует кислородную ионную проводимость электролита для работы в качестве источника электрического тока.

Многие топливные элементы должны работать при температурах свыше 800oС и даже при таких высоких температурах, как 1000oС. При таких высоких температурах природный газ и метан имеют тенденцию к сажеобразованию в каналах подачи топлива. Поэтому часто приходится преобразовывать (облагораживать) природный газ главным образом в чистый газообразный водород ранее его ввода в каналы подачи топлива. В связи с указанным существует необходимость создания топливного элемента, который не подвержен сажеобразованию и не требует преобразования природного газа.

Существует также тенденция в направлении снижения стоимости производства и повышения кпд описанных выше топливных элементов за счет оптимального выбора катодного электрода, анодного электрода и материалов электролита, или их компоновки. Например, в патенте США 5,807,642 раскрыт керамический материал из титаната бария и стронция, содержащий добавки, который может быть использован в качестве модификатора коэффициента теплового расширения или в качестве технологической добавки спекания. В патенте США 5731097 и других раскрыт топливный элемент с твердым электролитом, который включает в себя первую и вторую проводящие ионы кислорода пленки, склеенные вместе и установленные со спуском вниз в направлении анода, причем указанные пленки активируют энергию ионов кислорода. В патенте США 5712055 раскрыто многокамерное построение материала электролита в топливном элементе. Описание указанных патентов включено в данное описание в качестве ссылки. Несмотря на то что упомянутые и другие известные схемы построения топливных элементов в некоторой степени решают задачу оптимизации, все еще существует необходимость в создании топливного элемента с лучшими параметрами.

Эта задача разрешена при помощи настоящего изобретения, в соответствии с которым предусмотрено создание керамического топливного элемента, который среди прочего включает в себя: (i) стабилизированную оксидом иттрия проводящую ионы кислорода керамику, содержащую оксид висмута и ZrO2, (ii) стабилизированную оксидом ниобия проводящую ионы кислорода керамику, содержащую оксид висмута, (iii) анодный электрод из медного кермета, расположенный в канале подачи топлива керамического топливного элемента из оксида висмута, или (iv) специально выполненные межканальные проходы в керамическом теле (материале) топливного элемента.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрено создание керамического топливного элемента, который включает в себя канал подачи окислителя, катодный электрод, установленный в канале подачи окислителя, канал подачи топлива, анодный электрод, установленный в канале подачи топлива, и стабилизированную оксидом иттрия проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута, которая установлена между катодным электродом и анодным электродом. Указанная керамика содержит ZrO2. Покрытие из оксида циркония может быть введено между стабилизированной оксидом иттрия керамикой и анодным электродом. Стабилизированная оксидом иттрия керамика преимущественно содержит ориентировочно от 70 до 80 мол.% Bi2O3, ориентировочно от 20 до 30 мол.% Y2O3 и ориентировочно от 1 до 5 мол.% ZrO2.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрено создание керамического топливного элемента, который включает в себя канал подачи окислителя, катодный электрод, установленный в канале подачи окислителя, канал подачи топлива, анодный электрод, установленный в канале подачи топлива, и стабилизированную оксидом ниобия проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута, которая установлена между катодным электродом и анодным электродом. Стабилизированная оксидом ниобия керамика преимущественно содержит ориентировочно от 80 до 90 мол.% Вi2О3 и ориентировочно от 10 до 20 мол.% Nb2O5.

Катодный или анодный электроды, или они оба преимущественно представляют собой керамические электроды. Материал керамического электрода представляет собой керамическую композицию LXM, в которой L обозначает лантан (La), M - манганат (MnО3) и Х - свинец (Pb). Поверх материала керамического электрода может быть нанесен слой серебра с подмешанным в него стеклом, причем стекло выбрано таким образом, чтобы улучшить адгезию слоя серебра к материалу керамического электрода.

В соответствии с некоторыми вариантами настоящего изобретения анодный электрод содержит медный кермет. Медный кермет может содержать смесь порошков CuO и керамики из оксида висмута. В качестве керамики из оксида висмута может быть выбрана проводящая ионы кислорода керамика из стабилизированного оксидом ниобия оксида висмута.

Проводящая ионы кислорода керамика может содержать множество каналов подачи окислителя и множество каналов подачи топлива. Каналы подачи окислителя могут быть ориентированы главным образом параллельно каналам подачи топлива, причем избранные каналы подачи окислителя преимущественно находятся в непосредственной близости от каналов подачи топлива. Более конкретно проводящая ионы кислорода керамика может иметь множество главным образом параллельных продольных каналов, некоторые из них представляют собой каналы подачи окислителя, а остальные - каналы подачи топлива.

Более того проводящий ионы кислорода керамический материал, имеющий каналы подачи окислителя и каналы подачи топлива, может иметь каналы, выполненные в виде первого и второго комплектов главным образом параллельных каналов, причем: (i) каждый из каналов имеет противоположные концы, (ii) противоположные концы первого комплекта каналов являются открытыми, (iii) противоположные концы второго комплекта каналов являются закрытыми, (iv) второй комплект каналов имеет межканальные проходы, образованные в керамическом материале между смежными каналами второго комплекта каналов, и (v) межканальные проходы расположены в непосредственной близости от одного из выбранных противоположных концов каналов. Второй комплект каналов может быть соединен с впускным и выпускным отверстиями, причем второй комплект каналов, впускное отверстие, выпускное отверстие и межканальные проходы выполнены таким образом, что они образуют путь движения потока от впускного отверстия через второй комплект каналов и межканальные проходы до выпускного отверстия. Межканальные проходы преимущественно выполнены у противоположных торцовых поверхностей (сторон) керамического тела.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрено создание керамического топливного элемента, который включает в себя канал подачи окислителя, катодный электрод, установленный в канале подачи окислителя, канал подачи топлива, анодный электрод из медного кермета, установленный в канале подачи топлива, и проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута, которая установлена между катодным электродом и анодным электродом. Анодный электрод из медного кермета преимущественно содержит смесь порошков CuO и керамики из оксида висмута.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрено создание керамического топливного элемента, который содержит проводящую ионы кислорода керамику, имеющую каналы, выполненные в виде первого и второго комплектов главным образом параллельных каналов, причем: (i) каждый из каналов имеет противоположные концы, (ii) противоположные концы первого комплекта каналов являются открытыми, (iii) противоположные концы второго комплекта каналов являются закрытыми, (iv) второй комплект каналов имеет межканальные проходы, образованные в керамическом материале между смежными каналами второго комплекта каналов, и (v) межканальные проходы расположены в непосредственной близости от одного из выбранных противоположных концов каналов. Первые электроды установлены соответственно в первом комплекте каналов, а вторые электроды установлены соответственно во втором комплекте каналов. Второй комплект каналов может быть соединен с впускным и выпускным отверстиями, причем второй комплект каналов, впускное отверстие, выпускное отверстие и межканальные проходы выполнены таким образом, что они образуют путь движения потока от впускного отверстия через второй комплект каналов и межканальные проходы до выпускного отверстия. Впускное отверстие преимущественно соединено с источником топлива, а первый комплект каналов соединен с источником окислителя, причем соответствующие первые электроды образуют катодные электроды, а соответствующие вторые электроды образуют анодные электроды. Альтернативно впускное отверстие может быть соединено с источником окислителя, а первый комплект каналов может быть соединен с источником топлива, так что соответствующие первые электроды образуют анодные электроды, а соответствующие вторые электроды образуют катодные электроды.

Топливный элемент может дополнительно содержать блок коллектора, который включает в себя: (i) впускной коллектор, соединенный с первой торцовой стороной керамического тела, причем впускной коллектор имеет первый коллекторный впуск, сообщающийся с первым комплектом каналов, (ii) выпускной коллектор, соединенный с противоположной торцовой стороной керамического тела, причем выпускной коллектор имеет первый коллекторный выпуск, сообщающийся с первым комплектом каналов, и (iii) боковой коллектор, соединенный с противоположными боковыми сторонами керамического тела, причем боковой коллектор имеет второй коллекторный впуск, сообщающийся с впускным отверстием, и второй коллекторный выпуск, сообщающийся с выпускным отверстием. Боковой коллектор и выпускной коллектор могут быть выполнены в виде единого коллекторного блока.

Одной из задач настоящего изобретения является создание керамического топливного элемента с более низкой стоимостью изготовления и с улучшенными рабочими характеристиками.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые позиционные обозначения относятся к аналогичным элементам и узлам.

На фиг. 1 показано схематично трехмерное изображение выбранных участков керамического топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 - в развернутом виде трехмерное изображение керамического топливного элемента и блока коллектора в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 - поперечное сечение выбранных участков керамического топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4 - поперечное сечение выбранных участков альтернативного керамического топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 1-4 показан керамический топливный элемент 10 в соответствии с настоящим изобретением. Керамический топливный элемент 10 содержит штампованную (полученную экструзией) многоячейковую керамическую структуру, которую можно также определить как сотовое керамическое тело 20. Тело 20 образовано из проводящей ионы кислорода керамики и содержит первый комплект каналов 22 и второй комплект каналов 24, главным образом параллельный первому комплекту каналов 22. Показанный на фиг.1 первый комплект каналов 22 расположен у противоположных боковых сторон 12, 14 керамического тела 20 и чередуется со смежными парами вторых каналов 24, расположенных между боковыми сторонами 12, 14. Каждый из каналов в соответствующем комплекте каналов 22, 24 имеет противоположные концы. Противоположные концы 22А, 22В первого комплекта каналов 22 являются открытыми. Противоположные концы 24А, 24В второго комплекта каналов 24 закрыты при помощи торцовых пластин 16 (только 2 из которых показаны на фиг.1). Кроме того, второй комплект каналов 24 содержит межканальные проходы 26, которые соединены с впускным отверстием 28 и с выпускным отверстием 29, которые выполнены в керамическом теле 20. Специалисты легко поймут, что керамическое тело в соответствии с настоящим изобретением необязательно должно быть сотового типа, как это показано на фиг.1.

Межканальные проходы 26 выполнены между смежными каналами второго комплекта 24 в непосредственной близости от одного из выбранных противоположных концов каналов 24А, 24В. Второй комплект каналов 24, впускное отверстие 28, выпускное отверстие 29, межканальные проходы 26 и торцовые пластины 16 создают путь движения потока от впускного отверстия 28 через второй комплект каналов 24 и межканальные проходы 26 до выпускного отверстия 29. В показанном на фиг.1 варианте межканальные проходы 26 являются смежными для некоторых (избранных) каналов второго комплекта 24 и выполнены у противоположных торцовых сторон 21, 23 керамического тела 20, причем межканальные проходы 26 выполнены таким образом, что движение потока изменяет направление на обратное после прохода через межканальные проходы. В каналах 22, 24 предусмотрена вводящая турбулентность вставка 25, например, сетка создания турбулентности, которая повышает кпд устройства за счет устранения ламинарного течения в каналах 22, 24.

Первые электроды 30 расположены соответственно в первом комплекте каналов 22, в то время как вторые электроды 40 расположены соответственно во втором комплекте каналов 24 (см. фиг.3 и 4). Если первый комплект каналов 22 соединен с линией подачи окислителя 52 блока коллектора 50, описанной далее подробно со ссылкой на фиг.2, а впускное отверстие 28 соединено с линией подачи топлива 54 блока коллектора 50, то соответствующие первые электроды 30 будут работать в качестве катодных электродов, а соответствующие вторые электроды 40 будут работать в качестве анодных электродов. Альтернативно если первый комплект каналов соединен с линией подачи топлива, а впускное отверстие соединено с линией подачи окислителя, то соответствующие первые электроды будут работать в качестве анодных электродов, а соответствующие вторые электроды будут работать в качестве катодных электродов.

Блок коллектора 50 в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг. 2. Блок коллектора 50 содержит линию подачи окислителя, или первый коллекторный впуск 52, линию подачи топлива, или второй коллекторный впуск 54, впускной коллектор 56, выпускной коллектор 58 и боковой коллектор 60. Как уже было упомянуто здесь ранее, в соответствии с настоящим изобретением линия подачи окислителя 52 и линия подачи топлива 54 могут быть перестыкованы с заменой одной линии на другую, при этом их расположение будет противоположным по сравнению с показанным на фиг.2.

Впускной коллектор 56 соединен с первой торцовой поверхностью 23 керамического тела 20, при этом первый коллекторный впуск 52 сообщается с первым комплектом каналов 22. Аналогично выпускной коллектор 58 соединен с противоположной торцовой поверхностью 21 керамического тела 20, при этом первый коллекторный выпуск 62, образованный в выпускном коллекторе 58, также сообщается с первым комплектом каналов 22. За счет такого построения газ от газового источника может проходить от первого коллекторного впуска 52 через первый комплект каналов 22 и выходить через первый коллекторный выпуск 62.

Боковой коллектор 60 соединен с противоположными сторонами 27 керамического тела 20. Соединение выполнено таким образом, что боковой коллектор 60 имеет второй коллекторный впуск 54, который соединен с впускным отверстием 28 керамического тела 20, причем второй коллекторный выпуск 64 соединен с выпускным отверстием 29 керамического тела 20. Боковой коллектор 60 и выпускной коллектор 58 преимущественно выполнены в виде единого коллекторного блока. Для поддержания соответствующей рабочей температуры керамического топливного элемента 10 предусмотрен нагревательный элемент 66.

Как это показано на фиг.2, впускной коллектор 56 выполнен таким образом, что его внутреннее пространство непосредственно сообщается только с открытыми каналами у первой торцовой поверхности 23. Аналогично выпускной коллектор 58 выполнен таким образом, что его внутреннее пространство непосредственно сообщается только с открытыми каналами у второй торцовой поверхности 21. Наконец, боковой коллектор 60 выполнен таким образом, что второй коллекторный впуск 54 непосредственно сообщается только с впускным отверстием 28, а второй коллекторный выпуск 56 непосредственно сообщается только с выпускным отверстием 29. Противоположные концы 24А, 24В второго комплекта каналов 24 герметично закрыты при помощи торцовых пластин 16, изготовленных из смеси стекол, которые могут быть закуплены на фирме Vitrifunction, Inc., Pittsburgh, PA (США), код изделия 2012 и 572. Пропорция каждого стекла выбрана таким образом, чтобы композиция имела коэффициент теплового расширения, совпадающий с коэффициентом теплового расширения керамического тела 20. Впускной коллектор 56, выпускной коллектор 58 и боковой коллектор 60 также уплотнены при помощи указанной смеси стекол. Впускной коллектор 56, выпускной коллектор 58 и боковой коллектор 60 изготовлены из металлического сплава, например, из сплава Incontl или из нержавеющей стали марки SS-430.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3 и 4, на которых показано схематично поперечное сечение керамического топливного элемента 10 в соответствии с настоящим изобретением. Первый комплект каналов 22 на фиг.3 и 4 идентичен рассмотренному ранее со ссылкой на фиг.1 комплекту и предназначен для использования в качестве каналов 22 для подачи окислителя. Второй комплект каналов 24 на фиг.3 и 4 идентичен рассмотренному ранее со ссылкой на фиг.1 комплекту и предназначен для использования в качестве каналов 24 для подачи топлива. Первые электроды 30 представляют собой катодные электроды, так как они установлены в каналах подачи окислителя 22, а вторые электроды 40 представляют собой анодные электроды, так как они установлены в каналах подачи топлива 24.

В показанном на фиг.3 варианте проводящий ионы кислорода керамический материал 20 состоит из стабилизированной оксидом ниобия проводящей ионы кислорода керамики из оксида висмута и содержит ориентировочно от 80 до 90 мол. % Вi2О3 и ориентировочно от 10 до 20 мол.% Nb2О5. Несмотря на то что стабилизированная оксидом ниобия керамика из оксида висмута может быть использована при работе с такими источниками топлива, как непреобразованный природный газ или метан, такая керамика особенно хорошо подходит для работы с такими источниками топлива, как водород, так как она является стойкой к водородному восстановлению и позволяет поддерживать минимальный электрический ток в керамическом материале 20 между катодными электродами 30 и анодными электродами 40. В показанном на фиг.3 стабилизированном оксидом ниобия керамическом топливном элементе из оксида висмута катодные электроды 30 обычно представляют собой керамические электроды с покрытием из серебра 32, которые далее описаны более подробно. Анодные электроды 40 обычно представляют собой электроды из медного кермета, которые также описаны далее более подробно.

В показанном на фиг.4 варианте проводящий ионы кислорода керамический материал 20 состоит из стабилизированной оксидом иттрия проводящей ионы кислорода керамики из оксида висмута и содержит ориентировочно от 70 до 80 мол. % Bi2O3, ориентировочно от 20 до 30 мол.% Y2О3 и ориентировочно от 1 до 5 мол.% ZrO2. Такая керамическая композиция сохраняет работоспособность при температурах ориентировочно до 650oС включительно, причем сажеобразование в каналах керамического материала 20 не создает проблем при использовании природного газа и метана в качестве топлива. Более того стабилизированная оксидом иттрия проводящая ионы кислорода керамика из оксида висмута обладает высокой фазовой стабильностью при обычных рабочих условиях в случае использования природного газа или метана.

В показанном на фиг.4 стабилизированном оксидом иттрия керамическом топливном элементе из оксида висмута катодные электроды 30 обычно представляют собой керамические электроды с покрытием из серебра 32, которые далее описаны более подробно. Анодные электроды 40 обычно представляют собой электроды из медного кермета, которые также далее описаны более подробно. Анодные электроды 40 могут быть также выполнены, как керамические электроды с покрытием из серебра 32, если только водород не использован в качестве топлива. В некоторых вариантах настоящего изобретения покрытие из оксида циркония 36 введено между стабилизированным оксидом иттрия керамическим материалом 20 и анодным электродом 40, особенно если в качестве топлива использован водород.

Слой серебра 32 нанесен поверх катодных электродов 30 и может быть также нанесен поверх анодных электродов 40 для снижения электрического удельного сопротивления указанных электродов. Следует, однако, иметь в виду, что нанесение серебряного покрытия поверх анодных электродов 40 не рекомендуется, если в качестве топлива использован водород. В специфических вариантах настоящего изобретения в слой серебра 32 дополнительно введено подмешанное в него стекло 34. Это стекло 34 выбирают таким образом, чтобы повысить адгезию слоя серебра 32 к лежащему под ним электроду. Серебряная паста, в которую входит композиция стекла, подходящая для образования слоя серебра, может быть закуплена на фирме Electroscience Laboratories, Inc., код продукта 9901.

Упомянутая здесь ранее электродная композиция из медного кермета содержит смесь порошков CuO и стабилизированной оксидом ниобия керамики из оксида висмута. Альтернативно медный кермет может содержать смесь порошков CuO и оксида циркония. Эти композиции медного кермета хорошо подходят для использования со стабилизированным оксидом иттрия керамическим материалом 20, так как их спекание происходит при более низких температурах, чем для стабилизированной оксидом иттрия керамики. Соответствующие процентные отношения порошков для изготовления электрода из медного кермета выбирают таким образом, что полученная композиция после восстановления содержит по меньшей мере 35 об. % Cu. В некоторых вариантах настоящего изобретения покрытие из оксида циркония 36, введенное между стабилизированным оксидом иттрия керамическим материалом 20 и анодным электродом 40, может быть удалено, особенно если композиция анодного электрода представляет собой медный кермет.

В качестве другого примера подходящей композиции керамического электрода в соответствии с настоящим изобретением можно привести проводящую керамическую композицию LXM, в которой L обозначает лантан (La), М - манганат (MnO3) и Х - свинец (Pb) или альтернативно наличие компонента, выбранного из стронция (Sr), кальция (Са) и бария (Ва). Этот керамический электрод особенно хорошо подходит для использования с покрытием из серебра 32, показанным на фиг.3 и 4.

Несмотря на то что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Керамический топливный элемент, отличающийся тем, что он включает в себя канал подачи окислителя, катодный электрод, установленный в указанном канале подачи окислителя, канал подачи топлива, анодный электрод, установленный в указанном канале подачи топлива, и стабилизированную оксидом натрия проводящую ноны кислорода керамику из оксида висмута, которая установлена между катодным электродом и анодным электродом, причем указанная стабилизированная оксидом иттрия керамика содержит ZrO.

2. Керамический топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что указанная стабилизированная оксидом иттрия керамика преимущественно содержит ориентировочно от 70 до 80 мол.% Bi2О3, ориентировочно от 20 до 30 мол.% V2О3 и ориентировочно от 1 до 5 мол.% ZrO2.

3. Керамический топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит покрытие из оксида циркония, введенное между стабилизированной оксидом иттрия керамикой и указанным анодным электродом.

4. Керамический топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что керамический электродный материал, из которого изготовлен по меньшей мере только катодный электрод или только анодный электрод, представляет собой керамическую композицию LХМ, где L - лантан (La), M - манганат (МnО3) и X - свинец (Рb).

5. Керамический топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что он дополнительно содержит покрытие в виде слоя серебра, нанесенного поверх материала керамического электрода.

6. Керамический топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что указанный слой серебра дополнительно содержит подмешанное в него стекло, причем стекло выбрано таким образом, чтобы повысить адгезию слоя серебра к материалу керамического электрода.

7. Керамический топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что анодный электрод содержит медный кермет.

8. Керамический топливный элемент по п.7, отличающийся тем, что медный кермет содержит смесь порошков СuО и керамики из оксида висмута.

9. Керамический топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что проводящая ионы кислорода керамика содержит проводящее ионы кислорода керамическое тело, имеющее канал подачи окислителя и канал подачи топлива, выполненные в виде первого и второго комплектов главным образом параллельных каналов, причем каждый из каналов имеет противоположные концы, противоположные концы первого комплекта каналов являются открытыми, противоположные концы второго комплекта каналов являются закрытыми, причем второй комплект каналов имеет межканальные проходы, образованные в керамическом теле между смежными каналами второго комплекта каналов, при этом межканальные проходы расположены в непосредственной близости от одного из выбранных противоположных концов каналов; причем второй комплект каналов соединен с впускным и выпускным отверстиями, при этом второй комплект каналов, впускное отверстие, выпускное отверстие и межканальные проходы выполнены таким образом, что они образуют путь движения потока от впускного отверстия через второй комплект каналов и межканальные проходы до выпускного отверстия.

10. Керамический топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что указанные межканальные проходы выполнены таким образом, что направление движения потока после прохождения через них изменяется на обратное.

11. Керамический топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что межканальные проходы выполнены у одной из торцевых поверхностей керамического тела.

12. Керамический топливный элемент по п.9, отличающийся тем, что межканальные проходы образованы между смежными каналами второго комплекта каналов и выполнены у противоположных торцевых поверхностей керамического тела.

13. Керамический топливный элемент, отличающийся тем, что он включает в себя канал подачи окислителя, катодный электрод, установленный в указанном канале подачи окислителя, канал подачи топлива, анодный электрод, установленный в указанном канале подачи топлива, и стабилизированную оксидом ниобия проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута, которая установлена между катодным электродом и анодным электродом.

14. Керамический топливный элемент по п.13, отличающийся тем, что стабилизированная оксидом ниобия керамика содержит ориентировочно от 80 до 90 мол.% Bi2O3 и ориентировочно от 10 до 20 мол.% Nb2O5.

15. Керамический топливный элемент по п.13, отличающийся тем, что керамический электродный материал, из которого изготовлен по меньшей мере только катодный электрод или только анодный электрод, представляет собой керамическую композицию LXM, где L - лантан (La), M - манганат (МnО3) и Х - свинец (Рb).

16. Керамический топливный элемент по п.15, отличающийся тем, что он дополнительно содержит покрытие в виде слоя серебра, нанесенного поверх материала керамического электрода.

17. Керамический топливный элемент по п.13, отличающийся тем, что указанный слой серебра дополнительно содержит подмешанное в него стекло, причем указанное стекло выбрано таким образом, чтобы повысить адгезию слоя серебра к материалу керамического электрода.

18. Керамический топливный элемент по п.13, отличающийся тем, что анодный электрод содержит медный кермет.

19. Керамический топливный элемент по п.18, отличающийся тем, что медный кермет содержит смесь порошков СuО и керамики из оксида висмута.

20. Керамический топливный элемент по п.19, отличающийся тем, что керамика из оксида висмута представляет собой стабилизированную оксидом ниобия проводящую ионы кислорода керамику, содержащую оксид висмута.

21. Керамический топливный элемент по п.13, отличающийся тем, что проводящая ионы кислорода керамика содержит множество каналов подачи окислителя и множество каналов подачи топлива, причем каналы подачи окислителя ориентированы главным образом параллельно каналам подачи топлива, при этом избранные каналы подачи окислителя преимущественно находятся в непосредственной близости от соответствующих каналов подачи топлива.

22. Керамический топливный элемент по п.13, отличающийся тем, что он содержит множество каналов подачи окислителя и множество каналов подачи топлива, причем проводящая ионы кислорода керамика имеет множество главным образом параллельных продольных каналов, при этом избранные из указанных продольных каналов представляют собой каналы подачи окислителя, а остальные представляют собой продольные каналы подачи топлива.

23. Керамический топливный элемент по п.13, отличающийся тем, что проводящая ионы кислорода керамика содержит проводящее ионы кислорода керамическое тело, имеющее канал подачи окислителя и канал подачи топлива, выполненные в виде первого и второго комплектов главным образом параллельных каналов, причем каждый из каналов имеет противоположные концы, противоположные концы первого комплекта каналов являются открытыми, противоположные концы второго комплекта каналов являются закрытыми, причем второй комплект каналов имеет межканальные проходы, образованные в керамическом теле между смежными каналами второго комплекта каналов, при этом межканальные проходы расположены в непосредственной близости от одного из выбранных противоположных концов каналов; причем второй комплект каналов соединен с впускным и выпускным отверстиями, при этом второй комплект каналов, впускное отверстие, выпускное отверстие и межканальные проходы выполнены таким образом, что они образуют путь движения потока от впускного отверстия через второй комплект каналов и межканальные проходы до выпускного отверстия.

24. Керамический топливный элемент по п.23, отличающийся тем, что указанные межканальные проходы выполнены таким образом, что направление движения потока после прохождения через них изменяется на обратное.

25. Керамический топливный элемент по п.24, отличающийся тем, что межканальные проходы выполнены у одной из торцевых поверхностей керамического тела.

26. Керамический топливный элемент по п.25, отличающийся тем, что межканальные проходы образованы между смежными каналами второго комплекта каналов и выполнены у противоположных торцевых поверхностей керамического тела.

27. Керамический топливный элемент, отличающийся тем, что он включает в себя канал подачи окислителя, катодный электрод, установленный в указанном канале подачи окислителя, канал подачи топлива, анодный электрод из медного кермета, установленный в указанном канале подачи топлива, и проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута, которая установлена между катодным электродом и анодным электродом.

28. Керамический топливный элемент по п.27, отличающийся тем, что медный кермет содержит смесь порошков СuО и керамики из оксида висмута.

29. Керамический топливный элемент по п.28, отличающийся тем, что керамика из оксида висмута представляет собой стабилизированную оксидом ниобия проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута.

30. Керамический топливный элемент по п.28, отличающийся тем, что керамика из оксида висмута представляет собой стабилизированную оксидом иттрия, проводящую ионы кислорода керамику из оксида висмута.

31. Керамический топливный элемент по п.27, отличающийся тем, что катодный электрод изготовлен из керамического электродного материала, который представляет собой керамическую композицию LXM, где L - лантан (La), М - манганат (МnО3), а Х - свинец (Рb).

32. Керамический топливный элемент по п.31, отличающийся тем, что катодный электрод дополнительно содержит слой серебра, введенный между указанной керамической композицией и каналом подачи окислителя.

33. Керамический топливный элемент по п.32, отличающийся тем, что слой серебра дополнительно содержит подмешанное в него стекло, причем указанное стекло выбрано таким образом, чтобы повысить адгезию слоя серебра к указанной керамической композиции.

34. Керамический топливный элемент по п.27, отличающийся тем, что проводящая ионы кислорода керамика содержит проводящее ионы кислорода керамическое тело, имеющее канал подачи окислителя и канал подачи топлива, выполненные в виде первого и второго комплектов главным образом параллельных каналов, причем каждый из каналов имеет противоположные концы, противоположные концы первого комплекта каналов являются открытыми, противоположные концы второго комплекта каналов являются закрытыми, причем второй комплект каналов имеет межканальные проходы, образованные в керамическом теле между смежными каналами второго комплекта каналов, при этом межканальные проходы расположены в непосредственной близости от одного из выбранных противоположных концов каналов; причем второй комплект каналов соединен с впускным и выпускным отверстиями, при этом второй комплект каналов, впускное отверстие, выпускное отверстие и межканальные проходы выполнены таким образом, что они образуют путь движения потока от впускного отверстия через второй комплект каналов и межканальные проходы до выпускного отверстия.

35. Керамический топливный элемент по п.34, отличающийся тем, что указанные межканальные проходы выполнены таким образом, что направление движения потока после прохождения через них изменяется на обратное.

36. Керамический топливный элемент по п.34, отличающийся тем, что межканальные проходы выполнены у одной из торцевых поверхностей керамического тела.

37. Керамический топливный элемент по п.34, отличающийся тем, что межканальные проходы выполнены у противоположных торцевых поверхностей керамического тела.

38. Керамический топливный элемент, отличающийся тем, что проводящее ионы кислорода керамическое тело содержит группу главным образом параллельных каналов, образующую первый комплект каналов и второй комплект каналов, причем каждый из каналов имеет противоположные концы, оба конца каналов первого комплекта каналов являются открытыми, оба конца каналов второго комплекта каналов являются закрытыми, причем второй комплект каналов содержит межканальные проходы, образованные в керамическом теле между его расположенными смежно каналами, при этом межканальные проходы расположены в непосредственной близости от выбранных противоположных концов каналов; причем соответствующие первые электроды расположены в первом комплекте каналов, а соответствующие вторые электроды расположены во втором комплекте каналов, причем второй комплект каналов соединен с впускным и выпускным отверстиями, при этом второй комплект каналов, впускное отверстие, выпускное отверстие и межканальные проходы выполнены таким образом, что они образуют путь движения потока от впускного отверстия через второй комплект каналов и межканальные проходы до выпускного отверстия.

39. Керамический топливный элемент по п.38, отличающийся тем, что впускное отверстие соединено с линией подачи топлива, а первый комплект каналов соединен с линией подачи окислителя таким образом, что соответствующие первые электроды работают в качестве катодных электродов, а соответствующие вторые электроды работают в качестве анодных электродов.

40. Керамический топливный элемент по п.38, отличающийся тем, что впускное отверстие соединено с линией подачи окислителя, а первый комплект каналов соединен с линией подачи топлива таким образом, что соответствующие первые электроды работают в качестве анодных электродов, а соответствующие вторые электроды работают в качестве катодных электродов.

41. Керамический топливный элемент по п.38, отличающийся тем, что указанные межканальные проходы выполнены таким образом, что направление движения потока после прохождения через них изменяется на обратное.

42. Керамический топливный элемент по п.38, отличающийся тем, что межканальные проходы выполнены у одной из торцевых поверхностей керамического тела.

43. Керамический топливный элемент по п.38, отличающийся тем, что межканальные проходы образованы между смежными каналами второго комплекта каналов и выполнены у противоположных торцевых поверхностей керамического тела.

44. Керамический топливный элемент по п.38, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вводящую турбулентность вставку, установленную в указанных первом и втором комплектах главным образом параллельных каналов.

45. Керамический топливный элемент по п.38, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок коллектора, который включает в себя впускной коллектор, соединенный с первой торцевой стороной керамического тела, причем впускной коллектор имеет первый коллекторный впуск, сообщающийся с первым комплектом каналов, выпускной коллектор, соединенный с противоположной торцевой стороной керамического тела, причем выпускной коллектор имеет первый коллекторный выпуск, сообщающийся с первым комплектом каналов, и боковой коллектор, соединенный с противоположными боковыми сторонами керамического тела, причем боковой коллектор имеет второй коллекторный впуск, сообщающийся с впускным отверстием, и второй коллекторный выпуск, сообщающийся с выпускным отверстием.

46. Керамический топливный элемент по п.38, отличающийся тем, что боковой коллектор и выпускной коллектор выполнены в виде единого коллекторного блока.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru