КОМБИНИРОВАННЫЕ СХЕМЫ ПОТОКОВ В ПАКЕТЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЛИ В ПАКЕТЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2014 года по МПК H01M8/12 H01M8/24 

Изобретение касается пакетов элементов, в частности пакетов твердооксидных топливных элементов (Solid Oxide fuel cells, SOFC), пакетов твердооксидных электролитических элементов (Solid Oxide Electrolysis cells, SOEC), где направление потока катодного газа по отношению к анодному газу внутри каждого элемента, так же как направления потоков газов между соседними элементами, комбинируется с другими слоями элементов пакета. Далее, катодный газ или анодный газ или оба могут пройти более чем через один элемент, до того как газ исчерпается, и множество потоков газа может разделяться или объединяться после прохождения первичного элемента и до прохождения вторичного элемента. Эти комбинации служат для увеличения плотности тока и минимизируют градиенты температур по элементам и по пакету в целом.

Далее изобретение поясняется в отношении SOFC. Соответственно, в SOFC катодный газ является окислительным газом, и анодный газ является топливным газом. Тем не менее, изобретение также может быть использовано для других типов элементов, таких как SOEC, как уже упоминалось, или даже для полимерных электролитных топливных элементов (Polymer Electrolyte fuel cells, РЕМ) или прямых метанольных топливных элементов (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC).

SOFC содержит электролит, проводящий ионы кислорода, катод, где кислород восстанавливается, и анод, где водород окисляется. Суммарная реакция в пакете SOFC заключается в том, что водород и кислород реагируют электрохимически для вырабатывания электричества, тепла и воды. Рабочая температура для пакета SOFC находится в диапазоне от 650 до 1000°С, предпочтительно от 750 до 850°С. Пакет SOFC поставляет при нормальном режиме работы напряжение приблизительно в 0.8 В. Чтобы увеличить полное выходное напряжение, топливные элементы собираются в пакеты, в которых топливные элементы электрически соединены через интерконнекторные (межсоединительные) пластины.

Для того чтобы получить требуемый водород, анод обычно обладает каталитической активностью для парового риформинга углеводородов, особенно природного газа, в результате чего вырабатывается водород, диоксид углерода и монооксид углерода. Паровой риформинг метана, основного компонента природного газа, может быть описан следующими уравнениями:

СН₄+H₂O⇆СО+3Н₂,

СН₄+СО2⇆2СО+2Н₂,

СО+Н₂О⇆CO₂+Н₂.

В ходе эксплуатации окислитель, такой как воздух, подводится к твердооксидному топливному элементу в области катода. Топливо, такое как водород, подводится в область анода топливного элемента. В качестве альтернативны углеводородное топливо, такое как метан, подводится в область анода, где превращается в водород и оксиды углерода с помощью описанных выше реакций. Водород проходит через пористый анод и реагирует на границе раздела анод/электролит с ионами кислорода, которые вырабатываются на стороне катода и проводятся через электролит. Ионы кислорода создаются со стороны катода в результате акцептирования электронов от внешнего контура элемента.

Интерконнекторы служат для разделения анодной и топливной сторон соседних единичных элементов и в то же время позволяют осуществлять передачу тока между анодом и катодом. Интерконнекторы обычно оснащены множеством каналов для прохождения топливного газа с одной стороны интерконнектора и окислительного газа с другой стороны. Направлением потока топливного газа называется основное направление от пространства подачи топлива к пространству выхода топлива единичного элемента. Аналогично, направлением потока окислительного газа, катодного газа, называется основное направление от катодного входного пространства к катодному выходному пространству единичного элемента. Таким образом, внутри элемент может иметь параллельный поток, если направление потока топливного газа является по существу таким же, как и направление потока катодного газа, или поперечный поток, если направление потока топливного газа является по существу перпендикулярным направлению потока катодного газа, или противоток, если направление потока топливного газа является по существу противоположным направлению потока катодного газа.

Обычно элементы располагаются один поверх другого с полным перекрыванием, в результате чего формируется пакет, например, с параллельным потоком, имеющий все топливные и окислительные входы с одной стороны пакета и все топливные и окислительные выходы с противоположной стороны. Благодаря экзотермичности электрохимического процесса, выходящие газы имеют более высокую температуру, чем температура входа. В сочетании с тем, что в пакете SOFC во время эксплуатации достигается температура, например, 750°С, по пакету образуется значительный температурный градиент. Хотя в некоторой степени он необходим для охлаждения пакета, поскольку воздушное охлаждение пропорционально температурному градиенту, большие температурные градиенты вызывают температурные напряжения в пакете, которые весьма нежелательны и влекут за собой различие плотностей тока и электрического сопротивления. Следовательно, существует проблема управления температурой в пакете SOFC: понизить градиенты температур достаточным образом для того, чтобы избежать неприемлемых напряжений, но иметь достаточно большие градиенты температур - отличие температуры выходящих газов от температуры входящих газов, - чтобы можно было охладить пакет с указанными газами.

Патент US 6830844 описывает систему термического управления в блоке топливных элементов, особенно для предотвращения температурных градиентов свыше 200°С по катодам, путем периодического изменения направления потока воздуха через катод на противоположный, меняя таким образом местами катодные стороны подачи и выпуска.

Патент US 6803136 описывает пакет топливных элементов с частичным перекрыванием элементов, составляющих пакет, что приводит к полной спиральной конфигурации элементов. Элементы располагаются под углом один к другому, что дает простоту соединения с коллектором и термического управления.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение пакета топливных элементов, особенно пакета твердооксидных топливных элементов, с улучшенным термическим управлением по пакету.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение пакета твердооксидных топливных элементов, имеющего пониженное электрическое сопротивление по сравнению с пакетами SOFC известного уровня техники.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение пакета SOFC, имеющего большее значение выходной мощности на более большую часть каждого элемента в пакете по сравнению с обычными SOFC.

Другой задачей изобретения является обеспечение пакета SOFC с более высоким значением максимального коэффициента использования топлива по сравнению с обычными пакетами SOFC, что достигается за счет перераспределения потока топлива после прохождения потока через первичный топливный элемент до прохождения потока через вторичный топливный элемент с или без разделения или объединения топливного газа.

Эти и другие задачи решаются данным изобретением.

Мы обнаружили, что спиральная структура пакета, раскрытая в US 6803136, не очень эффективна для понижения градиентов температур по пакету, видимо, потому, что каждый элемент в пакете только слегка повернут по отношению к соседним элементам.

Соответственно, мы обеспечиваем пакет твердооксидных топливных элементов, содержащий множество плоских элементов, расположенных в слоях друг над другом в параллельных друг другу плоскостях, в которых каждый единичный элемент содержит анод, электролит и катод, и где анод и катод соседних элементов разделены друг от друга интерконнектором, снабженным входными и выходными пространствами для прохождения топливного газа и окислительного газа к каждому элементу, где комбинация схем с параллельными потоками и противотоками топливного и окислительного газа обеспечивается внутри каждого элемента и между соседними элементами, и топливный и катодный газ могут течь либо только через первичный топливный элемент, до того как газы выйдут из пакета, либо они могут течь через первичный элемент и затем через вторичный элемент, до того как выйдут; при прохождении из одного или более первичных элементов топливный и катодный газ могут либо объединиться в один поток из множества потоков, либо разделиться из одного на множество текущих потоков, до того как продолжить движение к одному или более вторичным элементам в пакете.

В этом контексте под "комбинацией" подразумевают то, что каждый элемент в пакете внутри может иметь любую схему из параллельного потока, противотока или поперечного потока и что каждый элемент в пакете может быть расположен в меняющемся порядке по отношению к соседним элементам, так что соседние элементы испытывают параллельный поток, противоток или поперечный поток по отношению к соседним элементам. Следовательно, согласно настоящему изобретению, все элементы в пакете, например, могут иметь внутри параллельные потоки топливного и катодного газа, в то время как каждый соседний элемент в указанном пакете располагается в меняющемся порядке, так что элемент претерпевает поперечный поток по отношению к своим соседним элементам.

Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает широкий диапазон схем потоков в пакете SOFC. В результате в пакете достигается улучшенное термическое управление.

Комбинация схем потоков внутри каждого элемента и между соседними элементами, так же как комбинация единичных и множественных проходов газовых потоков между одним и более элементами плюс комбинация разделения и объединения газовых потоков, согласно настоящему изобретению, обеспечивают возможность получения улучшенных профиля температур и профиля токового выхода по индивидуальному элементу и пакету в целом. Таким образом, низкое поверхностное удельное сопротивление возникает из-за того, что ток выделяется с большой и относительно горячей поверхности и одновременно достигается эффективное охлаждение катодным газом за счет обеспечения высокой температуры катодного газа на выходе. Некоторые комбинированные схемы потоков дополнительно дают улучшенный максимальный коэффициент использования топлива за счет смешивания потока топливного газа внутри пакета (CMR) или, в качестве альтернативы, за счет распределения перепадов давления каждого индивидуального элемента на два или более элемента, которые последовательно соединены со стороны топливного газа.

Параллельный поток, поперечный поток или противоток внутри пакетов топливных элементов, как известно из уровня техники, каждый имеет различные характеристики и преимущества. Поперечный поток имеет меньшую плотность тока при данной максимальной температуре пакета, чем параллельный поток и противоток, в первую очередь благодаря тому, что параллельный поток и противоток лучше распределяют температуру и токовый выход по элементам. Если сравнивать противоток и параллельный поток, то у каждого есть свои преимущества. Пакет с противотоком в большей степени по сравнению с пакетом с параллельным потоком имеет токовый выход, причем пакет является относительно горячим, что означает относительно низкое внутреннее сопротивление (поверхностное удельное сопротивление, ASR), в то время как пакет с параллельным потоком имеет более высокую температуру выхода катодного газа по сравнению с температурой катодного газа на входе (ΔT) и, таким образом, имеет наиболее эффективное охлаждение, но в большей степени имеет токовый выход, причем пакет является относительно холодным, что означает большее значение ASR.

Как поясняется согласно настоящему изобретению, различные преимущества могут объединяться посредством комбинирования схем потоков в целом по всему пакету и внутри элементов в пакете. Кроме того, обсуждаемые разделение и объединение газовых потоков, так же как более чем один проход через элемент газовых потоков, обеспечивают дополнительную выгоду повышенного коэффициента использования топлива. Соответственно, можно назвать три главных преимущества настоящего изобретения:

Преимущество 1: Сниженное электрическое сопротивление внутри элементов за счет выхода тока с большей части элемента, особенно в более горячих зонах (более низкое электрическое сопротивление в керамическом проводнике и более низкое сопротивление поляризации на электродах).

Преимущество 2: Высокая температура катодного газа на выходе по сравнению с температурой катодного газа на входе, ΔT, что обеспечивает улучшенное охлаждение, когда пакет охлаждается катодным газом.

Преимущество 3: Более высокое максимальное значение коэффициента использования топлива за счет перераспределения топлива на более чем один проход потока через топливный элемент, возможно, включая объединение и разделение потоков между первичными и вторичными проходами потоков.

Эти преимущества имеют связанные друг с другом обычным путем схемы: противоток, параллельный поток и последовательно соединенные пакеты. Но настоящее изобретение обеспечивает решение, с помощью которого могут быть объединены все три преимущества и преимущество противотока может быть улучшено даже за пределы известного уровня техники.

В качестве пояснения отметим, что настоящее изобретение обеспечивает любую комбинацию разделения/объединения газовых потоков и количества проходов через элемент, так же как любую комбинацию схем направлений газовых потоков (параллельный поток, поперечный поток и противоток) внутри каждого элемента, так же как между соседними элементами в пакете. Далее с помощью примеров иллюстрируется ряд вариантов осуществления согласно изобретению, а также анализируются их преимущества.

1. Пакет элементов, который содержит множество топливных элементов или электролитических элементов, расположенных в слоях друг над другом, при этом каждый из указанных элементов содержит анод, электролит и катод, каждый слой элементов разделен множеством интерконнекторов, по одному между каждым элементом, интерконнекторы снабжены газовыми каналами с каждой стороны, обращенной к анодной или катодной стороне соседнего элемента, газовые каналы идут от входного пространства к выходному пространству указанных элементов, основное направление от анодного входного пространства к анодному выходному пространству с анодной стороны каждого элемента определяет направление потока анодного газа каждого элемента и основное направление от катодного входного пространства к катодному выходному пространству с катодной стороны каждого элемента определяет направление потока катодного газа каждого элемента, каждый элемент в пакете имеет один из:

- внутреннего параллельного потока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, или

- внутреннего поперечного потока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, или

- внутреннего противотока направления потока анодного газа по

отношению к направлению потока катодного газа, смежные стороны соседних элементов с каждой стороны интерконнектора ориентированы в любом из:

- потока, параллельного интерконнектору,

- потока, поперечного интерконнектору,

- противотока интерконнектору,

где объединенные в пакет элементы расположены таким образом, что каждый индивидуальный элемент и соседние элементы имеют комбинацию указанных внутреннего параллельного потока, внутреннего поперечного потока или внутреннего противотока направления анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа внутри каждого индивидуального элемента и имеют комбинацию указанных потока, параллельного интерконнектору, потока, поперечного интерконнектору, или противотока интерконнектору между двумя смежными сторонами соседних элементов.

2. Пакет элементов по п.1, в котором указанные элементы представляют собой твердооксидные топливные элементы.

3. Пакет элементов по п.1, в котором указанные элементы представляют собой твердооксидные электролитические элементы.

4. Пакет элементов по любому из предшествующих пунктов, который содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и один набор вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход через элемент.

5. Пакет элементов по любому из пунктов 1-3, который содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и один набор вторичных элементов, где катодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к катодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный катодный выходящий газ выполняет второй проход через элемент.

6. Пакет элементов по любому из пунктов 1-3, который содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и один набор вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента и катодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к катодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газа и первичный катодный выходящий газ выполняют второй проход через элемент.

7. Пакет элементов по любому из пунктов 4-6, в котором анодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к анодному входному газовому пространству всех вторичных элементов, или катодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к катодному входному газовому пространству всех вторичных элементов, или как анодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к анодному входному газовому пространству всех вторичных элементов, так и катодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к катодному входному газовому пространству всех вторичных элементов, посредством чего первичный анодный выходящий газ или первичный катодный выходящий газ или как первичный анодный выходящий газ, так и первичный катодный выходящий газ выполняют второй проход через элемент.

8. Пакет элементов по любому из пунктов 4-6, в котором анодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к анодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, или катодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к катодной входной газовой камере, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, или как анодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к анодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, так и катодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к катодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ или первичный катодный выходящий газ или как первичный анодный выходящий газ, так и первичный катодный выходящий газ каждого первичного элемента выполняют второй проход через элемент, по меньшей мере, в одном соседнем вторичном элементе.

9. Пакет элементов по п.7 или 8, в котором анодное и катодное газовое входное и выходное пространства указанного, по меньшей мере, одного первичного элемента ориентированы таким образом, что, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором по существу противоположном направлении по отношению к направлению потока анодного газа, так что указанный первичный элемент внутри имеет противоток, и указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных элемента имеют поток анодного газа в указанном втором направлении и катодный газовый поток в указанном втором направлении, так что указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных элемента внутри имеют параллельный поток ("I").

10. Пакет элементов по п.7 или 8, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход через указанный вторичный элемент и посредством чего, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором по существу противоположном направлении по отношению к направлению потока анодного газа, так что указанный первичный элемент внутри имеет противоток, и указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("Н").

11. Пакет элементов по любому из пунктов 1-3, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа во втором направлении и катодного газа в первом направлении, по существу противоположном по отношению к направлению потока анодного газа, так что указанный первичный элемент внутри имеет противоток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном первом направлении и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("С").

12. Пакет элементов по любому из пунктов 1-3, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный первичный элемент внутри имеет параллельный поток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный элемент имеет поток анодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("А").

13. Пакет элементов по любому из пунктов 1-3, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный первичный элемент внутри имеет параллельный поток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет противоток ("В").

14. Пакет элементов по п.7 или 8, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, двух первичных элементов объединяется в один поток первичного анодного выходящего газа и направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход через указанный вторичный элемент, и, по меньшей мере, два первичных элемента имеют поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, так что указанные первичные элементы внутри имеют противоток, и указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("J").

15. Пакет элементов по любому из пунктов 9-14, в котором наборы элементов согласно любому из пунктов 9-14 объединены в пакеты, содержащие множество наборов в комбинации.

16. Пакет топливных элементов, который содержит множество топливных элементов, расположенных в слоях друг над другом, при этом каждый из указанных топливных элементов содержит анод, электролит и катод, где каждый слой топливных элементов разделен множеством интерконнекторов, по одному между каждым топливным элементом, где интерконнекторы обеспечивают электрический контакт одного топливного элемента с соседним элементом(ами) и где указанные интерконнекторы снабжены газовыми каналами с каждой стороны, анодные газовые каналы с одной стороны каждого интерконнектора и катодные газовые каналы с другой стороны каждого интерконнектора, где газовые каналы идут от входного пространства к выходному пространству указанных интерконнекторов, при этом основное направление от анодного входного пространства к анодному выходному пространству с анодной стороны каждого интерконнектора определяет направление потока анодного газа каждого интерконнектора и основное направление от катодного входного пространства к катодному выходному пространству с катодной стороны каждого интерконнектора определяет направление потока катодного газа каждого интерконнектора, где каждый топливный элемент в пакете имеет один из:

- параллельного потока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, или

- поперечного потока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, или

- противотока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа,

где смежные стороны соседних топливных элементов ориентированы в любом из:

- параллельного потока,

- поперечного потока,

- противотока,

где объединенные в пакет топливные элементы расположены таким образом, что каждый индивидуальный элемент и соседние элементы имеют комбинацию указанных параллельного потока, поперечного потока или противотока направления анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа в каждом индивидуальном элементе и имеют комбинацию указанных параллельного потока, поперечного потока или противотока между двумя смежными сторонами соседних элементов.

17. Пакет топливных элементов по п.16, в котором указанные топливные элементы являются планарными топливными элементами и каждый последующий слой топливных элементов расположен таким образом, что анодная сторона одного топливного элемента обращена к катодной стороне соседнего топливного элемента и катодная сторона одного топливного элемента обращена к анодной стороне соседнего элемента, при этом смежные анодные и катодные стороны соседних топливных элементов ориентированы в любом из:

- параллельного потока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, или

- поперечного потока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, или

- противотока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа,

где объединенные в пакет топливные элементы расположены таким образом, что каждый индивидуальный элемент и соседние элементы имеют комбинацию указанных параллельного потока, поперечного потока или противотока направления анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа в каждом индивидуальном элементе и между двумя смежными сторонами соседних элементов.

18. Пакет топливных элементов по п.16 или 17, в котором указанные топливные элементы представляют собой твердооксидные топливные элементы.

19. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, который содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и один набор вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газа выполняет второй проход через топливный элемент.

20. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, который содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и один набор вторичных элементов, где катодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к катодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный катодный выходящий газ выполняет второй проход через топливный элемент.

21. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, который содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и один набор вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента и катодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к катодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ и первичный катодный выходящий газ выполняют второй проход через топливный элемент.

22. Пакет топливных элементов по любому из пунктов 19-21, в котором анодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к анодному входному газовому пространству всех вторичных элементов, или катодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к катодному входящему газовому пространству всех вторичных элементов, или как анодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к анодным входным газовым пространствам всех вторичных элементов, так и катодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к катодным входным газовым камерам всех вторичных элементов, посредством чего первичный анодный выходящий газ или первичный катодный выходящий газ или как первичный анодный выходящий газ, так и первичный катодный выходящий газ выполняют второй проход через топливный элемент.

23. Пакет топливных элементов по любому из пунктов 19-21, в котором анодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к анодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, или катодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к катодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, или как анодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к анодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, так и катодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к катодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ или первичный катодный выходящий газ или как первичный анодный выходящий газ, так и первичный катодный выходящий газ каждого первичного топливного элемента выполняют второй проход через топливный элемент в, по меньшей мере, одном соседнем вторичном топливном элементе.

24. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, который содержит, по меньшей мере, один набор первичного элемента и соседних вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход через топливный элемент.

25. Пакет топливных элементов по п.24, в котором анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента разделяется и перераспределяется к анодному входному пространству, по меньшей мере, двух соседних вторичных элементов.

26. Пакет топливных элементов по п.24, в котором анодный выходящий газ, по меньшей мере, двух первичных элементов объединяется и перераспределяется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента.

27. Пакет топливных элементов по любому из предшествующих пунктов, который содержит, по меньшей мере, один набор первичных и соседних вторичных элементов, где катодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к катодному входному пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, посредством чего первичный катодный выходящий газ выполняет второй проход через топливный элемент.

28. Пакет топливных элементов по п.27, в котором катодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента разделяется и перераспределяется к катодному входному пространству, по меньшей мере, двух соседних вторичных элементов.

29. Пакет топливных элементов по п.27, в котором катодный выходящий газ, по меньшей мере, двух первичных элементов объединяется и перераспределяется к катодному входному пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента.

30. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, который содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента разделяется на два первичных потока анодного выходящего газа и направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, двух соседних вторичных элементов, расположенных с каждой стороны указанного, по меньшей мере, одного первичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход через указанные вторичные топливные элементы.

31. Пакет топливных элементов по п.30, в котором входные и выходные пространства анодного и катодного газа указанного, по меньшей мере, одного первичного топливного элемента ориентированы таким образом, что, по меньшей мере, один первичный топливный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном направлению потока анодного газа, так что указанный первичный топливный элемент внутри имеет противоток, и указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных топливных элемента имеют поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных топливных элемента внутри имеют параллельный поток ("I").

32. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход через указанный вторичный топливный элемент и посредством чего, по меньшей мере, один первичный топливный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном направлению потока анодного газа, так что указанный первичный топливный элемент внутри имеет противоток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент имеет поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток ("Н").

33. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где, по меньшей мере, один первичный топливный элемент имеет поток анодного газа во втором направлении и катодного газа в первом направлении, по существу противоположном направлению потока анодного газа, так что указанный первичный топливный элемент внутри имеет противоток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент имеет поток анодного газа в указанном первом направлении и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток ("С").

34. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где, по меньшей мере, один первичный топливный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный первичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент имеет поток анодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток ("А").

35. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где, по меньшей мере, один первичный топливный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный первичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент имеет поток анодного газа в указанном первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный топливный элемент внутри имеет противоток ("В").

36. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход через указанный вторичный топливный элемент и посредством чего, по меньшей мере, один первичный топливный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный первичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент имеет поток анодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный топливный элемент внутри имеет противоток ("D").

37. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента и катодный выходящий газ указанного первичного элемента направляется к катодному входному пространству указанного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный и катодный выходящий газ выполняет второй проход через указанный вторичный топливный элемент и посредством чего, по меньшей мере, один первичный топливный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный первичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент имеет поток анодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток ("Е").

38. Пакет топливных элементов по п.30, в котором входные и выходные пространства анодного и катодного газа указанного, по меньшей мере, одного первичного топливного элемента ориентированы таким образом, что, по меньшей мере, один первичный топливный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный первичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток, и указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных топливных элемента имеют поток анодного газа во втором направлении, по существу противоположном первому направлению, и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных топливных элемента внутри имеют противоток ("F").

39. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, в котором анодный выходящий газ, по меньшей мере, двух первичных элементов объединяется в один поток первичного анодного выходящего газа и направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, расположенного между указанными, по меньшей мере, двумя первичными элементами, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход через указанный вторичный топливный элемент, и, по меньшей мере, два первичных топливных элемента имеют поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанные первичные топливные элементы внутри имеют параллельный поток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент имеет поток анодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент внутри имеет противоток ("G").

40. Пакет топливных элементов по п.16, или 17, или 18, при этом указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, где анодный выходящий газ, по меньшей мере, двух первичных элементов объединяется в один поток первичного анодного выходящего газа и направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, расположенного между указанными, по меньшей мере, двумя первичными элементами, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход через указанный вторичный топливный элемент, и, по меньшей мере, два первичных топливных элемента имеют поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, так что указанные первичные топливные элементы внутри имеют противоток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент имеет поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный топливный элемент внутри имеет параллельный поток ("J").

41. Пакет топливных элементов по любому из пунктов 30-40, в котором наборы топливных элементов согласно любому из пунктов 30-40 скомбинированы в пакеты, содержащие множество наборов в комбинации.

Ниже изобретение описывается более подробно со ссылкой на сопутствующие Фигуры, где

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение, показывающее принцип газового потока повторяющегося элемента конструкции топливного элемента с внутренним параллельным потоком, известного из уровня техники,

Фиг.2 показывает принцип газового потока повторяющегося элемента конструкции топливного элемента с внутренним противотоком, известного из уровня техники,

Фиг.3 - Фиг.12 показывают повторяющийся элемент различных комбинаций схем потоков согласно настоящему изобретению, комбинация "А"-"D" и "F"-"J",

Фиг.13 показывает выход мощности на элемент в пакетах с комбинацией схем потоков "А"-"D" и "F"-"J" и природным газом в качестве топлива,

Фиг.14 показывает выход мощности на элемент в пакетах с комбинацией схем потоков "А"-"D" и "F"-"J" и водородом в качестве топлива,

Фиг.15 показывает поверхностное удельное сопротивление (area specific resistance, ASR) в пакетах с комбинацией схем потоков "А"-"D" и "F"-"J" и природным газом (ng) в качестве топлива,

Фиг.16 показывает поверхностное удельное сопротивление (ASR) в пакетах с комбинацией схем потоков "А"-"D" и "F"-"J" и водородом (Н₂) в качестве топлива,

Фиг.17 показывает ΔТ для катодного газа (выходная температура катодного газа минус входная температура катодного газа) в пакетах с комбинацией схем потоков "А"-"D" и "F"-"J" и природным газом в качестве топлива,

Фиг.18 показывает ΔT для катодного газа в пакетах с комбинацией схем потоков "А"-"D" и "F"-"J" и водородом в качестве топлива,

Фиг.19 показывает среднее напряжение элемента в пакетах с комбинацией схем потоков "А"-"D" и "F"-"J" и природным газом в качестве топлива,

Фиг.20 показывает среднее напряжение элемента в пакетах с комбинацией схем потоков "А"-"D" и "F"-"J" и водородом в качестве топлива,

Фиг.21 показывает температуру элемента вдоль направления потока для комбинации схем потоков "С" по сравнению с пакетом элементов с обычным параллельным потоком и обычным противотоком с природным газом в качестве топлива,

Фиг.22 показывает плотность тока вдоль направления потока для комбинации схем потоков "С" по сравнению с пакетом элементов с обычным параллельным потоком и обычным противотоком с природным газом в качестве топлива,

Фиг.23 показывает температуру элемента вдоль направления потока для комбинации схем потоков "Н" по сравнению с пакетом элементов с обычным параллельным потоком и обычным противотоком с природным газом в качестве топлива,

Фиг.24 показывает плотность тока вдоль направления потока для комбинации схем потоков "Н" по сравнению с пакетом элементов с обычным параллельным потоком и обычным противотоком с природным газом в качестве топлива,

Фиг.25 показывает температуру элемента вдоль направления потока для комбинации схем потоков "I" по сравнению с пакетом элементов с обычным параллельным потоком и обычным противотоком с природным газом в качестве топлива,

Фиг.26 показывает плотность тока вдоль направления потока для комбинации схем потоков "I" по сравнению с пакетом элементов с обычным параллельным потоком и обычным противотоком с природным газом в качестве топлива,

На Фиг.27 изображена принципиальная схема CMR (Collect-Mix-Redistribution, собирание-смешивание-перераспределение) с двумя первичными и двумя вторичными топливными элементами, и

На Фиг.28 изображена принципиальная схема последовательного соединения анодной стороны двух первичных и двух вторичных элементов.

Далее представлен ряд комбинированных схем потоков: комбинированные схемы внутренних потоков элементов, изменяющиеся схемы потоков между соседними элементами в пакете, так же как комбинации проходов потоков катодного газа и анодного газа либо через только единственный элемент, либо через множество последовательно соединенных элементов до выброса газов из пакета с или без объединения или разделения потоков газа. Хотя представлено большое количество вариантов выполнения изобретения (от схемы "А" до "J"), в то же время они не являются исчерпывающими. Изобретение согласно независимому пункту 1 охватывает широкий диапазон комбинаций схем потоков, и следующие примеры вариантов выполнения изобретения не должны интерпретироваться как ограничивающие объем настоящего изобретения.

Фиг.1 и 2 демонстрируют два обычных принципа газовых потоков топливного элемента: катодный газ, например воздух, показан в качестве стрелки с непрерывной линией и анодный газ, например природный газ или водород, показан в качестве стрелки с пунктирной линией. Топливный элемент, содержащий анод, катод и электролит показан в виде сплошной линии. Как видно из этих принципиальных схем, анодный газ и катодный газ текут с противоположных сторон топливного элемента. Входы анодного и катодного газа не показаны, так как они не являются обязательной частью изобретения. Важным является основное направление потока анодного газа по отношению к катодному газу. Главное направление потока определяется как главное направление из входной камеры к выходной камере. В этом контексте под термином «основное» следует понимать, что входное пространство и выходное пространство не являются обязательно единственной точкой, они могут иметь определенную протяженность, например при использовании запасной коллекторной системы. Поэтому направление потока не всегда можно точно определить из одной точки в другую, а скорее как «основное» направление из средней срединной точки входа и средней срединной точки выхода внутри входного и выходного пространств. Тем не менее, «основное» направление потока характеризуется достаточно точно, чтобы определить, текут ли анодный газ и катодный газ, в целом, в таком же направлении, либо в противоположном направлении, либо в перпендикулярном направлении, что соответствует концепциям параллельного потока, противотока или поперечного потока, которые являются основными для определения настоящего изобретения. Таким образом, Фиг.1 показывает обычный топливный элемент с параллельным потоком, в то время как Фиг.2 показывает обычный топливный элемент с противотоком, каждый с присущими характеристиками и преимуществами, как уже объяснялось.

При сборке множества топливных элементов в пакет каждый топливный элемент отделен при помощи интерконнекторов, которые служат (среди прочего) для разделения потока анодного газа одного элемента от потока катодного газа соседнего ему элемента. Как и в обычных пакетах топливных элементов, сборка в пакет множества топливных элементов с параллельным потоком, как показано на Фиг.1, затем ведет к пакету с параллельным потоком внутри каждого элемента и параллельным потоком соседних элементов с каждой стороны интерконнекторов, что далее именуется «потоком, параллельным интерконнектору». Соответственно, сборка в пакет множества элементов с противотоком, согласно Фиг.2, приводит к пакету с внутренним противотоком в элементе и противотоком интерконнектору.

Фигуры 3-12 демонстрируют различные варианты выполнения настоящего изобретения, где скомбинированы параллельный поток и противоток, так же как множественные проходы потоков газа (перераспределение), объединение и разделение газовых потоков. На Фиг.3 показаны первичный элемент и вторичный соседний элемент, разделенные интерконнектором (показан как узкая пунктирная линия). Первичный элемент, так же как вторичный элемент, имеет внутренний параллельный поток. Тем не менее, направления потоков первичного элемента противоположны направлениям потоков соседних вторичных элементов. Следовательно, как видно на фигуре, два элемента имеют противоток интерконнектору. И в целом, комбинация схем потоков "А" согласно Фиг.3 имеет внутренний параллельный поток, скомбинированный с внутренним параллельным потоком и противотоком интерконнектору. Следует ожидать, что комбинация схем потоков "А" объединит преимущество 1 и преимущество 2, в то время как преимущество 1 особенно относится к противотоку, а преимущество 2 особенно относится к параллельному потоку. Аналогичным образом, можно ожидать высокого выхода мощности такого пакета, потому что низкое поверхностное удельное сопротивление приводит к низкой потере мощности в пакете. Низкое поверхностное удельное сопротивление обусловлено относительно плоским температурным профилем и высокой средней температурой, что является результатом усреднения температурных профилей первичных и вторичных элементов. Тем не менее, согласно результатам тестов, выход мощности такого пакета является относительно низким, потому что низкое AT для комбинации "А" приводит к слишком маленькому отводу тепла катодным воздухом. Следовательно, комбинации "А" недостает преимущества 2, но она имеет явное преимущество 1. Следовательно, не просто предсказать эффект и преимущества различных возможных комбинаций схем потоков, только результаты тестов могут пролить свет на то, какие комбинации дадут оптимальный выход пакета топливных элементов. Как будет далее видно, преимущества могут быть даже более сложно оптимизированы более сложными комбинациями схем потоков.

Следует понимать, что принцип, показанный на Фиг.3, можно применить к полному пакету, так что множество собранных в пакет элементов (более чем два) может иметь внутренний параллельный поток и противоток интерконнектору, когда направления потоков меняются на противоположных сторонах каждого интерконнектора в пакете. Далее, принцип потоков на Фиг.3 можно комбинировать с любыми принципами потоков на фигурах 1-2 и 4-2.

Фиг.4 показывает комбинацию схем потоков "В", где первичный элемент с внутренним противотоком соседствует с вторичным элементом с внутренним параллельным потоком и потоки с каждой стороны разделяющего интерконнектора проходят по такому же главному направлению по двум показанным топливным элементам. Если в пакет собирается больше наборов элементов согласно комбинации "В", тем не менее, некоторые имеют параллельный интерконнектору поток и некоторые имеют противоток интерконнектору. Хотя комбинация схем потоков "В" имеет внутренний противоток, скомбинированный с внутренним параллельным потоком и скомбинированный с параллельным интерконнектору потоком и противотоком интерконнектору. Опять же, так же как и для всех показанных комбинаций схем потоков, схема, показанная для двух элементов на Фиг.4, может повторяться по всему пакету, содержащему множество элементов, или ее можно скомбинировать с другими комбинациями схем потоков, например, как показано на предшествующих и последующих фигурах.

На Фиг.5 показана комбинация схем потоков "С", которая отличается от комбинации "В" тем, что у "С" меняется направление анодного потока, в то время как у "В" меняется направление катодного потока.

Комбинация схем потоков "D", показанная на Фиг.6, включает принцип, который заключается в наличии двух элементов, последовательно соединенных с топливной стороны. Согласно фигуре, анодный газ выполняет первый проход через первичный элемент и затем второй проход через соседний вторичный элемент, до того как анодный газ выйдет. В этом случае коэффициент использования топлива увеличивается, в то время как более высокая степень топлива окисляется по пакету топливных элементов. Таким образом, "D" имеет комбинацию: внутренний параллельный поток, внутренний противоток и перераспределение анодного газа.

Другой вариант выполнения изобретения, который относится к "D", показан на Фиг.7, а именно комбинация схем потоков "Е", где также поток катодного газа перераспределяется таким образом, что первичный элемент последовательно соединяется с вторичным элементом не только со стороны анодного газа, но также со стороны катодного газа. В комбинации "Е" оба элемента имеют, тем не менее, внутренний параллельный поток, так что в целом комбинация "Е" имеет: внутренний параллельный поток, противоток интерконнектору, перераспределение анодного газа и перераспределение катодного газа.

На Фиг.8 изображена комбинация схем потоков "F", где используется другая возможность, а именно принцип разделения потока первичного газа на два потока после первого прохода и затем перераспределения двух потоков для выполнения второго прохода через два соседних вторичных элемента. В комбинации "F" это происходит с анодным газом. Как можно увидеть, в целом комбинация "F" включает в комбинации: внутренний параллельный поток, внутренний противоток, параллельный интерконнектору поток, противоток интерконнектору и разделение и перераспределение анодного газа.

На Фиг.9 показан приблизительно противоположный варианту "F" вариант выполнения изобретения, а именно комбинация схем потоков "G", которая объединяет два первичных потока анодного газа в один поток, после того как они выполнят первый проход через два первичных топливных элемента, и затем объединенный поток анодного газа ведется к вторичному топливному элементу, где он выполняет второй проход. Согласно фигуре, два первичных элемента имеют внутренний параллельный поток анодного газа по отношению к катодному газу, и вторичный топливный элемент имеет противоток. Таким образом, комбинация "G" имеет: внутренний параллельный поток и внутренний противоток, противоток интерконнектору и параллельный интерконнектору поток и объединение и перераспределение анодного газа. При применении принципа комбинации "G" к полному пакету, содержащему множество элементов, подразумевается, что пары первичных элементов соседствуют друг с другом, разделенные интерконнекторами. В зависимости от применения, эти первичные элементы могут иметь либо параллельный интерконнектору поток, либо противоток интерконнектору.

Комбинация схем потоков "Н" показана на Фиг.10. Здесь перераспределение анодного газа из первичного элемента к вторичному элементу скомбинировано с внутренним противотоком в первичном элементе, внутренним параллельным потоком во вторичном элементе.

На Фиг.11 показана комбинация "I", в которой поток анодного газа через первичный топливный элемент разделяется на два вторичных потока после прохождения через первичный топливный элемент. Два вторичных потока анодного газа затем выполнят второй проход через два вторичных топливных элемента, до того как выйти. Первичный топливный элемент имеет внутренний противоток, в то время как вторичные топливные элементы имеют внутренний параллельный поток. Суммируя изложенное, комбинация "I", таким образом, включает: внутренний противоток в первичных элементах, внутренний параллельный поток во вторичных элементах, параллельный интерконнектору поток, противоток интерконнектору и разделение и перераспределение анодного газа.

На Фиг.12 показан последний из приведенных в качестве примера вариант выполнения изобретения согласно изобретению. Комбинация "J" имеет объединение двух первичных потока анодного газа в один вторичный поток анодного газа. Кроме того, "J" имеет внутренний противоток первичных топливных элементов, внутренний параллельный поток вторичного топливного элемента и параллельный интерконнектору поток, так же как противоток интерконнектору.

Для того чтобы сравнить эффективность комбинации схем потоков "А" с "J", были выбраны фиксированные параметры процесса:

входная температура катодного газа: T_in=700°С,

температурный максимум: T_max=827°С,

- при фиксированном коэффициенте использования топлива и коэффициентах использования катодного газа. Для этих фиксированных параметров процесса наблюдались суммарный выход тока I и среднее напряжение элемента U для каждой из комбинаций схем потоков. Результаты также могут быть представлены в виде средней мощности на элемент, Р=U*I, и поверхностного удельного сопротивления. Интересно получить эти показатели как для топлива, подвергающегося риформингу, так и для топлива, не подвергающегося риформингу. Следовательно, показатели различных комбинаций схем потоков изучались как для природного газа, так и водорода в качестве топлива. Отметим, что результаты тестов для комбинации "Е" не показаны, так как ΔТ для этой комбинации слишком мало, чтобы дать значимые результаты тестов.

Важной задачей изобретения является возможность достигнуть самой высокой возможной мощности на топливный элемент, посредством чего на пакет требуется меньшее количество элементов для получения конкретного выхода мощности, таким образом обеспечивается меньшая стоимость. Выход мощности каждой из комбинаций схем потоков "А"-"J", так же как две обычные в этой области техники ссылки "RefCof (ссылка на схему параллельного потока) и "RefCou" (ссылка на схему противотока), показан в виде гистограммы на Фиг.13 для природного газа, и на Фиг.14 для водорода в качестве анодного газа. Мощность указана в ваттах на топливный элемент, Вт/элемент, на оси Y диаграмм. Комбинации схем потоков, дающие самый высокий выход мощности, делают это, главным образом, по двум причинам: низкое поверхностное удельное сопротивление (ASR), которое относится к "преимуществу 1", и высокая ΔT (температура катодного выхода минус температура катодного входа), которая относится к "преимуществу 2".

На фигурах 15-18 поверхностное удельное сопротивление и ΔТ для различных комбинаций схем потоков показано для природного газа и водорода, соответственно. На фигурах 15 и 16 по оси Y размечено поверхностное удельное сопротивление в миллиомах на квадратный сантиметр для природного газа "ng" (natural gas) и водорода "Н₂". Комбинации схем потоков "D"-"J" имеют дополнительное преимущество поверхностного удельного сопротивления топлива, а именно "преимущество 3".

Фигуры 17 и 18 демонстрируют различие между выходной температурой газа и входной температурой газа ΔT в градусах Цельсия (по оси Y) для различных показанных комбинаций схем потоков как с природным газом "ng" так и водородом "Н₂" в качестве анодного газа.

Фигуры 19 и 20 показывают среднее напряжение элемента в вольтах (по оси Y) для различных показанных комбинаций схем потоков с природным газом "ng" и водородом "Н₂" в качестве анодного газа.

Как видно из фигур 13-20, комбинации схем потоков "С", "Н", "I" и "J" имеют более высокий выход мощности, чем обычные схемы параллельных потоков и противотоков. Комбинация "I" с природным газом в качестве анодного газа имеет плотность мощности, которая на 15% выше, чем у обычного параллельного потока, и на 31% выше, чем у противотока. "Н", "I" и "J" имеют дополнительное преимущество в том, что они делают возможным собирание-смешивание-перераспределение топлива внутри пакета ("преимущество 3").

Примером для понимания этих преимуществ может послужить сравнение данных Фиг.13-20. Например, изучение комбинации "С", которая является гибридом параллельного потока и противотока. Выход тока распределяется должным образом для достижения самого большого выхода тока из самых горячих зон, так же как и в случае обычного противотока. Это приводит к низкому поверхностному удельному сопротивлению (ниже, чем у параллельного потока, но незначительно больше, чем у противотока, - "преимущество 1"). Одновременно комбинированная схема потоков приводит к более высокому ΔТ для катодного газа, что означает более эффективное охлаждение элементов ("преимущество 2"). Более эффективное охлаждение означает более высокий выход тока, до того как достигается фиксированный T_max.

В иллюстративных целях на фигурах 21 и 22 показано распределение температуры и плотности тока для комбинации "С" по сравнению с обычным параллельным потоком и противотоком. "Преимущество 1" рассматривается, как широкое распределение выхода тока, что одновременно хорошо сходится с распределением температуры (OutA и OutB означают первичный и вторичный элемент комбинации "С", по осям Y температура указана в градусах Кельвина и плотность тока в амперах на квадратный метр, А/м², соответственно). "Преимущество 2" рассматривается как температура катодного газа на выходе, которая увеличивается по сравнению с противотоком.

На Фигурах 23-26 также показано распределение температуры и плотности тока, только теперь для комбинаций "Н" и "I". Также для этих двух комбинаций наблюдалась широко распределенная плотность тока, которая хорошо сходится с распределением температуры ("преимущество 1") и эффективным охлаждением из-за высокого T_out ("преимущество 2"). Обе комбинации "Н" и "I" также обеспечены собиранием-смешиванием-перераспределением топлива ("преимущество 3"). Из фигур ясно, что комбинация "I" имеет немного лучшую эффективность, чем "Н". Поскольку "I" и "Н" имеют почти одинаковое низкое поверхностное удельное сопротивление, лучшая эффективность комбинации "I", главным образом, должна приписываться немного более эффективному охлаждению.

Комбинации схем потоков "С", "Н", "I" и "J", в которых в качестве топлива используется как природный газ, так и водород, имеют такое же или более высокое напряжение элемента, чем у параллельного потока. Следовательно, также следует ожидать меньшего ухудшения свойств элемента, чем наблюдается в случае параллельного потока, даже хотя "С", "Н", "I" и "J" имеют более высокую среднюю плотность мощности. По сравнению с противотоком, "С", "Н" и "I" имеют значительно более высокую среднюю плотность мощности, но также и более низкое напряжение элемента. Это обусловлено предварительно заданными условиями сравнения, когда T_in и T_max являются постоянными, в то время как варьируются напряжение и ток. Следовательно, возможно, что более высокая скорость разложения также является эффектом этих параметров процесса.

Очевидным недостатком комбинированных схем потоков согласно настоящему изобретению является видимая потребность в более сложной газовой коллекторной системе для пакета топливных элементов, что может привести к менее активной площади топливных элементов. Простые геометрические соображения, тем не менее, показывают, что эта сниженная эффективность меньше выгоды от прироста плотности мощности. Более того, комбинации "С", "Н", "I" и "J" могут быть реализованы с коллекторами со стороны катодного газа.

Примечательно, что комбинации "А" и "В" дают возможность низкого поверхностного удельного сопротивления ("преимущество 1") также с топливом, не подвергающимся риформингу (таким как водород). Это обусловлено противоположным направлением катодного потока первичного и вторичного элементов, что, в свою очередь, приводит к плоскому температурному профилю. В сочетании с охлаждением другим способом, а не катодным газом, это может обеспечить высокую электрическую эффективность и высокий выход, особенно с топливами, не подвергающимися риформингу.

На Фиг.27 и 28 показаны два варианта выполнения изобретения, дающие более высокий максимальный коэффициент использования топлива. На Фиг.27 изображена схема CMR (собирание-смешивание-перераспределение), где выходящие потоки газа из множества элементов собираются в один общий промежуточный газовый поток, до того как он снова разделится на множество газовых потоков, которые выполнят второй проход через множество вторичных топливных элементов. Это повышает устойчивость пакета к редким, но серьезным ошибкам в снабжении топливом некоторых единичных элементов в пакете.

На Фиг.28 показан вариант выполнения изобретения, в котором газ идет из отдельных первичных элементов к отдельным вторичным элементам при последовательном соединении, где второй проход потока через элемент осуществляется газом. Таким образом, снабжение топливом двух элементов при последовательном соединении зависит от полной потери давления по двум рассматриваемым элементам, и следовательно, достигается частичное выравнивание изменения потери давления конкретного элемента. Этот вариант выполнения изобретения улучшает устойчивость пакета к менее серьезным, но более частым ошибкам.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к комбинации схем потоков внутри каждого элемента и между элементами пакета топливных элементов (ТЭ) или пакета электролитических элементов. Пакет элементов, содержащий множество ТЭ или электролитических элементов, имеет комбинацию схем потоков анодного газа и катодного газа внутри каждого из элементов и между элементами по отношению друг к другу, так что катодный и анодный газ внутри элемента текут либо в параллельном потоке, либо в противотоке, либо в поперечном потоке, при этом поток анодного и катодного газа в одном элементе имеет параллельный поток, противоток или поперечный поток по отношению к потоку анодного и катодного газа в соседних элементах. Повышение входной мощности и плотности тока за счет минимизации градиента температур по элементам и по пакету в целом является техническим результатом изобретения. 21 з.п. ф-лы, 28 ил.

1. Пакет элементов, содержащий множество топливных элементов или электролитических элементов, расположенных в слоях друг над другом, причем каждый из указанных элементов содержит анод, электролит и катод, каждый слой элементов разделен множеством интерконнекторов, по одному между каждым элементом, интерконнекторы снабжены газовыми каналами с каждой стороны, обращенной к анодной или катодной стороне соседнего элемента, газовые каналы идут от входного пространства к выходному пространству указанных элементов, основное направление от анодного входного пространства к анодному выходному пространству с анодной стороны каждого элемента определяет направление потока анодного газа каждого элемента и основное направление от катодного входного пространства к катодному выходному пространству с катодной стороны каждого элемента определяет направление потока катодного газа каждого элемента, каждый элемент в пакете имеет один из:
- внутреннего параллельного потока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, или
- внутреннего поперечного потока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, или
- внутреннего противотока направления потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа,
смежные стороны соседних элементов с каждой стороны интерконнектора ориентированы в любом из:
- параллельного интерконнектору потока,
- поперечного интерконнектору потока,
- противотока интерконнектору,
где объединенные в пакет элементы расположены таким образом, что каждый индивидуальный элемент и соседние элементы имеют комбинацию указанных внутреннего параллельного потока, внутреннего поперечного потока или внутреннего противотока направления анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа внутри каждого индивидуального элемента и имеют комбинацию указанных параллельного интерконнектору потока, поперечного интерконнектору потока или противотока интерконнектору между двумя смежными сторонами соседних элементов.

2. Пакет элементов по п.1, в котором указанные элементы представляют собой твердооксидные топливные элементы.

3. Пакет элементов по п.1, в котором указанные элементы представляют собой твердооксидные электролитические элементы.

4. Пакет элементов по п.1, содержащий, по меньшей мере, один набор первичных элементов и один набор вторичных элементов, в котором анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход потока через элемент.

5. Пакет элементов по п.1, содержащий, по меньшей мере, один набор первичных элементов и один набор вторичных элементов, в котором катодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к катодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный катодный выходящий газ выполняет второй проход потока через элемент.

6. Пакет элементов по п.1, содержащий, по меньшей мере, один набор первичных элементов и один набор вторичных элементов, в котором анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента и катодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента перераспределяется к катодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ и первичный катодный выходящий газ выполняют второй проход потока через элемент.

7. Пакет элементов по любому из пп.4-6, в котором анодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к анодному входному газовому пространству всех вторичных элементов, или катодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к катодному входному газовому пространству всех вторичных элементов, или как анодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к анодному входному газовому пространству всех вторичных элементов, так и катодный выходящий газ всех первичных элементов собирается, смешивается и перераспределяется к катодному входному газовому пространству всех вторичных элементов, посредством чего первичный анодный выходящий газ или первичный катодный выходящий газ или как первичный анодный выходящий газ, так и первичный катодный выходящий газ выполняют второй проход потока через элемент.

8. Пакет элементов по любому из пп.4-6, в котором анодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к анодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, или катодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к катодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, или как анодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к анодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, так и катодный выходящий газ каждого первичного элемента перераспределяется к катодному входному газовому пространству, по меньшей мере, одного соседнего вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ или первичный катодный выходящий газ или как первичный анодный выходящий газ, так и первичный катодный выходящий газ каждого первичного элемента выполняют второй проход потока через элемент, по меньшей мере, в одном соседнем вторичном элементе.

9. Пакет элементов по п.7, в котором входные и выходные пространства анодного и катодного газа указанного, по меньшей мере, одного первичного элемента ориентированы таким образом, что, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном направлению потока анодного газа, так что указанный первичный элемент внутри имеет противоток, и указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных элемента имеют поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных элемента внутри имеют параллельный поток ("I").

10. Пакет элементов по п.8, в котором входные и выходные пространства анодного и катодного газа указанного, по меньшей мере, одного первичного элемента ориентированы таким образом, что, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном направлению потока анодного газа, так что указанный первичный элемент внутри имеет противоток, и указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных элемента имеют поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанные, по меньшей мере, два соседних вторичных элемента внутри имеют параллельный поток ("I").

11. Пакет элементов по п.7, причем указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, в котором анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход потока через указанный вторичный элемент и посредством чего, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном направлению потока анодного газа, так что указанный первичный элемент внутри имеет противоток, и указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("Н").

12. Пакет элементов по п.8, в котором указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, в котором анодный выходящий газ, по меньшей мере, одного первичного элемента направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход потока через указанный вторичный элемент и посредством чего, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном направлению потока анодного газа, так что указанный первичный элемент внутри имеет противоток, и указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("Н").

13. Пакет элементов по любому из пп.1-3, причем указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, в котором, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа во втором направлении и катодного газа в первом направлении, по существу противоположном направлению потока анодного газа, так что указанный первичный элемент внутри имеет противоток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном первом направлении и поток катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("С").

14. Пакет элементов по любому из пп.1-3, причем указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, в котором, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный первичный элемент внутри имеет параллельный поток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный элемент имеет поток анодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("А").

15. Пакет элементов по любому из пп.1-3, причем указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, в котором, по меньшей мере, один первичный элемент имеет поток анодного газа в первом направлении и катодного газа в указанном первом направлении, так что указанный первичный элемент внутри имеет параллельный поток, и указанный, по меньшей мере, один соседний вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет противоток ("В").

16. Пакет элементов по п.7, причем указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, в котором анодный выходящий газ, по меньшей мере, двух первичных элементов объединяется в один поток первичного анодного выходящего газа и направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход потока через указанный вторичный элемент, и, по меньшей мере, два первичных элемента имеют поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, так что указанные первичные элементы внутри имеют противоток, и указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("J").

17. Пакет элементов по п.8, причем указанный пакет содержит, по меньшей мере, один набор первичных элементов и соседних вторичных элементов, в котором анодный выходящий газ, по меньшей мере, двух первичных элементов объединяется в один поток первичного анодного выходящего газа и направляется к анодному входному пространству, по меньшей мере, одного вторичного элемента, посредством чего первичный анодный выходящий газ выполняет второй проход потока через указанный вторичный элемент, и, по меньшей мере, два первичных элемента имеют поток анодного газа в первом направлении и поток катодного газа во втором направлении, по существу противоположном указанному первому направлению, так что указанные первичные элементы внутри имеют противоток, и указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент имеет поток анодного газа в указанном втором направлении и поток катодного газа в указанном втором направлении, так что указанный, по меньшей мере, один вторичный элемент внутри имеет параллельный поток ("J").

18. Пакет элементов по любому из пп.9-12, в котором наборы элементов, определенные в любом из пп.9-14, скомбинированы в пакеты, содержащие множество наборов в комбинации.

19. Пакет элементов по п.13, в котором наборы элементов, определенные в любом из пп.9-14, скомбинированы в пакеты, содержащие множество наборов в комбинации.

20. Пакет элементов по п.14, в котором наборы элементов, определенные в любом из пп.9-14, скомбинированы в пакеты, содержащие множество наборов в комбинации.

21. Пакет элементов по п.15, в котором наборы элементов, определенные в любом из пп.9-14, скомбинированы в пакеты, содержащие множество наборов в комбинации.

22. Пакет элементов по п.16 или 17, в котором наборы элементов, определенные в любом из пп.9-14, скомбинированы в пакеты, содержащие множество наборов в комбинации.