ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2011 года по МПК H01M8/24 H01M8/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к конструкциям батарей твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), и, более конкретно к конструкциям батарей элементов указанного типа, состоящим из металлических несущих трубчатых решеток с внутренними мембранами в виде топливных элементов.

Уровень техники

Устройства, обычно определяемые термином "топливные элементы", содержат пластины или трубы, непосредственно конвертирующие в электричество энергию, которая высвобождается при окислении водорода. Указанные элементы предоставляют возможность создать экологически чистый, бесшумный и эффективный источник питания для выработки электроэнергии в портативном варианте. Твердооксидные топливные элементы (в частности трубчатого типа) являются особо привлекательными кандидатами для использования в распределенных или централизованных системах энергоснабжения.

Технологии ТОТЭ обладают возможностями, обеспечивающими высокие удельные мощности, длительные и стабильные рабочие сроки службы, а также способность применять широкий спектр топлив, не требуя дорогостоящих процедур типа риформинга или очистки газа. Кроме того, они гарантируют высокие коэффициенты полезного действия системы для широкого диапазона энергии, вырабатываемой с целью ее транспортировки.

На существующем уровне технологиям ТОТЭ свойственны ограничения критического характера, в частности большие пусковые периоды (обычно от нескольких минут до нескольких часов) и высокая стоимость изготовления материалов. Это существенно ограничивает возможности их использования в важных коммерческих приложениях, таких как применение в автомобильных двигателях.

Раскрытие изобретения

В соответствии со сказанным одной из задач, на решение которых направлено настоящее изобретение, является разработка конструкций ТОТЭ, в которых сведены к минимуму применение дорогостоящих материалов, производственные затраты и пусковые периоды, а коэффициент полезного действия выработки энергии максимален. Прочие, дополнительные задачи, решаемые изобретением, будут очевидны из дальнейшего описания.

Согласно одному из аспектов изобретения перечисленные и другие задачи решаются созданием блока, который содержит комплект трубчатых решеток (листов) твердооксидных топливных элементов. Решетки имеют пористые металлические наружные поверхности, внутренние слои из топливных элементов и внутренние поверхности. В блоке имеется также, по меньшей мере, одна головная часть (распределитель), функционально связанная с комплектом трубчатых решеток и предназначенная для подачи первого и второго активных газов соответственно к пористым металлическим наружным поверхностям и к внутренним поверхностям. Кроме того, головная часть содержит, по меньшей мере, одну электрическую шину, выбранную из группы, которая состоит из наружной шины, находящейся в электрическом контакте с пористыми металлическими наружными поверхностями, и внутренней шины, находящейся в электрическом контакте с внутренними поверхностями.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 с отклонением от реального масштаба представляет изображенный под углом участок трубчатой решетки топливного элемента согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг.2 с отклонением от реального масштаба представляет изображенный под углом участок трубчатой решетки гофрированного топливного элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3a-3d на виде с торца представляют схематичные изображения набора трубчатых решеток топливных элементов согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4а с пространственным разделением компонентов представляет изображенный под углом набор топливных элементов согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4b представляет фрагмент показанного на фиг.4а набора в увеличенном масштабе.

Фиг.5 представляет изображенный под углом набор топливных элементов согласно варианту осуществления изобретения.

Фиг.6 с пространственным разделением компонентов представляет участок изображенного под углом набора топливных элементов согласно варианту осуществления изобретения, причем в данном случае трубчатые решетки соединены электрически параллельно одна другой.

Фиг.7а и 7b представляют показанный на фиг.6 участок набора в разрезе.

Фиг.8 представляет изображенную под углом головную часть согласно варианту осуществления настоящего изобретения, причем в данном случае трубчатые решетки соединены последовательно.

Фиг.9 представляет показанную на фиг.8 головную часть с другой стороны.

Фиг.10 представляет головную часть другого торца набора топливных элементов, изображенную под углом и со стороны головной части, показанной на фиг.8.

Фиг.11 представляет другую сторону головной части, показанной на фиг.10.

Фиг.12 на виде сверху и в осевом сечении иллюстрирует собранные трубчатую решетку и головную часть согласно варианту осуществления изобретения.

На чертежах эквивалентные элементы отмечены одинаковыми цифровыми обозначениями.

Для лучшего понимания изобретения в совокупности с его дополнительными и прочими задачами, преимуществами и возможностями далее приведены соответствующее описание и формула, которые следует рассматривать совместно с прилагаемыми чертежами.

Осуществление изобретения

Согласно изобретению улучшение параметров ТОТЭ достигается за счет применения комбинации наружной, предпочтительно металлической или какой-либо другой электропроводной несущей (опорной) конструкции 11 и внутренних мембран, собранных в виде батарей специальной конфигурации. Например, представленная на фиг.1 трубчатая решетка (трубчатый лист) 10 ТОТЭ представляет собой набор из двух или нескольких соединенных труб (как правило, цилиндрических) с отверстиями 18, т.е. имеющих поперечное сечение в форме кольца. Наружную несущую конструкцию 11 решетки можно изготовить из любого прочного пористого токопроводящего металла или какого-либо другого электропроводного материала, причем любыми обычными методами, включая прессование в прессформе, экструзионное или изостатическое прессование, литье и штамповку. Необходимо, чтобы трубы внутри решетки были открыты с обоих концов, а отверстия 18 проходили по всему объему, насквозь.

Каждое отверстие 18 (обычно цилиндрическое) определяется размерами трубчатой решетки 10 и имеет на своей внутренней стороне многослойное покрытие с формированием слоев топливных элементов (ТОТЭ) указанной решетки. Первое покрытие, прилегающее к пористой несущей конструкции 11, может представлять собой пористый анод 12, такой как Ni-Ni анод с иттрием, стабилизированным, например, цирконием. Анод 12 покрыт внутри плотным электролитом 13, таким, например, как Y₂O₃-ZrO₂. Электролит 13 перекрыт изнутри пористым катодом 14, например из LaMnO₃. Составы слоев электродов и электролита, применяемые для изготовления трубчатой решетки ТОТЭ, для настоящего изобретения некритичны. Кроме того, анодный и катодный слои можно поменять местами.

Для данного изобретения не имеют критического характера также такие параметры, как форма поперечного сечения решетки 10 и задаваемая этой формой геометрия отверстий 18. Тем не менее, оказалось, что некоторые формы более предпочтительны. В особенности это относится к конфигурациям, которые способствуют контакту активных газов с соответствующими поверхностями трубчатой решетки 10. На фиг.2 представлен пример трубчатой решетки 10' ТОТЭ, показывающий, что внутренние и/или наружные поверхности могут иметь волнообразный (гофрированный) профиль, который увеличивает площадь указанных поверхностей и способствует турбулентности активных газов.

Фиг.3а иллюстрирует вариант осуществления изобретения, в котором множество трубчатых решеток 10 размещено в виде многоярусного комплекта (набора) 120. Трубы в ней расположены в шахматном порядке и разделены зигзагообразными зазорами 26, способствующими турбулентности протекающих через них активных газов. Допустима также и структура без зигзагов. Хотя предпочтительны непрямолинейные зазоры 26, варианты осуществления изобретения с прямолинейными зазорами также работоспособны. Несмотря на то, что желательно составить указанную конструкцию из двух или нескольких трубчатых решеток 10, при конструировании ТОТЭ предусмотрена возможность использования и единичной решетки.

Согласно изобретению возможно практически бесконечное количество вариантов форм трубчатых решеток и зазоров между ними. В частности, на фиг.3b, 3с и 3d представлены варианты изобретения, в которых решетки, соответственно 30, 34, 38, имеют различные конфигурации, определяя тем самым различную форму зазоров 32, 36, 40.

Согласно фиг.4а, 4b и 5 трубчатые решетки 10 можно расположить в блоке 50 ТОТЭ в виде комплекта типа батареи. Блок 50 имеет кожух 52 и торцевые насадки 54, 56 на его концах. Впускная насадка 54 снабжена впускными отверстиями 58, позволяющими воздуху проходить в блок 50, входным отверстием 60 для топлива и электрическим разъемом 62, как правило, снабженным уплотнением и/или электрической изоляцией. Выпускная насадка 56 снабжена выходом 64 для топлива и выпускными отверстиями для воздуха, аналогичными впускным отверстиям 58. Предусмотрена возможность сделать насадки 54 и 56 идентичными, за исключением того, что внутреннюю часть электрического разъема 62 можно разместить в наиболее удобном месте, например, у любой из насадок. В блоке 50 ТОТЭ трубчатые решетки 10 у каждого своего конца удерживаются в нужных позициях посредством описанных далее деталей.

На фиг.4а, 4b, 5, 6, 7а и 7b представлены варианты осуществления изобретения, в которых решетки 10 электрически соединены между собой параллельно. Комплект 120 решеток 10 на каждом своем конце заключен в несущее (опорное) средство, которое может содержать различные функциональные компоненты. Первым таким компонентом является наружная шина 124, электрически связанная с наружными металлическими компонентами решеток 10. Данная шина снабжена отверстиями 126, имеющими форму прорезей, причем указанные отверстия согласованы по положению и размерам с решетками 10 таким образом, чтобы воздух мог попасть через отверстия 126 в отверстия 18. Предусмотрена возможность оборудовать шину 124 пальцами, втулками, фланцами или выступающими компонентами 125 какого-то другого типа, которые связаны с отверстиями 126, охватывают трубы решеток 10 и контактируют с их наружными поверхностями, обеспечивая электрическое соединение с ними. Указанную шину можно припаять, приварить, запрессовать или каким-либо другим образом прочно прикрепить к каждой решетке 10, тем самым удерживая комплект 120 в виде единого целого и/или обеспечивая надежное электрическое соединение. В качестве дополнительных опор решеток 10 между их концами можно использовать и другие пластины (не показаны), причем не обязательно токопроводящие, подобные по форме наружной шине 124. Предусмотрена возможность снабдить шину 124 встроенным вводом 127 в виде, например, выступа, штыря или столбика.

Следующим компонентом является изолятор 128 с отверстиями 130, которые соосны с трубчатыми решетками 10, что позволяет воздуху проходить через отверстия 18. Изготовить указанный изолятор можно, например, из оксида алюминия или из какого-то другого изолирующего материала. Изолятор изолирует наружную электрическую шину 124.

Кроме того, в устройстве имеется внутренняя электрическая шина 132, в которой выполнены отверстия 134. Указанные отверстия соосны с трубчатыми решетками 10, что позволяет воздуху проходить через отверстия 18. Указанная шина изолирована изолятором 128, что предотвращает электрический контакт между ней и наружной шиной 124. Внутренняя шина 132 снабжена пальцами, втулками, фланцами или выступающими компонентами 136 какого-то другого типа, которые связаны с отверстиями 134, входят в отверстия 18 решеток 10 и контактируют с внутренними поверхностями трубчатых решеток 10, обеспечивая с ними электрическое соединение. Указанную шину можно припаять, приварить, запрессовать или каким-либо другим образом прочно закрепить в каждой решетке 10, тем самым удерживая комплект 120 в виде единого целого и/или обеспечивая надежное электрическое соединение. Предусмотрена возможность снабдить шину 132 встроенным вводом 137 в виде, например, выступа, штыря или столбика.

Далее, устройство оборудовано торцевой насадкой 54, которая обладает изолирующими свойствами или снабжена изоляционной (в электрическом плане) внутренней прокладкой, которая предотвращает приводящий к короткому замыканию ее электрический контакт с шинами 124, 132. В указанной насадке выполнено входное отверстие 60, через которое первый активный газ (обычно топливо) направляется к пористой токопроводящей наружной поверхности трубчатых решеток 10. Кроме того, имеется вход 58, направляющий второй активный газ (обычно воздух) к внутренней поверхности указанных решеток. Предусмотрена возможность наличия в насадке изолирующей опорной детали 62, используемой для размещения вводов 127 и 137. Такой деталью может быть изолирующая втулка, блокирующее соединительное звено или любая другая деталь, которая обеспечивает выполнение, по меньшей мере, одной функции, выбранной из следующей группы: облегчение процедуры сборки, фиксация вводов, изоляция, придание жесткости и прочности. В насадке 54 можно выполнить паз 55 или использовать какое-то другое средство, позволяющее герметично прикрепить ее к кожуху 52.

Головную часть блока топливных элементов можно определить как любую комбинацию несущих (опорных) средств с одним или несколькими различными компонентами, с помощью которых первый и второй активные газы подаются соответственно к наружным поверхностям и к внутренним поверхностям трубчатых решеток 10. В состав головной части входит также, по меньшей мере, одна из наружной и внутренней электрических шин 124, 132. Головная часть является важной частью блока по изобретению, поскольку в предлагаемой конфигурации наружная сторона решеток 10 окружена топливом (например водородом), предотвращающим окисление их металлических компонентов. Внутренние стороны труб решеток 10 находятся в воздухе, поставляющем кислород. Между топливом и кислородом, диффундирующим в слои топливных элементов, протекает электрохимическая реакция, производящая электричество.

Предусмотрена возможность выполнить наружную шину 124, изолятор 128 и внутреннюю шину 132 в виде единого (цельного) компонента головной части, имеющего в этом случае несколько слоев. Изолятор может служить опорой для трубчатых решеток 10, причем на обе его стороны можно нанести электропроводные покрытия (например, из металла), которые будут выполнять функцию электрических шин 124, 132.

На фиг.8-12 представлен вариант осуществления изобретения, согласно которому пары трубчатых решеток 10 соединены между собой электрически последовательно. На каждом конце батареи трубчатые решетки 10 опираются на прочные изолирующие несущие (опорные) пластины 302, 352. По меньшей мере, на одной из указанных пластин дополнительно предусмотрен электрический ввод (в приведенном примере таким вводом является контактный выступ 308). В пластинах 302, 352 выполнены отверстия (соответственно 360, 362), соосные с отверстиями 18 трубчатых решеток 10, т.е. позволяющие воздуху проходить насквозь.

Наружные шины 310 и внутренние шины 312 наклеены на соответствующие стороны несущих пластин 302, 352, образуя, как показано на чертеже, единую комбинацию с изолирующими пространственно разделенными ленточными элементами 322, которые соединяют решетки 10, по желанию, последовательно и/или параллельно. В представленном варианте решетки соединены в параллельные вертикальные батареи, которые, в свою очередь, последовательно соединены по горизонтали. Наружная и внутренняя шины проходят поверх соответствующих сторон контактного выступа 308, обеспечивая соответствующие наружные электрические выводы 314, 316, сопрягающиеся с ответной частью разъема (не показана).

Трубчатые решетки 10 без зазора входят в прорези 304 наружной и внутренней шин, упираясь при этом в несущие пластины 302, 352. Для прикрепления наружных шин 310 к внешним сторонам решеток и обеспечения электрического контакта с ними можно использовать паяные стыки 326. Чтобы обеспечить такой же контакт с внутренними сторонами решеток, через прорези 304 можно ввести полые стержни в виде, например, заклепок 320. Для прикрепления их к внутренним шинам 312 предусмотрена возможность использования паяных стыков 328 (фиг.12).

Для специалистов в этой области будет понятно, что описанные выше входы для топлива и воздуха относятся к стандартному типу и могут иметь любые подходящие размер, форму, конфигурацию и/или местоположение на блоке. Более того, для всех представленных вариантов осуществления типичными являются электрические вводы, которые также могут иметь любые подходящие размер, форму, конфигурацию и/или местоположение на блоке. Функцию вводов могут выполнять штыри батареи. В другом варианте вводы можно встроить в одну или несколько электрических вилок, разъемов, розеток и/или других подобных узлов. Предусмотрена возможность присоединения вводов к токосъемным устройствам посредством любого пригодного традиционного средства, например, проводов, пластин, накладок и других подобных деталей.

Настоящее изобретение обеспечивает также преимущества, связанные с хорошей герметизацией, поскольку наличие металлической опоры позволяет использовать паяные и/или сварные швы.

Хотя в данном документе рассмотрены и описаны варианты осуществления, представляющиеся в настоящее время предпочтительными, для специалистов в этой области будет очевидно, что возможны различные изменения и модификации, которые не выходят за границы изобретения, определенные прилагаемой формулой.

Изобретение относится к конструкции батарей твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), и более конкретно к конструкциям батарей элементов указанного типа, состоящим из металлических несущих трубчатых решеток с внутренними мембранами в виде топливных элементов. Согласно изобретению блок топливных элементов содержит комплект трубчатых решеток твердооксидных топливных элементов, причем указанные решетки снабжены множеством сквозных отверстий и имеют пористые металлические наружные поверхности, внутренние слои из топливных элементов, расположенные на внутренней стороне указанных отверстий, и внутренние поверхности; и, по меньшей мере, одну головную часть, функционально связанную с комплектом трубчатых решеток твердооксидных топливных элементов и предназначенную для подачи первого активного газа к пористым металлическим наружным поверхностям и для подачи второго активного газа к указанным внутренним поверхностям, при этом головная часть дополнительно характеризуется наличием наружной шины, находящейся в электрическом контакте с пористыми металлическими наружными поверхностями, и внутренней шины, находящейся в электрическом контакте с указанными внутренними поверхностями. Техническим результатом является уменьшение производственных затрат и пусковых периодов, минимальное использование дорогостоящих материалов, увеличение коэффициента полезного действия выработки энергии. 16 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Блок топливных элементов, характеризующийся тем, что содержит комплект трубчатых решеток твердооксидных топливных элементов, причем указанные решетки снабжены множеством сквозных отверстий и имеют пористые металлические наружные поверхности, внутренние слои из топливных элементов, расположенные на внутренней стороне указанных отверстий, и внутренние поверхности; и, по меньшей мере, одну головную часть, функционально связанную с комплектом трубчатых решеток твердооксидных топливных элементов и предназначенную для подачи первого активного газа к пористым металлическим наружным поверхностям и для подачи второго активного газа к указанным внутренним поверхностям, при этом головная часть дополнительно характеризуется наличием наружной шины, находящейся в электрическом контакте с пористыми металлическими наружными поверхностями, и внутренней шины, находящейся в электрическом контакте с указанными внутренними поверхностями.

2. Блок по п.1, отличающийся тем, что головная часть образует физическую опору для комплекта трубчатых решеток твердооксидных топливных элементов.

3. Блок по п.1, отличающийся тем, что головная часть выполнена заодно с наружной электрической шиной.

4. Блок по п.1, отличающийся тем, что головная часть несет наружную электрическую шину.

5. Блок по п.3, отличающийся тем, что головная часть выполнена заодно с внутренней электрической шиной.

6. Блок по п.1, отличающийся тем, что головная часть несет внутреннюю электрическую шину.

7. Блок по п.1, отличающийся тем, что трубчатые решетки твердооксидных топливных элементов соединены электрически параллельно.

8. Блок по п.1, отличающийся тем, что трубчатые решетки твердооксидных топливных элементов электрически соединены последовательно.

9. Блок п.8, отличающийся тем, что у внутренней электрической шины имеется множество компонентов.

10. Блок по п.9, отличающийся тем, что головная часть дополнительно содержит электроизоляционный материал, который физически поддерживает компоненты внутренней электрической шины.

11. Блок по п.8, отличающийся тем, что у наружной электрической шины имеется множество компонентов.

12. Блок по п.11, отличающийся тем, что головная часть дополнительно содержит электроизоляционный материал, который физически поддерживает компоненты наружной электрической шины.

13. Блок по п.1, отличающийся тем, что предусмотрен изолятор, на стороны которого нанесены электропроводные покрытия, выполняющие функцию указанных шин.

14. Блок по п.1, отличающийся тем, что наружная шина содержит отверстия, которые согласованы по положению и размерам с трубчатыми решетками таким образом, чтобы воздух мог попасть в указанное множество сквозных отверстий.

15. Блок по п.14, отличающийся тем, что внутренняя шина содержит отверстия, которые соосны с трубчатыми решетками, что позволяет воздуху проходить через указанное множество сквозных отверстий.

16. Блок по п.15, отличающийся тем, что предусмотрен изолятор, на стороны которого нанесены электропроводные покрытия, выполняющие функцию указанных шин, причем изолятор содержит отверстия, которые соосны с трубчатыми решетками, что позволяет воздуху проходить через указанное множество сквозных отверстий.

17. Блок по п.1, отличающийся тем, что внутренняя шина содержит отверстия, которые соосны с трубчатыми решетками, что позволяет воздуху проходить через указанное множество сквозных отверстий.