Изобретение касается области топливных элементов, более конкретно узла сжатия для распределения наружного усилия сжатия к стопке твердооксидных топливных элементов и стопке твердооксидных топливных элементов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, в котором производят электричество. Топливо, обычно водород, окисляется на топливном аноде, а кислород, обычно воздух, восстанавливается на катоде для производства электрического тока и с образованием в качестве побочного продукта воды и тепла. Водород также может быть получен с помощью внутреннего реформинга углеводорода, такого как метан, в топливном элементе. Требуется электролит, который находится в контакте с анодом и катодом и может быть щелочью или кислотой, жидким или твердым.
В твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) электролит является твердым, не пористым материалом оксида металла. ТОТЭ представляет собой высокотемпературный топливный элемент, работающий при температурах от 650 до 1000°С. Они обычно подходят для внутреннего реформинга топлив, таких как метан.
Использование ТОТЭ при производстве электроэнергии обеспечивает возможные экологические преимущества по сравнению с производством электроэнергии из таких источников, как сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Стопка ТОТЭ планарного типа стоит из множества плоских пластин твердооксидных топливных элементов, сложенных стопкой друг на друга и вставленных между двумя плоскими концевыми пластинами, состоящими из первой концевой пластины, смежной первому твердооксидному топливному элементу и второй концевой пластины, смежной последнему твердооксидному топливному элементу. Твердооксидные топливные элементы уплотнены по их краям с помощью газонепроницаемого уплотнения из обычного стекла или других хрупких материалов, чтобы предотвратить утечку газа из боковых сторон стопки. Между каждым отдельным твердооксидным топливным элементом имеется соединение для сбора и распределения газа.
Стопку ТОТЭ химически сжимают путем приложения усилий на двух концевых пластинах. Концевые пластины могут быть выполнены, например, из металла. Сжатие концевых пластин имеет достаточную прочность для обеспечения того, что в процессе работы газонепроницаемое уплотнение, присутствующее на краях ТОТЭ, остается газоплотным, поддерживается электрический контакт между различными слоями сопки ТОТЭ, и в то же время прочность, достаточно низкую для гарантии того, что стопка ТОТЭ не деформируется слишком сильно.
В процессе работы стопка ТОТЭ может подвергаться воздействию температур от 650°С до 1000°С, приводя к температурным градиентам в стопке топливных элементов и таким образом, термическому расширению различных компонентов стопки ТОТЭ. Секция стопки ТОТЭ, которая испытывает наибольшее расширение, зависит от рабочих условий и может быть, например, расположена в центре стопки или по краю стопки, например в углу. Полученное термическое расширение может привести к уменьшению электрического контакта между различными слоями в стопке ТОТЭ. Термическое расширение может также привести к повреждениям и утечке в газонепроницаемых уплотнениях между различными слоями, приводя к худшему функционированию стопки ТОТЭ и пониженному производству энергии.
Было доказано, что решение этой проблемы с помощью выбора материалов с конкретными свойствами деформации является очень сложным, поскольку требуется, чтобы компоненты ТОТЭ стопки имели электрический контакт в различных температурных профилях и в то же время имели приемлемый срок службы.
Другие пути решения этой проблемы включают различные способы обеспечения сжатия стопки ТОТЭ. Хорошо известно использование химических пружин, см., например, патент США №7001685, в котором пружину используют для обеспечения сжатия на всей поверхности стопки и для поглощения разностей в высоте двух стопок, размещенных в последовательном электрическом соединении.
Использование пружин для обеспечения усилия сжатия на концевой пластине, однако, имеет недостаток в том, что не позволяет различным секциям стопки топливных элементов расширяться, как требуют рабочие условия. Это приводит к потере электрического контакта или утечке газа через газонепроницаемые уплотнения.
Задача изобретения состоит в обеспечении узла сжатия для стопки твердооксидных топливных элементов, в котором различные давления сжатия для разных частей стопки твердооксидных топливных элементов одновременно воздействуют на стопку.
Еще одна задача изобретения состоит в обеспечении узла сжатия, в котором давления сжатия для области с электрохимической активностью и уплотнительной областью твердооксидных топливных элементов не являются одинаковыми.
Еще одна задача изобретения состоит в обеспечении стопки, твердооксидных топливных элементов, в которой установлен и поддерживается хороший электрический контакт внутри стопки в процессе работы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее используется некоторое количество технических терминов. Предполагается, что использование этих терминов не противоречит обычному использованию таких выражений, но для легкого понимания изобретения короткий перечень некоторых терминов приведен ниже вместе с указанием значений этих слов.
Уплотнительная область: область между элементами в стопке, изолирующая окислитель от топлива.
Область с электрохимической активностью: область, покрывающая поверхность одной или более элементов в стопке твердооксидных топливных элементов, в которой проходит электрохимическая реакция.
Давление сжатия: избыточное давление, т.е. давление, превышающее давление окружающей среды, которая окружает стопку твердооксидных топливных элементов, следовательно, давление сжатия упоминают как разницу между фактическим давлением нагрузки и давлением в окружающей среде, которая окружает стопку твердооксидных топливных элементов.
Упругий элемент: элемент, который имеет способность деформироваться при нагрузке, а затем при снятии нагрузки восстанавливать или почти восстанавливать свою исходную форму. Например, сжатый воздух можно использовать в качестве упругого элемента, но, если произошла утечка, он, естественно, не сможет восстановить свою исходную форму. Другой упругий элемент может быть элементом, который не сразу вступает в реакцию с давлением сжатия, приложенным к нему, а реагирует медленно или не возвращается полностью в его исходную форму.
В соответствии с первым объектом изобретения некоторые из вышеуказанных задач и другие задачи решаются путем обеспечения узла сжатия для распределения наружного усилия сжатия к стопке твердооксидных топливных элементов, причем указанный узел сжатии содержит пластину для распределения усилия и слой распределения усилия, так что, когда узел сжатия установлен вместе со стопкой твердооксидных топливных элементов, наружное усилие сжатия воздействует на указанную пластину для распределения усилия, и указанный слой распределения усилия обеспечен вблизи поверхности по меньшей мере одного конца пластины, противоположного поверхности, обращенной к твердооксидным топливным элементам, причем указанный слой распределения усилия имеет жесткую раму, продолжающуюся вблизи зоны уплотнительной области стопки твердооксидных топливных элементов, и один или более упругих элементов, расположенных внутри пространства, окруженного указанной жесткой рамой, и расположенных вблизи области с электрохимической активностью стопки твердооксидных топливных элементов, так что, когда указанный узел сжатия, установленный с твердооксидным топливным элементом находится в использовании, указанный слой распределения усилия обеспечивает неравномерное распределение давления по зоне уплотнительной области и области с электрохимической активностью.
Распределение давления для узла сжатия с помощью указанного одного или более упругих элементов может составлять около 875 Па, когда твердооксидный топливный элемент находится в использовании. Например, усилие сжатия может составлять между 25 кг и 200 кг на область между 2800 см2 и 21000 см2.
Узел сжатия может быть таким, что указанные один или более упругих элементов позволяют сжатие между 0,1 мм и 0,2 мм, такое как 0,1 мм, больше в середине слоя распределения усилия, чем около боковых сторон слоя распределения усилия.
Один или более упругих элементов в узле сжатия могут быть дополнительно размещены в одном или более установочных элементах. Кроме того, один или более упругих элементов выбраны из группы, состоящей из сжатого воздуха, волокнистого керамического материала и волокнистого металлического материала. Альтернативно, один или более упругих элементов могут содержать материал на основе слюды, например, так что по меньшей мере один из указанных упругих элементов представляет собой лист, выполненный из слюды, который может иметь толщину между 0,8-1,2 мм.
Другим альтернативным вариантом может быть то, когда один или более упругих элементов содержат по меньшей мере одну металлическую пружину. Металлическая пружина должна быть термоустойчивой так, чтобы поддерживать ее упругость даже после использования более чем 20000 часов при температуре 850°С. По меньшей мере одна металлическая пружина может быть расположена в одном или более установочных элементах. Установочные элементы могут быть, например, снабжены одним или более отверстиями, так что указанная по меньшей мере одна металлическая пружина расположена в указанном одном или более отверстиях. Один или более установочных элементов могут быть, например, установочной пластиной.
Во втором объекте изобретения стопка твердооксидных топливных элементов содержит концевую пластину, один или более твердооксидных топливных элементов, узел сжатия, имеющий пластину для распределения усилия, на которую воздействует наружное усилие сжатия, и распределительный слой, обеспеченный около поверхности указанной концевой пластины, противоположной его поверхности, обращенной к указанному одному или более твердооксидным топливным элементам, причем указанный слой распределения усилия имеет жесткую раму, продолжающуюся вблизи уплотнительной области указанной стопки твердооксидных топливных элементов, один или более упругих элементов расположены в пространстве, окруженном этой жесткой рамой, и расположены около области с электрохимической активностью указанной стопки твердооксидных топливных элементов, так что, когда указанный твердооксидный топливный элемент находится в использовании, указанный слой распределения усилия обеспечивает неравномерное распределение давления в зоне уплотнительной области и области с электрохимической активностью.
В варианте выполнения изобретения один или более упругих элементов стопки твердооксидных топливных элементов может содержать сжатый воздух. Сжатый воздух может, например, иметь избыточное давление между 100 и 1000 мбар, предпочтительно 100 мбар. Альтернативно оно может составлять между 250 и 1000 мбар, как, например, 250 мбар, 500 мбар или 1000 мбар, независимо от высоты стопки. Предпочтительно использовать сжатый воздух, поскольку он сразу же реагирует на изменения в области с электрохимической активностью. Такие же диапазоны давления сжатия можно использовать независимо от области с электрохимической активностью.
В другом варианте выполнения изобретения представлена стопка твердооксидных топливных элементов, в которой один или более указанных упругих элементов позволяют сжатие между 0,1 мм и 0,2 мм, больше в области средней части слоя распределения усилия, чем около сторон слоя распределения усилия. Например, сжатие в средней части слоя распределения усилия может изменяться линейно по высоте стопки тверооксидных топливных элементов. Сжатие в средней части слоя распределения усилия также может зависеть от распределения температуры в уплотнительной области и области с электрохимической активностью стопки твердооксидных топливных элементов. Например, температура в средней части слоя распределения усилия может меняться так, что составляет на около 100°С выше, чем температура в уплотнительной области. Для стопки твердооксидных топливных элементов высотой 100 мм это приведет к разнице 12 мм между высотой в электрохимической области и уплотнительной области.
Например, один или более упругих элементов позволяют сжатие 0,1 мм больше в средней части, чем около боковых сторон указанного слоя распределения усилия. Для стопки твердооксидных топливных элементов, содержащей около 75 топливных элементов и разницу, например, по меньшей мере 0,2 мм.
В еще одном варианте выполнения стопки твердооксидных топливных элементов указанные один или более упругих элементов расположены в одном или более установочных элементах. Указанные один или более упругих элементов могут быть выбраны из группы волокнистого керамического материала и волокнистого металлического материала. Альтернативно, указанные один или более упругих элементов содержат материал на основе слюды, который, например, может заполнять пространство в раме. По меньшей мере один из указанных одного или более упругих элементов представляет собой лист, выполненный из слюды. Например, количество листов может быть выбрано так, что они заполняют пространство в раме, или листы слюды могут быть объединены с одним или более листов другого материала, например материала, который не обязательно является упругим, но может быть гибким, так что может сгибаться в соответствии с разницей по высоте в средней части электрохимической области и уплотнительной области. Количество листов слюды может, например, составлять между 1-7, и их толщина может быть между 0,8-1,2 мм.
В другом варианте выполнения стопки твердооксидных топливных элементов, указанные один или более упругих элементов, когда твердооксидный топливный элемент находится в использовании, обеспечивают распределение давления, так что давление сжатия в области с электрохимической активностью составляет между 0,25 бар и 2 бар, например между 0,5 бар и 1 бар.
В еще одном варианте выполнения твердооксидного топливного элемента указанная передающая усилие пластина обеспечена давлением зажима, так что указанная жесткая рама с помощью передающей усилие пластины обеспечена давлением зажима между 70-90%, например 85% указанного давления зажима указанной передающей усилие пластины. Например, передающая усилие пластина имеет давление зажима между от 205000 Па до 818000 Па, например около 409000 Па. Например, усилие зажима на стопке твердооксидных топливных элементов с областью электрохимической области и уплотнительной области 12×12 см2 может быть между 300 кг и 1200 кг, например 600 кг.
В третьем объекте изобретения обеспечен способ сжатия стопки твердооксидных топливных элементов на обоих концах стопки, причем способ предусматривает стадии складывания стопкой множества твердооксидных топливных элементов в последовательном электрическом соединении, при этом обеспечивая зону электрохимической области и уплотнительной области, размещения каждого конца стопки твердооксидных топливных элементов смежно поверхности концевой пластины, так что поверхность по меньшей мере одной концевой пластины противоположна поверхности, обращенной к твердооксидным топливным элементам, обеспечение слоя распределения усилия одного или более упругих элементов и жесткой рамы над зоной области с электрохимической активностью и уплотнительной области стопки твердооксидных топливных элементов и приложение наружного усилия к слою распределения усилия, при этом полученное давление сжатия распределяется неравномерно по зоне уплотнительной области и области с электрохимической активностью и давление сжатия, получаемое в зоне уплотнительной области превышает давление сжатия, действующее в области с электрохимической активностью стопки твердооксидных топливных элементов.
Стопку твердооксидных топливных элементов согласно изобретению можно использовать для производства электроэнергии. Например, стопка твердооксидных топливных элементов может работать при температурах ниже 850°С. Стопку твердооксидных топливных элементов дополнительно можно использовать так, что изменение плотности тока элемента составляет между 0,25 до 0,5 А/см2 в течение периода времени между 1 и 4 минутами. Особенно в том случае, когда, например, один или более упругих элементов содержат слюду.
Некоторые из вышеупомянутых задач достигаются путем обеспечения узла сжатия для распределения наружного усилия сжатия к стопке твердооксидных топливных элементов, причем наружное усилие сжатия действует на обоих концах стопки твердооксидных топливных элементов, при этом стопка твердооксидных топливных элементов содержит множество твердооксидных топливных элементов в последовательном электрическом соединении, причем каждый конец стопки твердооксидных топливных элементов расположен смежно поверхности концевой пластины, при этом поверхность по меньшей мере одной из концевых пластин, противоположная поверхности, обращенной к твердооксидным топливным элементам, снабжена слоем распределения усилия, содержащим жесткую раму, продолжающуюся над зоной уплотнительной области стопки твердооксидных топливных элементов и один или более упругих элементов, расположенных внутри пространства, охваченного рамой, и расположенных над областью с электрохимической активностью стопки твердооксидных топливных элементов, и на слое распределения усилия расположена передающая усилие пластина, на которую воздействует наружное усилие сжатия.
Кроме того, эти задачи достигаются путем обеспечения способа сжатия стопки твердооксидных топливных элементов с обоих концов стопки, причем способ предусматривает складывание стопкой множества твердооксидных топливных элементов в последовательном электрическом соединении, размещение каждого конца стопки твердооксидных топливных элементов смежно поверхности концевой пластины, снабжение поверхности по меньшей мере одной из концевых пластин, противоположной поверхности, обращенной к твердооксидным топливным элементам, слоем распределения усилия гибких элементов и жесткой рамой над зоной области с электрохимической активностью и уплотнительной области стопки твердооксиных топливных элементов, приложение наружного усилия к слою распределения усилия, при этом полученное давление сжатия распределяется неравномерно по зоне уплотнительной области и области с электрохимической активностью и давление сжатия, действующее в зоне уплотнительной области, превышает давление сжатия, действующее в области с электрохимической активностью стопки твердооксидных топливных элементов.
В соответствии с другим объектом изобретения обеспечивается стопка твердооксидных топливных элементов, содержащая узел сжатия, и использование стопки твердооксидных топливных элементов для производства электроэнергии.
Еще один вариант выполнения изобретения представляет собой узел сжатия для распределения наружного усилия сжатия к стопке твердооксидных топливных элементов, причем наружное усилия сжатия действует на оба конца стопки твердооксидных топливных элементов, при этом стопка твердооксидных топливных элементов содержит множество твердооксидных топливных элементов в последовательном электрическом соединении, причем каждый конец стопки твердооксидных топливных элементов расположен смежно поверхности концевой пластины, при этом поверхность по меньшей мере одной из концевых пластин, противоположная поверхности, обращенной к твердооксидным топливным элементам, снабжена слоем распределения усилия, содержащим жесткую раму, продолжающуюся над зоной уплотнительной области стопки твердооксидных топливных элементов, и один или более упругих элементов, расположенных внутри пространства, окруженного рамой, и расположенные над областью с электрохимической активностью стопки твердооксидных топливных элементов и на слое распределения усилия размещена передающая усилие пластина, на которую действует наружное усилие сжатия.
Предпочтительный вариант выполнения представляет собой узел сжатия, в котором один или более упругих элементов являются гибкими по природе или в котором один или более упругих элементов выбраны из группы, состоящей из сжатого воздуха, материала на основе слюды, волокнистого керамического материала, волокнистого металлического материала и металлических пружин.
Другой предпочтительный вариант выполнения представляет собой узел сжатия, в котором рама выполнена из металла или в котором рама выполнена за одно целое с распределяющей усилие пластиной.
Еще один предпочтительный вариант выполнения представляет собой узел сжатия, в котором один или более упругих элементов расположены в одном или более установочных элементах, снабженных отверстиями над зоной области с электрохимической активностью.
Предпочтительно упругие элементы представляют собой пружины, а установочные элементы представляют собой установочные пластины для пружин.
Кроме того, изобретение обеспечивает способ сжатия стопки твердооксидных топливных элементов с обоих концов стопки, предусматривающий складывание стопкой множества твердооксидных топливных элементов в последовательном электрическом соединении, размещение каждого конца стопки твердооксидных топливных элементов смежно поверхности концевой пластины, снабжение поверхности по меньшей мере одной из концевых пластин, противоположной поверхности, обращенной к твердооксидным топливным элементам, слоем распределения усилия из гибких элементов и жесткой рамой над зоной области с электрохимической активностью и уплотнительной областью стопки твердооксидных топливных элементов, приложение наружного усилия к слою распределения усилия, при этом полученное давление сжатия распределяется неравномерно по зоне уплотнительной области и области с электрохимической активностью и давление сжатия, получаемое в зоне уплотнительной области, превышает давление сжатия, действующее в области с электрохимической активностью стопки твердооксидных топливных элементов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - различные компоненты стопки ТОТЭ по изобретению.
Фиг.2 - вид в вертикальном сечении стопки ТОТЭ в другом варианте выполнения изобретения.
Фиг.3 - вид в вертикальном сечении через стопку ТОТЭ в варианте выполнения изобретения, где упругий элемент представляет собой воздух.
Фиг.4 - вариант выполнения изобретения, в котором упругие элементы представляют собой пружины.
Фиг.5 - другой вариант выполнения изобретения, в котором упругие элементы представляют собой пружины.
Фиг.6 - показано распределение усилия в стопке ТОТЭ.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В ТОТЭ многие уплотнительные материалы требуют более высокого давления сжатия для создания газоплотного уплотнения, чем давление сжатия, требуемое для создания электрического контакта в области с электрохимической активностью. Воздействие на область с электрохимической активностью усилий сжатия, которые являются слишком высокими, приводит к ее деформации. При использовании узла сжатия по изобретению усилия сжатия разделяют на несколько областей, так что область с электрохимической активностью может быть сжата посредством давления, которое, например, меньше давления, присутствующего в уплотнительных областях.
Это является преимуществом, поскольку разделение усилий сжатия позволяет выбирать подходящее давление сжатия для области с электрохимической активностью, независимо от давления сжатия, требуемого в области уплотнительного материала.
В соответствии со способом по изобретению все усилие сжатия на стопке топливных элементов обеспечивают путем воздействия наружного усилия на передающие усилие пластины, расположенные на каждом конце стопки топливных ячеек. Наружное усилие передается через передающую усилие пластину и на одном или на обоих концах стопки топливных элементов распределяется к слою распределения усилия, содержащему раму, продолжающуюся в зоне уплотнительной области ТОТЭ, и один или более упругих элементов, размещенных внутри пространства, окруженного рамой и расположенного над областью с электрохимической активностью ТОТЭ. Между слоем распределения усилия и первым твердооксидным топливным элементом расположена концевая пластина.
Наружные размеры рамы, т.е. длина и ширина, имеют те же значения, что и размеры одного твердооксидного топливного элемента. В одном варианте выполнения внутренние размеры, т.е. внутренняя длина и ширина рамы, выбраны так, чтобы обеспечить площадь поверхности, закрытую рамой, соответствующую уплотнительной области твердооксидного топливного элемента.
Рама выполнена из материала большей жесткости, чем один или более упругих элементов. Это является преимуществом, поскольку позволяет приложение большего давления сжатия через раму в уплотнительной области по сравнению с давлением, действующим на область с электрохимической активностью посредством одного или более упругих элементов.
Один или более упругих элементов являются более гибкими, чем рама. Усилие, воздействующее на передающую усилие пластину, таким образом, разделяется на отдельные области с различными давлениями на раме и упругих элементах. Гибкий материал для одного или более упругих элементов может быть любым элементом, который является более гибким, чем рама. Примерами являются материалы на основе слюды или керамических волокон. Волокнистые металлические материалы также являются подходящими. Сжатый воздух или пружины из, например, металла также могут быть использованы.
Один или более упругих элементов должны покрывать поверхность, приблизительно соответствующую внутренним размерам рамы. Может быть выбрана случайная толщина, поскольку упругие элементы являются гибкими по природе.
Разделение усилий сжатия таким образом является предпочтительным, поскольку позволяет поддержание усилия сжатия в случаях, когда температурные градиенты вызывают термическое расширение стопки ТОТЭ. Это позволяет стопке ТОТЭ работать с более высокими температурными ингредиентами, например более высокой плотностью тока, и стопка может быть выполнена с большим количеством элементов. Более высокая плотность тока и увеличенное количество элементов снижают общую стоимость системы ТОТЭ и повышают выход электроэнергии на стопку. Поэтому стопки ТОТЭ, содержащие узел сжатия по изобретению, особенно подходят для производства энергии.
В варианте выполнения изобретения слой распределения усилия расположен только на первой концевой пластине, смежно первому твердооксидному топливному элементу в стопке.
В другом варианте выполнения изобретения слой распределения усилия расположен на обеих концевых пластинах стопки ТОТЭ.
В варианте выполнения изобретения слой распределения усилия содержит раму и один или более упругих элементов в виде металлических пружин. Металлические пружины поддерживаются одним или более установочными элементами, снабженными отверстиями или щелями в зоне области с электрохимической активностью, в которую могут быть введены металлические пружины. Металлические пружины обеспечивают усилие сжатия, отделенное как от усилия, передаваемого через один или более установочных элементов для пружин, так и от усилия, передаваемого через раму. Установочные элементы пружин могут быть, например, одной или более пластинами, снабженными щелями или отверстиями в зоне области с электрохимической активностью для размещения металлических пружин.
Подходящие давления сжатия, которые действуют в зоне уплотнительной области элементов, находятся в диапазоне от 0,05 до 40 бар.
Эти давления зависят от геометрии внутренних соединений, уплотнительных материалов и рабочих давлений газа топливных элементов.
В еще одном варианте выполнения изобретения слой распределения усилия содержит раму и множество упругих элементов из гибкого материала.
В другом варианте выполнения изобретения слой распределения усилия содержит раму и множество пружин. Установочный элемент для пружин не требуется в этом варианте выполнения, когда присутствует достаточное количество пружин. Подходящее количество пружин составляет от 4 до 100.
Еще в одном варианте выполнения слой распределения усилия содержит раму и упругий элемент из сжатого воздуха или гибкого материала.
На последующих чертежах описаны различные варианты выполнения, иллюстрирующие изобретение.
На Фиг.1 показаны различные компоненты стопки ТОТЭ в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Наружное усилие сжатия действует на передающую усилие пластину 1. Усилие таким образом передается к слою распределения усилия, содержащему раму 2 и один или более упругих элементов 3, расположенных внутри пространства 4, окруженного рамой 2, и расположенных над областью 18 с электрохимической активностью твердооксидного топливного элемента 5. После слоя распределения усилия следует плоская концевая пластина 6, за которой, в свою очередь, следует разделительно-соединительный узел 7, а затем твердооксидный топливный элемент 5. Рама 2 расположена смежно изоляционной области 17, так что, когда наружное усилие действует на раму 2, часть его передается к уплотнительной области, а другая часть к области с электрохимической активностью. Количество твердооксидных топливных элементов зависит от требуемого производства электроэнергии стопкой твердооксидных топливных элементов. Количество твердооксидных топливных элементов может быть, например, между одним и 75, как, например, между 5 и 75. Следовательно, высота стопки твердооксидных топливных элементов зависит от количества твердооксидных топливных элементов. Например, высота стопки твердооксидных топливных элементов, содержащей 75 топливных элементов, может составлять около 9 см, исключая каждую из жестких рам 2, каждая из которых имеет высоту около 1 см. Электрохимическая область может быть, например, между 2000 см2 и 15000 см2, например 9000 см2, а уплотнительная область между 800 см2 и 600 см2.
На Фиг.2 показан вид в вертикальном сечении через стопку ТОТЭ в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения. Передающая усилие пластина 1 подвергается действию наружного усилия сжатия, которое передается к слою распределения усилия, содержащему раму 2 и упругий элемент 3, а затем к разделительно-соединительному узлу 7 и твердооксидным топливным элементам, расположенным на последовательном электрическом соединении. Каждый разделительно-соединительный узел 7 имеет каналы для переноса либо водорода (или другого топлива, такого как метан), кислорода, либо воздуха к аноду или катоду соответственно.
В этом варианте выполнения изобретения имеются два слоя распределения усилия. Слой распределения усилия расположен смежно каждой из двух плоских концевых пластин 6. Упругий элемент 3 может состоять из множества элементов из гибкого материала.
Фиг.3 представляет собой вид в вертикальном сечении через стопку ТОТЭ, показывающий слой распределения усилия, содержащий раму и упругий элемент из сжатого воздуха. В этом варианте выполнения передающая усилие пластина и рама были выполнены за одно целое с образованием интегрированной рамы 8. Показаны входные отверстия 9 для сжатого воздуха в пространство 4, окруженное интегрированной рамой 8. Можно использовать давления воздуха, например, 100-1000 мбар по манометру.
На Фиг.4 показан другой вариант выполнения изобретения, в котором слой распределения усилия содержит раму и один или более упругих элементов в виде металлических пружин 12. Установочная пластина 10 для пружин, снабженная щелями или отверстиями 11 в зоне области с электрохимической активностью, в которой могут быть расположены металлические пружины 12. Металлические пружины 12 обеспечивают усилие сжатия, отделенное и от усилия, передаваемого через установочную пластину 10 для пружины, и от усилия, передаваемого через раму 2.
На Фиг.5 показан другой вариант выполнения изобретения, в котором слой распределения усилия содержит раму 2 и упругие элементы представляют собой множество металлических пружин 12. В этом варианте выполнения установочная пластина для пружин не требуется, благодаря присутствию множества металлических пружин, поддерживающих друг друга, например, в количестве между 4 и 100.
На Фиг.6 показано распределение усилий внутри стопки ТОТЭ, когда наружное усилие 13 действует на передающую усилие пластину 1, при этом обеспечивая компрессионную нагрузку на стопку топливных элементов. Различные давления сжатия для разных частей стопки твердооксидных топливных элементов одновременно действуют на стопку. Давления сжатия, указанные стрелками, для области 15 с электрохимической активностью и уплотнительной области 14 твердооксидного топливного элемента не являются равными. Давление, действующее на упругий элемент 3, представляет собой более низкую величину, чем давление, действующее на раму 2, при этом поддерживая хороший электрический контакт в стопке твердооксидных топливных элементов в процессе работы и в то же время обеспечивая газонепроницаемую стопку.
Изобретение относится к области топливных элементов, более конкретно к узлу сжатия для распределения наружного усилия сжатия в стопке твердооксидных топливных элементов и к стопке твердооксидных топливных элементов. Согласно изобретению узел сжатия содержит пластину для распределения усилия и слой распределения усилия, так что, когда указанный узел сжатия установлен вместе со стопкой твердооксидных топливных элементов, наружное усилие сжатия действует на указанную пластину распределения усилий, и указанный слой распределения усилий обеспечен вблизи поверхности по меньшей мере одной концевой пластины, противоположной поверхности, обращенной к твердооксидным топливным элементам, причем указанный слой распределения усилий имеет жесткую раму, продолжающуюся вблизи зоны уплотнительной области стопки твердооксидных топливных элементов, один или более упругих элементов, расположенных внутри пространства, окруженного указанной жесткой рамой расположенных вблизи области с электрохимической активностью стопки твердооксидных топливных элементов, так что, когда указанный узел сжатия, установленный с твердооксидным топливным элементом, находится в использовании, указанный слой распределения усилий обеспечивает неравномерное распределение давления в зоне уплотнительной области и области с электрохимической активностью. Техническим результатом является повышение выхода электроэнергии, снижение стоимости системы. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
1. Узел сжатия для распределения наружного усилия сжатия к стопке твердооксидных топливных элементов, причем указанный узел сжатия содержит пластину для распределения усилия и слой распределения усилия, так что, когда указанный узел сжатия установлен вместе со стопкой твердооксидных топливных элементов, наружное усилие сжатия действует на указанную пластину распределения усилий, и указанный слой распределения усилий обеспечен вблизи поверхности по меньшей мере одной концевой пластины, противоположной поверхности, обращенной к твердооксидным топливным элементам, причем указанный слой распределения усилий имеет жесткую раму, продолжающуюся вблизи зоны уплотнительной области стопки твердооксидных топливных элементов, один или более упругих элементов, расположенных внутри пространства, окруженного указанной жесткой рамой и расположенных вблизи области с электрохимической активностью стопки твердооксидных топливных элементов, так что когда указанный узел сжатия, установленный с твердооксидным топливным элементом, находится в использовании, указанный слой распределения усилий обеспечивает неравномерное распределение давления в зоне уплотнительной области и области с электрохимической активностью.
2. Узел сжатия по п.1, в котором распределение давления с помощью указанного одного или более упругих элементов составляет около 875 Па, когда твердооксидный топливный элемент находится в использовании.
3. Узел сжатия по п.1, в котором указанный один или более упругих элементов позволяют сжатие между 0,1 и 0,2 мм больше в области в середине слоя распределения усилия, чем около боковых сторон слоя распределения усилия.
4. Узел сжатия по п.1, в котором указанный один или более упругих элементов расположены в одном или более установочных элементов.
5. Узел сжатия по п.1, в котором указанный один или более упругие элементы выбраны из группы, состоящей из сжатого воздуха, волокнистого керамического материала и волокнистого металлического материала.
6. Узел сжатия по п.1, в котором указанный один или более упругие элементы содержат материал на основе слюды.
7. Узел сжатия по п.6, в котором по меньшей мере один из указанных одного или более упругих элементов представляет собой лист, выполненный из слюды.
8. Узел сжатия по п.7, в котором толщина листа слюды составляет между 0,8-1,2 мм.
9. Узел сжатия по п.1, в котором указанный один или более упругих элементов содержит по меньшей мере одну металлическую пружину.
10. Узел сжатия по п.1, в котором указанный один или более упругих элементов представляет собой по меньшей мере одну металлическую пружину, при этом указанная по меньшей мере одна металлическая пружина расположена в одном или более установочных элементов.
11. Стопка твердооксидных топливных элементов, содержащая узел сжатия в соответствии с любым из предшествующих пунктов.
12. Стопка твердооксидных топливных элементов, содержащая концевую пластину, один или более твердооксидных топливных элементов, узел сжатия, имеющий передающую усилие пластину, на которую действует наружное усилие сжатия, и распределительный слой, обеспеченный около поверхности указанной концевой пластины, противоположной ее поверхности, обращенной к указанному одному или более твердооксидных топливных элементов, причем указанный слой распределения усилия имеет жесткую раму, продолжающуюся около зоны уплотнительной области указанной стопки твердооксидных топливных элементов, один или более упругих элементов, расположенных внутри пространства, окруженного указанной жесткой рамой и расположенных около области с электрохимической активностью указанной стопки твердооксидных топливных элементов, так что когда указанный твердооксидный топливный элемент находится в использовании, указанный слой распределения усилий обеспечивает неравномерное распределение давления по зоне уплотнительной области и области с электрохимической активностью.
13. Стопка твердооксидных топливных элементов по п.12, в которой указанная передающая усилие пластина обеспечена давлением зажима, так что указанная жесткая рама с помощью передающей усилие пластины обеспечена давлением зажима между 70-90% указанного давления зажима указанной передающей усилие пластины.
| RU 2004131677 А, 27.05.2005 | |||
| US 6190793 В1, 20.02.2001 | |||
| US 2004018412 А1, 29.01.2004 | |||
| WO 2004062017 A1, 22.07.2004. |
