Батарея топливных элементов и способ ее формирования (варианты) - RU2004126863A

Реферат

1. Батарея топливных элементов, которая включает в себя

(a) множество трубчатых топливных элементов, причем каждый топливный элемент включает в себя слой внутреннего электрода, слой внешнего электрода и слой электролита, образующие многослойную структуру между слоями внутреннего и внешнего электродов;

(b) сплошную твердофазную пористую матрицу, в которую встроены топливные элементы;

причем первый реагент протекает через матрицу в слой внешнего электрода по меньшей мере одного из топливных элементов, а второй реагент протекает через внутреннее пространство по меньшей мере одного из топливных элементов к его внутреннему электроду.

2. Батарея топливных элементов по п.1, в которой матрица представляет собой твердотельный поропласт.

3. Батарея топливных элементов по п.2, в которой матрица имеет пористость от 25 до 95%.

4. Батарея топливных элементов по п.3, в которой матрица имеет пористость от 40 до 95%.

5. Батарея топливных элементов по п.4, в которой матрица имеет пористость около 60%.

6. Батарея топливных элементов по п.1, в которой слой внутреннего электрода представляет собой анод, а слой внешнего электрода представляет собой катод, причем первый реагент представляет собой окислитель, а второй реагент представляет собой топливо.

7. Батарея топливных элементов по п.1, в которой слой внутреннего электрода представляет собой катод, а слой внешнего электрода представляет собой анод, причем первый реагент представляет собой топливо, а второй реагент представляет собой окислитель.

8. Батарея топливных элементов по п.1, в которой использованы топливные элементы твердооксидного типа, причем композиция матрицы включает в себя электронный или смешанный ионный и электронный проводящий керамический, металлический или керметный материал.

9. Батарея топливных элементов по п.8, в которой материал матрицы выбран из группы, в которую входят: манганат лантан стронций, La_1-xSr_xCrO₃, La_1-хСа_хCrO₃, La_1-xMg_xCrO₃, LaCr(Mg)O₃ и LaCa_1-хCr_уО₃; нержавеющая сталь марки 316 и 316L; Ni-стабилизированный диоксидом иттрия диоксид циркония; кермет Ni и легированный диоксид циркония; кермет легированный Ni - СеО₂; кермет легированный Cu - диоксид церия; кермет серебро - (Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид; кермет серебро - (Y-Ва-Cu-О)-оксид; кермет серебро - легирующий элемент -(Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид; кермет серебро-легирующий элемент - (Y-Ва-Cu-О)-оксид; серебро и его сплавы, сплав инконель или любые супер-сплавы, ферритная сталь, SiC и MoSi₂.

10. Батарея топливных элементов по п.1, в которой диаметр по меньшей мере одного из топливных элементов лежит в диапазоне ориентировочно от 10 до 5000 мкм.

11. Батарея топливных элементов по п.10, в которой слой внутреннего электрода по меньшей мере одного из топливных элементов изготовлен способом, выбранным из группы, в которую входят электрофоретическое осаждение, электроосаждение металла и электроосаждение композита.

12. Способ формирования батареи топливных элементов, который включает в себя следующие операции:

(а) формирование множества трубчатых топливных элементов, причем каждый топливный элемент имеет слой внутреннего электрода, слой внешнего электрод и слой электролита, образующие многослойную структуру между слоями внутреннего и внешнего электродов;

(b) покрытие топливных элементов суспензией, содержащей материал матрицы, который после спекания становится сплошной твердофазной пористой матрицей;

(c) объединение топливных элементов в батарею таким образом, что покрытие суспензией каждого топливного элемента находится в контакте с покрытием суспензией смежных топливных элементов; и

(d) спекание покрытых и объединенных в батарею топливных элементов, для отверждения матрицы и заделки в нее топливных элементов,

в результате чего получают батарею, в которой первый реагент протекает через матрицу в слой внешнего электрода по меньшей мере одного из топливных элементов, а второй реагент протекает через внутреннее пространство по меньшей мере одного из топливных элементов к его внутреннему электроду.

13. Способ по п.12, в котором операция формирования топливного элемента включает в себя первое формирование слоя внутреннего электрода на горючем катоде осаждения при помощи способа, выбранного из группы, в которую входят электрофоретическое осаждение, электроосаждение металла и электроосаждение композита, затем формирование слоя электролита на слое внутреннего электрода при помощи электрофоретического осаждения, а после этого, формирование слоя внешнего электрода на слое электролита, и затем проведение операции спекания, при которой сгорает катод осаждения.

14. Способ по п.12, в котором материал матрицы в суспензии выбран из группы, в которую входят: манганат лантан стронций, La_1-xSr_xCrO₃, La_1-хСа_хCrO₃, La_1-xMg_xCrO₃, LaCr(Mg)O₃ и LaCa_1-хCr_уО₃, нержавеющая сталь марки 316 и 316L, Ni-стабилизированный диоксидом иттрия диоксид циркония, кермет Ni и легированный диоксид циркония, кермет легированный Ni - СеО₂, кермет легированный Cu - диоксид церия, кермет серебро - (Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид; кермет серебро - (Y-Ва-Cu-О)-оксид; кермет серебро - легирующий элемент -(Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид; кермет серебро-легирующий элемент - (Y-Ва-Cu-О)-оксид; серебро и его сплавы, сплав инконель или любые супер-сплавы, ферритная сталь, SiC и MoSi₂.

15. Способ по п.14, в котором суспензия дополнительно включает в себя пенообразующее вещество, такое что после выбранной термообработки образуется твердотельная поропластовая матрица.

16. Способ по л. 15, в котором суспензия дополнительно включает в себя горючие частицы, которые сгорают во время выбранной термообработки с образованием пор в матрице.

17. Способ по п.14, в котором суспензия дополнительно включает в себя горючие частицы, которые сгорают во время выбранной термообработки с образованием пор в матрице.

18. Способ по п.12, в котором операции покрытия топливных элементов суспензией и объединения топливных элементов в батарею предусматривают объединение топливных элементов в батарею в контейнере, а затем добавление суспензии в контейнер, таким образом, что топливные элементы в контейнере будут погружены в суспензию.

19. Способ по п.12, в котором операции покрытия топливных элементов суспензией и объединения топливных элементов в батарею предусматривают покрытие каждого топливного элемента и затем введение горючих прокладок между топливными элементами, ранее операции объединения.

20. Способ по п.12, в котором операции покрытия топливных элементов суспензией и объединения топливных элементов в батарею предусматривают покрытие каждого топливного элемента и затем, ранее операции объединения, введение металлических распорок между топливными элементами, которые остаются после спекания и служат в качестве токосъемников и как механическая опора для батареи.

21. Способ по п.12, в котором операции покрытия топливных элементов суспензией и объединения топливных элементов в батарею предусматривают покрытие топливных элементов, затем помещение покрытых топливных элементов на гибкий лист, а затем перемещение листа таким образом, что топливные элементы образуют желательную конфигурацию батареи.

22. Способ формирования батареи топливных элементов, который включает в себя следующие операции:

(a) формирование множества трубчатых топливных элементов, причем каждый топливный элемент имеет слой внутреннего электрода, слой внешнего электрода и слой электролита, образующие многослойную структуру между слоями внутреннего и внешнего электродов;

(b) введение множества горючих элементов в конфигурацию батареи, а затем погружение горючих элементов в суспензию, содержащую материал матрицы, который после спекания становится твердотельной электронный или смешанный электронный и ионный проводящей пористой матрицей;

(c) спекание суспензии и горючих элементов, таким образом, что образуется матрица, а горючие элементы сгорают, в результате чего получают множество каналов в матрице;

(d) введение по меньшей мере одного топливного элемента по меньшей мере в один канал;

в результате чего получают батарею, в которой первый реагент протекает через матрицу в слой внешнего электрода по меньшей мере одного из топливных элементов, а второй реагент протекает через внутреннее пространство по меньшей мере одного из топливных элементов к его внутреннему электроду.

23. Способ по п.22, который дополнительно включает в себя, по меньшей мере для одного топливного элемента, добавку связующего вещества в канал между топливным элементом и матрицей, а затем спекание суспензии, таким образом, что топливный элемент будет заделан в матрицу.

24. Способ формирования батареи топливных элементов, который включает в себя следующие операции:

(a) формирование множества трубчатых топливных элементов, причем каждый топливный элемент имеет слой внутреннего электрода, слой внешнего электрода и слой электролита, образующие многослойную структуру между слоями внутреннего и внешнего электродов;

(b) заделка топливных элементов в горючий материал трафарета;

(c) пропитка материала трафарета суспензией, содержащей материал матрицы, который после спекания становится сплошной твердофазной пористой матрицей.

(d) спекание пропитанного суспензией материала трафарета, таким образом, что материал трафарета сгорает и образуется матрица;

в результате чего получают батарею, в которой первый реагент протекает через матрицу в слой внешнего электрода по меньшей мере одного из топливных элементов, а второй реагент протекает через внутреннее пространство по меньшей мере одного из топливных элементов к его внутреннему электроду.

25. Способ по п.24, в котором топливный элемент встроен в материал трафарета до спекания.

26. Способ по п.24, в котором топливный элемент и связующее вещество вводят в матрицу после спекания, после чего проводят термообработку связующего вещества, которая достаточна для того, чтобы соединить топливный элемент с матрицей.

27. Способ по п.24, в котором материал трафарета выбирают из группы, в которую входят губка, углеродный войлок и графитный войлок.

28. Устройство для разделения флюида, которое включает в себя

(a) множество блоков трубчатых мембран для разделения флюида, причем каждый блок включает в себя пористый разделительный слой и пористый опорный слой, имеющий контакт с разделительным слоем, при этом пористость разделительного слоя выбрана с учетом разделяемых флюидов; и

(b) сплошную твердотельную пористую матрицу, в которую встроены указанные блоки,

причем не разделенный флюид протекает через матрицу или через внутреннее пространство по меньшей мере одного из блоков, а флюид, выделенный из неразделенного флюида при помощи разделительного слоя, протекает через внутреннее пространство по меньшей мере одного из блоков или через матрицу.

29. Устройство для разделения флюида по п.28, в котором разделительный слой имеет толщину от 0,5 до 100 мкм.

30. Устройство для разделения флюида по п.29, в котором разделительный слой имеет толщину от 0,5 до 30 мкм.

31. Устройство для разделения флюида по п.28, в котором средний размер пор разделительного слоя лежит в диапазоне от 0,05 до 10 мкм.

32. Устройство для разделения флюида по п.31, в котором средний размер пор опорного слоя больше или равен среднему размеру пор разделительного слоя.

33. Устройство для разделения флюида по п.28, в котором композиция опорного слоя и разделительного слоя содержит один или несколько материалов, выбранных из группы, в которую входят Al₂O₃, диоксид циркония, SiO₂, SiC, Si₃N₄, глина, муллит, композиты Al₂O₃ - диоксид циркония и TiO₂.

34. Устройство для разделения флюида по п.28, в котором матрица представляет собой твердотельный поропласт.

35. Устройство для разделения флюида по п.34, в котором композиция матрицы содержит один или несколько материалов, выбранных из группы, в которую входят Al₂O₃, диоксид циркония, композиты Al₂О₃ - диоксид циркония, сталь, SiO₂, SiC, Si₃N₄, глина, муллит и TiO₂.

36. Устройство для разделения флюида по п.35, в котором матрица покрыта TiO₂ фотокатализатором.

37. Устройство для разделения флюида по п.28, в котором разделительный слой представляет собой разделительную мембрану мембранного реактора и имеет композицию, которая содержит материал, который повышает степень конверсии или избирательность одной или нескольких химических реакций для флюидов, протекающих через устройство.

38. Устройство для разделения флюида по п.37, в котором разделительная мембрана мембранного реактора имеет композицию, которая содержит материал, выбранный из группы, в которую входят Pd и Sr-Fe-Co-O.

39. Устройство для разделения флюида по п.38, в котором разделительная мембрана мембранного реактора имеет композицию, которая содержит Pd и имеет толщину ориентировочно от 0.5 до 10 мкм.

40. Устройство для разделения флюида по п.38, в котором разделительная мембрана мембранного реактора имеет композицию, которая содержит Sr-Fe-Co-O и имеет толщину от 0.5 до 50 мкм.

41. Батарея топливных элементов по п.1, в которой матрица включает в себя металлическую нить.

42. Батарея топливных элементов по п.1, в которой матрица включает в себя металлическую, керамическую или керметную вату.

43. Батарея топливных элементов, которая включает в себя

(а) множество трубчатых топливных элементов, причем каждый топливный элемент включает в себя слой внутреннего электрода, слой внешнего электрода и слой электролита, образующие многослойную структуру между слоями внутреннего и внешнего электродов: и

(b) сплошную твердотельную поропластовую матрицу, в которую встроены топливные элементы,

причем первый реагент протекает через матрицу в слой внешнего электрода по меньшей мере одного из топливных элементов, а второй реагент протекает через внутреннее пространство по меньшей мере одного из топливных элементов к его внутреннему электроду.

44. Батарея топливных элементов по п.43, в которой диаметр по меньшей мере одного из топливных элементов лежит в диапазоне от 10 до 5000 мкм.

45. Батарея топливных элементов по п.44, в которой слой внутреннего электрода по меньшей мере одного из топливных элементов изготовлен способом, выбранным из группы, в которую входят электрофоретическое осаждение, электроосаждение металла и электроосаждение композита.