БАТАРЕЯ ТРУБЧАТЫХ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ИНКОРПОРИРУЮЩЕЕ ТАКУЮ БАТАРЕЮ Российский патент 2016 года по МПК H01M8/24 H01M8/02 H01M8/10 

Предпосылки изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится к топливным элементам и, более конкретно, к батареям трубчатых твердооксидных топливных элементов и устройствам топливных элементов, инкорпорирующим такие батареи.

[0002] Топливный элемент является электрическим устройством, которое преобразует энергетический потенциал топлива в электроэнергию посредством электрохимической реакции. В общем случае узел топливного элемента содержит пару электродов (анод и катод), разделенных электролитом. Электролит позволяет проходить только ионам определенного типа. Селективное прохождение ионов через электролит приводит к генерации потенциала между двумя электродами. Этот потенциал можно использовать для совершения полезной работы. Такой процесс прямого преобразования повышает эффективность генерирования электроэнергии за счет устранения механических этапов, требуемых в традиционных устройствах, генерирующих электроэнергию, таких как электрические генераторы с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Дополнительно, комбинация более высокой эффективности и электрохимических процессов обеспечивает энергетически эффективный, ресурсосберегающий и экологически чистый источник электроэнергии.

[0003] Хорошо известный тип твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) обладает тремя основными компонентами: анодный слой, который генерирует электроны, катодный слой, который поглощает электроны, и промежуточный электролитный слой, который проводит ионы, но препятствует прохождению электронов. При работе топливо, такое как водород, углеводород, спирт, монооксид углерода или смесь любого из вышеупомянутого, соединяется с анионами кислорода в анодном слое с получением воды и/или диоксида углерода и электронов. Электроны, сгенерированные в анодном слое, мигрируют через внешнюю нагрузку и обратно в катодный слой, в котором кислород, обычно обеспеченный в виде потока воздуха, соединяется с этими электронами, обеспечивая анионы кислорода, которые селективно проходят сквозь слой электролита и в анодный слой.

[0004] В общем случае существуют три конструктивных типа ТОТЭ: монолитные ТОТЭ, которые обладают сотовой конструкцией, образованной путем сплавления друг с другом тонких листов керамического материала в монолитный блок; трубчатые ТОТЭ, которые, как показывает их наименование, обладают трубчатой, типично цилиндрической конфигурацией; и планарные ТОТЭ, которые обладают плоской, пластинчатой формой. ТОТЭ работают при довольно высоких температурах, например, порядка 850-1000°С. Как результат таких высоких рабочих температур планарные ТОТЭ имеют тенденцию к растрескиванию и к появлению проблем с герметичностью как результату тепловых циклов. Хотя трубчатые ТОТЭ, как правило, работают лучше в этих отношениях, в них могут встречаться эксплуатационные затруднения, связанные с токосъемом, такие как омические потери, возникающие в результате отсоединения поверхностей электрического контакта, происходящего во время работы. Надежность монолитных ТОТЭ, по причине большого числа мелких компонентов, слоев и межсоединений, применяемых при их производстве, вызывает серьезные сомнения.

[0005] В конкретном случае батарей трубчатых ТОТЭ и устройств топливных элементов, инкорпорирующих их, тепловые напряжения, возникающие в результате циклов включения/выключения, могут привести к омическим потерям вследствие тенденции их токоотводящих компонентов отходить или отсоединяться от электродов, с которыми они связаны при рабочих условиях. Последующее уменьшение площади электрического контакта в большой степени вызвано разницей в коэффициентах термического расширения керамических компонентов электродов батарей трубчатых ТОТЭ по сравнению с теми, у которых токоотводящие компоненты выполнены из металла или содержат металл. Механические силы, возникающие в результате разницы в коэффициентах термического расширения электродов и токоотводов, хотя по отдельности малы, со временем могут вызвать суммарный эффект, проявляющийся как постоянное существенное уменьшение площади электрического контакта между токоотводами и керамическими электродами и сопровождающийся отбирающими энергию омическими потерями.

[0006] Таким образом, существует необходимость в батарее трубчатого ТОТЭ, которая является устойчивой к вышеописанной тенденции токоотводящих компонентов батареи отходить или отсоединяться от связанных с ними электродов во время работы.

Краткое описание изобретения

[0007] В соответствии с настоящим изобретением предлагается батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов, которая содержит:

а) по меньшей мере два аксиально удлиненных узла трубчатого твердооксидного топливного элемента с общим по меньшей мере одним внешним токоотводом, при этом каждый узел топливного элемента содержит:

i) первую и вторую концевые секции и промежуточную секцию между ними, и

ii) внутренний электродный слой, внешний электродный слой и электролитный слой между ними;

b) по меньшей мере один общий токоотвод, находящийся в электрическом контакте с электродным слоем по меньшей мере двух узлов топливного элемента, при этом токоотвод обладает коэффициентом термического расширения большим, чем таковой узлов топливного элемента, при этом токоотвод и каждый электродный слой, находящийся с ним в электрическом контакте, обладают, по существу, конформными поверхностями электрического контакта; и

с) по меньшей мере один держатель, выполненный с возможностью удержания по меньшей мере одной секции из по меньшей мере двух узлов топливного элемента и по меньшей мере части общего токоотвода в соединении с ними с точной посадкой, при этом коэффициент термического расширения держателя меньше или равен таковому узлов топливных элементов, при этом часть токоотвода, удерживаемая в держателе, когда термически расширена, приводит поверхность электрода каждого узла топливного элемента в электрический контакт с ней под напряжением сжатия.

[0008] Во время работы устройства топливных элементов, инкорпорирующего батарею трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению, термическое расширение компонента токоотвода с его большим коэффициентом термического расширения по сравнению с таковым узлом топливного элемента, с которым токоотвод находится в электрическом контакте, приводит к возникновению сжимающего усилия, оказывающего воздействие на поверхности электрического контакта электродных слоев узлов топливного элемента. В результате воздействия этого сжимающего усилия первоначальная площадь электрического контакта между токоотводом и связанными с ним электродами будет оставаться, по существу, постоянной даже после многократных рабочих циклов включения/выключения, тем самым устраняя или уменьшая омические потери в устройстве топливных элементов, инкорпорирующем батарею трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению.

Краткое описание чертежей

[0009] На приложенных чертежах одинаковые элементы обозначены одними и теми же позициями:

[0010] Фиг. 1А - вид в перспективе одного варианта реализации узла трубчатого ТОТЭ в соответствии с настоящим изобретением, показывающий открытыми поверхности электрода на обеих концевых секциях узла;

[0011] Фиг. 1В - увеличенный вид концевого узла трубчатого ТОТЭ по фиг. 1А;

[0012] Фиг. 1С - вид в перспективе другого варианта реализации узла трубчатого ТОТЭ в соответствии с настоящим изобретением, в котором конфигурация поперечного сечения его концевых секций отличается от таковой в его промежуточной секции;

[0013] Фиг. 1D - увеличенный вид одного конца узла трубчатого ТОТЭ по фиг. 1С, показывающий переход чередующейся выпукло-вогнутой конфигурации этого конца в, по существу, круглую конфигурацию поперечного сечения промежуточной секции узла топливного элемента;

[0014] Фиг. 2А и 2В являются видами в перспективе пар примыкающих узлов трубчатого ТОТЭ по фиг. 1А, иллюстрирующими, соответственно, токоотводы кольцевой формы в электрическом контакте с концевыми секциями узлов топливных элементов в паре и перфорированный трубчатый токоотвод, проходящий, по существу, по всей длине пары топливных элементов.

[0015] Фиг. 2С является увеличенным видом сбоку идентичных концевых секций пары узлов трубчатого ТОТЭ, показанных на фиг. 2А, иллюстрирующим электрическое соединение внутреннего анода с внешним катодом пары узлов топливного элемента посредством их общих токоотводов так, чтобы обеспечить последовательное электрическое соединение узлов топливного элемента.

[0016] Фиг. 2D является увеличенной частью продольного сечения батареи узлов трубчатого ТОТЭ по настоящему изобретению, инкорпорирующей пары узлов трубчатого ТОТЭ с последовательным электрическим соединением, как показано на фиг. 2А и 2С, также иллюстрирующего соединение с точной посадкой между концевыми секциями каждого узла топливного элемента в паре, их общие токоотводы и их связанные держатели.

[0017] Фиг. 2Е является частично разобранным видом в перспективе батареи трубчатых ТОТЭ по фиг. 2D, где один из ее двух держателей показан пунктирным контуром и отделенным от батареи, чтобы лучше показать детали его внутренней конфигурации, удерживающей секцию топливных элементов и общих токоотводов;

[0018] Фиг. 2F является продольным разрезом отделенного держателя, показанного на фиг. 2Е;

[0019] Фиг. 2G и 2Н являются увеличенными видами сбоку пары узлов трубчатого ТОТЭ, показанных на фиг. 2А, иллюстрирующими, соответственно, электрическое соединение внутреннего анода с внутренним анодом узлов топливного элемента посредством их общего токоотвода на одном их конце, и электрическое соединение внешнего катода с внешним катодом узлов топливного элемента посредством их общего токоотвода на их другом конце так, чтобы обеспечить параллельное электрическое соединение узлов топливного элемента.

[0020] Фиг. 2I является увеличенной частью продольного сечения батареи узлов трубчатого ТОТЭ, инкорпорирующей пару узлов трубчатого ТОТЭ с параллельным электрическим соединением, как показано на фиг. 2А, также иллюстрирующего соединение с точной посадкой концевых секций узлов топливного элемента, их общие токоотводы и их связанные держатели;

[0021] Фиг. 3А является частично разобранным видом в перспективе другого варианта реализации батареи трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению, при этом один из ее двух держателей показан пунктирным контуром и отделенным от батареи для того, чтобы лучше показать детали его внутренней конфигурации, удерживающей секцию топливных элементов и общих токоотводов;

[0022] Фиг. 3В является видом продольного разреза отделенного держателя, показанного на фиг. 3А;

[0023] Фиг. 3С является увеличенной частью продольного сечения батареи трубчатых ТОТЭ по фиг. 3А, иллюстрирующего электрическое соединение ее узлов топливного элемента в чередующейся однополюсной последовательности;

[0024] Фиг. 4А, 4В и 4С являются видами в перспективе других вариантов реализации батарей трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению, иллюстрирующими размещение их компонента (компонентов) держателей;

[0025] Фиг. 5А является видом в перспективе другой компоновки узлов топливного элемента по настоящему изобретению;

[0026] Фиг. 5В является видом в перспективе секции общих токоотводов компоновки узлов топливного элемента по фиг. 5А, при этом токоотводы, обладающие конфигурацией изогнутого параллелограмма, показаны на увеличенном поперечном сечении на фиг. 7G;

[0027] Фиг. 5С является увеличенной частью продольного сечения компоновки узлов топливного элемента, показанных на фиг. 5А;

[0028] Фиг. 6А является частично разобранным видом в перспективе другого варианта реализации батареи трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению, обладающей трубками подачи катодного воздуха, расположенными соосно с узлами топливного элемента;

[0029] Фиг. 6В и 6С являются, соответственно, увеличенным видом сверху и увеличенной частью продольного сечения батареи трубчатых ТОТЭ по фиг. 6А, показывающими удержание секции труб подачи катодного воздуха в кольцевом пространстве каждого токоотвода;

[0030] Фиг. 7А-7I являются видами поперечных сечений некоторых компоновок узлов топливного элемента и их общего токоотвода (токоотводов) согласно настоящему изобретению;

[0031] Фиг. 8А и 8В, соответственно, являются видом в перспективе и видом сверху частично в вертикальной проекции и частично в поперечном разрезе устройства топливных элементов, инкорпорирующего батарею трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению, в котором поток воздуха направляется через батарею по пути, который изначально проходит в целом поперечно продольным осям узлов топливного элемента;

[0032] Фиг. 9 является видом сверху частично в вертикальной проекции и частично в поперечном разрезе устройства топливных элементов по настоящему изобретению, инкорпорирующего батарею трубчатых ТОТЭ, содержащую трубы катодного воздуха в соответствии с изобретением для обеспечения потока воздуха через батарею по пути, который изначально проходит в целом параллельно продольным осям узлов топливного элемента;

[0033] Фиг. 10А и 10В (уровень техники)являются видами поперечных сечений батареи трубчатых ТОТЭ известного типа, соответственно, в их исходном (т.е. новом) состоянии при комнатной температуре (20°С) и при их нормальной рабочей температуре (600-850°С);

[0034] Фиг. 10С (уровень техники) является увеличенным видом одного из узлов топливного элемента батареи трубчатых ТОТЭ по фиг. 10В, показывающим частичное отсоединение поверхностей электрического контакта в результате несогласованности коэффициентов термического расширения металлического токоотвода и связанного с ним керамического узла топливного элемента;

[0035] Фиг. 11А (уровень техники) является видом поперечного сечения части батареи трубчатых ТОТЭ другого известного типа в ее исходном состоянии при комнатной температуре (20°С), и;

[0036] Фиг. 11В (уровень техники) является увеличенным видом одного из узлов топливного элемента батареи трубчатых ТОТЭ по фиг. 11А при его нормальной рабочей температуре 600-850°С, показывающим частичное отсоединение поверхностей электрического контакта, вызванное несогласованностью коэффициентов термического расширения металлического токоотвода и связанного с ним керамического узла топливного элемента.

Подробное описание изобретения

[0037] Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено конкретными описанными процедурами, материалами и модификациями и, как таковое, может быть изменено. Следует также понимать, что используемая терминология применяется только в целях описания конкретных вариантов реализации и не предназначена ограничить объем настоящего изобретения, который будет ограничен только приложенной формулой.

[0038] В описании и формуле изобретения следующие ниже термины и выражения должны пониматься как указано:

[0039] Существительные в единственном числе включают значение множественного числа.

[0040] Все описанные здесь способы могут выполняться в любом подходящем порядке, если не указано иное или иное явно противоречит контексту. Использование любых и всех примеров или типичных выражений, предоставленных здесь, таких как, "как например", предназначено только для того, чтобы лучше разъяснить изобретение и не наложить ограничений на область действия изобретения, если не указано иное. Не следует толковать язык описания, как указывающий на существенность какого-либо не заявленного элемента для реализации изобретения.

[0041] В настоящем описании термины "содержащий", "включающий", "содержащий в себе", «отличающийся тем» и грамматические эквиваленты этого являются инклюзивными или неограничивающими терминами, которые не исключают наличия дополнительных, не перечисленных элементов или этапов способа, но должны также пониматься, как включающие более ограничивающие термины "состоящий из" и "состоящий, по существу, из".

[0042] Выражение "общий токоотвод" следует здесь понимать как токоотвод, поверхности электрического контакта которого находятся в электрическом контакте с поверхностями электрического контакта электродных слоев по меньшей мере двух узлов топливного элемента.

[0043] За исключением рабочих примеров или прямо оговоренных случаев, все числа, выражающие количество материалов, условия реакции, отрезки времени, количественные свойства материалов и т.д., приведенные в описании и формуле изобретения, должны пониматься как модифицированные во всех случаях рядом с термином "приблизительно".

[0044] Термин "керамический" помимо его общепринятого значения следует понимать как включающий стекла, стеклокерамику и металлокерамику.

[0045] Следует понимать, что любые приведенные числовые диапазоны включают все поддиапазоны внутри этого диапазона и любые комбинации различных конечных точек таких диапазонов или поддиапазонов.

[0046] Далее, следует понимать, что любое соединение, материал или вещество, которое в явной или неявной форме раскрыто в описании и/или приведено в формуле изобретения, как принадлежащее к группе структурно, композиционно и/или функционально связанных соединений, материалов или веществ, включает индивидуальных представителей этой группы и любые их комбинации.

[0047] Все содержимое всех предыдущих патентов, находящихся на рассмотрении заявок и других предшествующих публикаций, упомянутых в описании, включено в описание посредством ссылки.

[0048] Как показано на чертежах, на которых одинаковые компоненты обозначены одними и теми же позициями, узел 100 трубчатого топливного элемента по фиг. 1А и 1В является одним из множества вариантов реализации трубчатого топливного элемента, который может быть использован в конструкции батареи трубчатых ТОТЭ в соответствии с настоящим изобретением. Узел 100 топливного элемента включает в себя, по существу, идентичные первую и вторую концевые секции 101 и 102, промежуточную секцию 103 и выпуклые поверхности 104, чередующиеся с вогнутыми поверхностями 105, проходящими по всей длине узла. Части концевых секций 101 и 102 узла 100 топливного элемента показаны открытыми, чтобы лучше проиллюстрировать компоновку внутреннего анодного слоя 106, внешнего катодного слоя 107 и промежуточного электролитного слоя 108. Канал 109 обеспечивает прохождение потока топлива по длине узла 100 топливного элемента и контакт с внутренним анодным слоем 106. Хотя поперечное сечение узла 100 топливного элемента является, по существу симметричным, следует понимать, что не обязательно должен быть этот случай, поскольку одна выпуклая кривая может быть длиннее другой, например, как показано в варианте реализации фиг. 7I.

[0049] Как показано на фиг. 1В, узел 100 топливного элемента имеет открытую поверхность 109 электрического контакта внутреннего анодного слоя 106, чтобы делать возможным электрический контакт этой поверхности с конформной поверхностью электрического контакта связанного токоотвода, как показано на фиг. 2С и 2D. Открытая поверхность 110 электрического контакта анодного слоя 106 может продолжаться лишь на части длины вогнутой кривой 105 узла 100 топливного элемента, например, на его первой концевой секции 101, его второй концевой секции 102, и/или на его промежуточной секции 103, или такая контактная поверхность может продолжаться по всей длине вогнутой поверхности 105, например, от начала первой концевой секции 101 до конца второй концевой секции 102.

[0050] Как показано в варианте реализации узла топливного элемента на фиг. 1С, узел 120 топливного элемента включает в себя идентичные первую и вторую концевые секции 121 и 122, имеющие практически такую же конфигурацию поперечного сечения, что и первая и вторая концевые секции 101 и 102 узла 100 топливного элемента по фиг. 1А, и промежуточную секцию 123, по существу, круглого сечения 124. Поэтому, в отличие от узла 100 топливного элемента, в котором геометрия поперечного сечения узла, по существу, одинакова на всей его длине, геометрия сечения узла 120 топливного элемента не является одинаковой, т.е. поперечные сечения его первой концевой секции 121 и идентичной второй концевой секции 122 (не показана) переходят в, по существу, круглое поперечное сечение 124 на длине его промежуточной секции 123.

[0051] Узлы 100 и 120 топливного элемента и их многочисленные варианты можно изготавливать из известных и традиционных композиций, образующих анодный слой, электролитный слой и катодный слой, например, как раскрыто в патентах США №№ 6228521; 64365675 и 7498095. При желании может быть обеспечен один или более дополнительный слой, например добавочный электропроводный слой, как в варианте реализации батареи трубчатых ТОТЭ, показанной на фиг. 5С, и/или добавочный сопряженный слой, расположенный между катодным слоем и электролитным слоем для уменьшения потерь на поляризацию, как описано в патенте США № 5993989. Узлы топливного элемента также могут относиться к типу с внутренним преобразованием, например, как описано в опубликованной заявке на патент США № 2009/0023050.

[0052] Узлы 100 и 120 трубчатого топливного элемента можно изготавливать, используя один или более из известных и обычных процессов формования трубчатых керамических структур, таких как экструзия, инжекционное формование, литье геля, литье по выплавляемым моделям, нанесением покрытия методом погружения и т.п. В случае узла 100 топливного элемента по фиг. 1А и других узлов топливного элемента постоянного поперечного сечения особенно перспективными являются новые процессы производства трубчатых керамических структур, описанные в принадлежащих одному и тому же правообладателю заявок на патенты США №№13/223349 и 13/223359, поданных 1 сентября 2011. К полезным процедурам производства узла 120 топливного элемента по фиг. 1D и других узлов топливного элемента с неравномерным поперечным сечением относится процесс формования литьем геля по патенту США №5824250, в котором применяется нестойкая литейная форма и процесс литья керамики под давлением по патенту США №6547210, в котором применяется расходуемая вставка.

[0053] Узлы 100 и 120 топливного элемента относятся к типу с внутренним поддерживаемым анодом (топливным электродом) и внешним катодом (воздушным электродом). Однако узлы трубчатого топливного элемента, содержащие внутренний катодный слой и внешней анодный слой, и конфигурации узла трубчатого топливного элемента с поддерживаемым катодом и с поддерживаемым электролитом также рассмотрены для построения батареи трубчатых ТОТЭ в соответствии с настоящим изобретением.

[0054] Как показано на фиг. 2А, одна пара 200 примыкающих узлов 100 топливного элемента по фиг. 1А включает в себя общие кольцевые токоотводы 201, расположенные у концевых секций 101 и 102 каждого узла топливного элемента в паре. Выпуклая поверхность 202 электрического контакта каждого токоотвода создает электрический контакт с открытой конформной вогнутой поверхностью 203 электрического контакта электродов у концевых секций 101 и 102 каждого узла топливного элемента.

[0055] Одна пара 210 примыкающих узлов 100 топливного элемента, показанная на фиг. 2В, аналогична паре 200 топливных элементов по фиг. 2А, за исключением того, что вместо последних кольцевых токоотводов 201, расположенных у концевых секций 101 и 102 узлов топливного элемента, пара 210 топливных элементов обладает одним общим токоотводом 211, проходящий по всей длине этой пары. Токоотвод 211 преимущественно перфорирован, например, имеет продольные щелевые отверстия 212 для лучшего контакта воздуха с внешними катодными слоями 107 обоих узлов топливного элемента.

[0056] Как будет более подробно описано ниже, для компонентов узла топливного элемента батареи трубчатых ТОТЭ можно изготовить разные компоновки электрических соединений.

[0057] Как показано на фиг. 2С и 2D, пара 200 трубчатых топливных элементов по фиг. 2А находится в последовательном электрическом соединении, при этом одна выпуклая поверхность 202 электрического контакта общего кольцевого токоотвода 201 контактирует с открытой конформной вогнутой поверхностью 203 электрического контакта внутреннего анодного слоя 106, а другая выпуклая поверхность 202 электрического контакта токоотвода 201 контактирует с открытой конформной вогнутой поверхностью 203 электрического контакта внешнего катодного слоя 107.

[0058] На фиг. 2D дополнительно показана последовательно соединенная пара 200 топливных элементов по фиг. 2А, инкорпорированная в батарею 220 трубчатых ТОТЭ. Держатели 221 и 222, расположенные у концевых секций 201 и 202 соответственно каждого узла 100 топливного элемента в паре, выполнены с возможностью удержания этих концевых секций и их общих кольцевых токоотводов 201 в точной посадке, т.е. во вставленном по скользящей посадке соединении между ними. На фиг. 2Е и 2F более подробно показана внутренняя конфигурация держателя 221 батареи 220 трубчатых ТОТЭ по фиг. 2D. Держатель 221 включает в себя проходные отверстия 223 для удержания первой концевой секции 101 каждого узла 100 топливного элемента и примыкающие углубления 224 для удержания их общих токоотводов 201 за счет вышеописанной точной посадки. Щелевое отверстие 225, расположенное примыкающим к неиспользуемому совместно токоотводу и находящееся в электрическом соединении с ним, обеспечено для токопроводящих проводов (не показаны), ведущих к внешней нагрузке.

[0059] Компонент (компоненты) держателя батареи трубчатых ТОТЭ выполняет несколько существенных функций. Поддерживая одну или более секций узлов топливного элемента и по меньшей мере часть их общих токоотводов, находящихся в электрическом контакте с ними в соединении с точной посадкой, компонент (компоненты) держателя делают неподвижными узлы топливного элемента и их общие токоотводы внутри батареи и фиксируют их пространственные положения относительно друг друга. Кроме того, поскольку компонент (компоненты) токоотвода обладают коэффициентом термического расширения (КТР), который больше, чем таковой связанный с ними, т.е. примыкающие узлы топливного элемента и компонент (компоненты) держателя обладают КТР, который меньше или равен таковому узлов топливного элемента, при этом во время работы устройства топливных элементов, инкорпорирующего батарею трубчатых ТОТЭ, термическое расширение токоотвода (токоотводов), ограниченное как таковое компонентом (компонентами) держателя, приводит к возникновению сжимающего усилия, воздействующего на поверхности электрического контакта связанных компонентов электродов узлов топливного элемента, тем самым противодействуя стремлению токоотводов к отсоединению или отходу от поверхностей электрического контакта электродов. Именно это сжимающее усилие поддерживает, по существу, полный электрический контакт токоотводов с их связанными элементами электродов даже после множества циклов включения/выключения топливного элемента.

[0060] По существу, КТР токоотвода(токоотводов) может находиться в пределах 1,6-2% при 800°С, КТР держателя(держателей) -0,6-0,72% при 800°С, и КТР узлов топливного элемента - 1-1,22% при 800°С.

[0061] Компонент (компоненты) трубчатого ТОТЭ по настоящему изобретению можно изготавливать из любого, по существу, неэлектропроводного материала, например из любого из многочисленных известных и обычных видов электрически нейтральной керамики, таких как корунд, циркониевый электрокорунд, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия тетрагональный поликристалл оксида циркония и т.п., при условии, конечно, что КТР компонента (компонентов) держателя не превышает таковой связанных компонента (компонентов) токоотвода. Компонент (компоненты) держателя можно формовать любым известным и обычным процессом, таким как формование, комбинированное формование и машинная обработка неспеченного материала с последующим обжигом, ламинирование секций неспеченной керамической ленты, обладающей высеченными штампом или прорезанными лазером контурами с последующим обжигом и т.п.

[0062] Фиг. 2G, 2Н и 2I иллюстрируют другой вариант реализации батареи трубчатых ТОТЭ согласно настоящему изобретению, в котором узлы топливного элемента находятся в параллельном электрическом соединении. На фиг. 2G пара 230 топливных элементов с электрическим соединением анода с катодом посредством общего токоотвода 201 на первом конце 231, как показано на фиг. 2I и, как показано на фиг. 2Н, катода с катодом посредством общего токоотвода 201 на втором конце 232, как также показано на фиг. 2I.

[0063] Как далее показано на фиг. 2I, держатели 241 и 242, расположенные у концевых секций 243 и 244, соответственно, батареи 240 трубчатых ТОТЭ, выполнены с возможностью удержания этих концевых секций и их общих токоотводов в соединении с точной посадкой, вновь, как в случае батареи 230 трубчатых ТОТЭ по фиг. 2D для предотвращения или затруднения любых существенных относительных перемещений поверхностей электрического контакта друг от друга, которые в противном случае привели бы к омическим потерям, снижающим мощность.

[0064] Батарея 300 трубчатых ТОТЭ, показанная на фиг. 3А и 3С иллюстрирует электрическое соединение узлов 100 топливного элемента и общих токоотводов 201 в чередующейся однополюсной последовательности. Как показано на фиг. 3В, держатель 301 (и держатель 302, являющийся его зеркальным отображением) включает в себя проходные отверстия 303 для удержания первой концевой секции 101 каждого узла 100 топливного элемента и примыкающие углубления 304 для удержания общих токоотводов 201 в соединении друг с другом с точной посадкой друг с другом. Щелевое отверстие 305, примыкающее к не используемому совместно токоотводу 307, расположенному в углублении 306 держателя 302, находится в электрическом соединении с проводом 308 (фиг. 3С), а последний соединен с внешней нагрузкой (не показана).

[0065] Фиг. 4А, 4В и 4С иллюстрируют варианты реализации батарей трубчатых ТОТЭ, имеющих единственный держатель, расположенный на одном конце каждого узла топливного элемента (батарея 400 на фиг. 4А), при этом единственный держатель расположен на промежуточной секции каждого узла топливного элемента (батарея 410 на фиг. 4В), и три держателя - по одному на каждой концевой секции и один на промежуточной секции каждого узла топливного элемента (батарея 240 на фиг. 4С).

[0066] На фиг. 5А и 5С показана конфигурация батареи 500 трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению, в которой выпуклая поверхность 104 одного узла 100 топливного элемента ориентирована к вогнутой поверхности 105 примыкающего узла 100 топливного элемента, а общий токоотвод 501 расположен между ними. Как показано на фиг. 5В, токоотвод 501 определен изогнутым в поперечном сечении параллелограммом. На фиг. 5С далее показан добавочный электропроводный слой 502, расположенный между внешним катодным слоем 107 и токоотводом 201.

[0067] Фиг. 6А, 6В и 6С иллюстрируют другой вариант батареи 600 трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению, в котором трубки 601 подачи катодного воздуха расположены внутри кольцевого пространства токоотводов 201. Хотя трубки 601 подачи катодного воздуха не обязательно должны заходит за токоотводы 201 и держатель 221 для их правильного функционирования в батарее 600 трубчатых ТОТЭ, по существу предпочтительно, чтобы они проходили по меньшей мере на половину длины примыкающих топливных элементов 100 и, более предпочтительно, на две трети или около того этой длины, и в этой точке из них будет выходить относительно холодный воздух. В одном варианте реализации батареи 600 трубчатых ТОТЭ вместо трубок 600 подачи катодного воздуха, расположенных на конце батареи, показанной на фиг. 6А-6С, применяются трубки, расположенные на другом конце батареи.

[0068] Трубки 601 подачи катодного воздуха при первом включении батареи 600 трубчатых ТОТЭ подают воздух, забираемый снаружи и имеющий температуру окружающей среды, обеспечивая батарею кислородом, необходимым для ее работы. Этот воздух работает как хладагент для поддержания рабочей температуры батареи в требуемом диапазоне. Поэтому проток воздуха по трубкам 601 подачи катодного воздуха позволяет регулировать температуру на выхлопной стороне устройства топливных элементов, инкорпорирующего батарею 600 трубчатых ТОТЭ, например, как в устройстве 900 топливных элементов по фиг. 9. Такой поток воздуха из окружающей среды также полезен для охлаждения токоотводов 201, тем самым предотвращая или снижая риск их повреждения. Еще одним преимуществом потока воздуха через трубки 601 подачи катодного воздуха является то, что это позволяет плотнее скомпоновать узлы 100 топливного элемента в батарее 600 трубчатых ТОТЭ, что было бы практично или желательно. Увеличение плотности упаковки узлов топливного элемента уменьшает объем батареи, что имеет результатом уменьшение термической инерционности и увеличении термической эффективности устройства топливных элементов, инкорпорирующего батарею.

[0069] Фиг. 7А-7I иллюстрируют в поперечном сечении различные конфигурации узлов топливного элемента и общих токоотводов в соответствии с настоящим изобретением.

[0070] Количество узлов топливного элемента в батарее трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению может варьироваться от минимум двух до любого требуемого числа, с учетом стоимости, удобства в изготовлении и/или других практических соображений, при этом такие узлы топливного элемента могут быть расположены любым требуемым способом или в любой конфигурации, например, парами, тройками, четверками и т.д., в один ряд, в множество рядов и т.д. Аналогично, формы узлов топливного элемента, токоотводов и держателя и их размеры могут варьироваться в широких пределах при условии, конечно, что требования к функциональности выполняются.

[0071] На фиг. 8А и 8В устройство 800 топливных элементов, инкорпорирующее батарею 890 трубчатых ТОТЭ согласно этому изобретению, показано без полного кожуха, чтобы лучше показать его внутреннюю организацию. Устройство 800 топливных элементов включает в себя первую нагнетательную систему 810, которая обеспечивает поток анодного воздуха, который смешивается с газообразным топливом, например с газообразным углеводородом (углеводородами), испаренным жидким углеводородом (углеводородами) или спиртом (спиртами), подаваемыми через топливный порт 895, при этом полученная топливно-воздушная смесь вводится в топливно-воздушный коллектор 820 и из него в сквозное отверстие 109 каждого из узлов 100 топливного элемента батареи 890 трубчатых ТОТЭ, где она контактирует с внутренним анодным слоем 106. Вторая нагнетательная система 830 обеспечивает поток катодного воздуха в коллекторе 840 катодного воздуха, откуда он выходит через выпускные отверстия 850, чтобы обеспечить источник кислорода для внешнего катодного слоя 107 каждого узла 100 трубчатого ТОТЭ батареи. Воздух, входящий в коллектор 840 катодного воздуха, получает тепло от горячих газообразных продуктов сгорания, выходящих из задней горелки 860 в теплообменник 870. Штриховыми линиями показан путь нагретого воздуха, выходящего из выпускных отверстий 850 коллектора 840 катодного воздуха, направление которого в целом поперечно продольным осям узлов топливного элемента батареи 890 трубчатых ТОТЭ, проходит через батарею и попадает в заднюю горелку 860, в которой он обеспечивает кислород для поддержания горения неизрасходованного топлива, присутствующего в выхлопных газах, выходящих из узлов топливного элемента в выхлопной коллектор 880, и из него в заднюю горелку. Наконец, горячие газообразные продукты горения поступают в теплообменник 870, где они предварительно нагревают входящий катодный воздух, обеспечиваемый второй нагнетательной системой 830, как указано выше. Нагнетательные системы 810 и 830 имеют одинаковую конструкцию, и их функционирование подробно описано в одновременно рассматриваемой, принадлежащей одному и тому же правообладателю заявке на патент США № 13/168280, поданной 24 июня 2011. Компоненты 891 и 892 держателя батареи 890 трубчатых ТОТЭ, показанные пунктирным контуром, расположены внутри, соответственно, выпускного коллектора 880 и воздушно-топливного коллектора 820, где они работают как описано выше.

[0072] На фиг. 9 устройство 900 топливных элементов инкорпорирует батарею 950 трубчатых ТОТЭ, содержащую трубки катодного воздуха, показанные пунктирными линями, во многом как на фиг. 6А-6С, для обеспечения потока катодного воздуха сначала по пути, который в целом параллелен продольным осям узлов 100 топливного элемента. Устройство 900 топливных элементов далее включает в себя первую нагнетательную систему 910, которая обеспечивает поток анодного воздуха, затем смешивающегося с топливом, например, содержащим газообразный углеводород (углеводороды), испаренный жидкий углеводород (углеводороды) или спирт (спирты), которые подаются через топливное отверстие 895, и полученная топливно-воздушная смесь затем поступает в топливно-воздушный коллектор 920, а затем сквозь отверстие 109 каждого узла 100 топливного элемента батареи 990 трубчатых ТОТЭ, где она контактирует с анодным слоем 106. Вторая нагнетательная система 930 обеспечивает поток катодного воздуха в коллекторе 940 катодного воздуха, из которого он попадает в каждую из трубок 951 катодного воздуха, показанных пунктирным контуром, батареи 950 трубчатых ТОТЭ. Когда катодный воздух движется по длине батареи, как показано стрелками, он забирает тепло от реакции топлива с воздухом, происходящей внутри узлов 100 топливного элемента. Нагретый воздух в ходе своего дальнейшего движения направляется в выпускной коллектор 980, где оставшийся в нем кислород поддерживает сжигание несгоревшего топлива, выходящего из узлов 100 топливного элемента. Наконец, горячие газообразные продукты сгорания выводятся из устройства 900 топливных элементов через выхлопной патрубок 990. Компоненты 991 и 992 держателя батареи 950 трубчатых ТОТЭ, показанные пунктирным контуром, расположены на противоположных концах батареи, где они работают, как описано выше.

[0073] В отличие от батареи трубчатых ТОТЭ по настоящему изобретению, известные батареи трубчатых ТОТЭ не имеют компонента, который работает в порядке, который является тем же или подобным упомянутым здесь держателям (держателю). Для иллюстрации этой разницы и ее влияния на работу устройства топливного элемента фиг. 10А, 10В и 10С иллюстрируют батарею трубчатых ТОТЭ, представляющую устройства, описанные в опубликованной заявке на патент США № 2008/0063916, а фиг. 11А и 11В иллюстрирует батарею трубчатых ТОТЭ, представляющую устройства, описанные в патенте США № 6379831.

[0074] На фиг. 10А и 10В батарея 10 трубчатых ТОТЭ, показанная в поперечном сечении, включает в себя один металлический токоотвод 11, общий для каждого керамического узла 12 в батарее. В оригинальном, т.е. новом состоянии и при комнатной температуре которая здесь принимается равной 20°С, имеется полный непрерываемый контакт между поверхностями электрического контакта токоотвода 11 и конформными поверхностями электрического контакта каждого узла 12 топливного элемента. Однако, как показано на фиг. 10В и 10С, при нормальной рабочей температуре батареи 10 трубчатых ТОТЭ, равной 600-850°С, разница или несогласованность в коэффициентах термического расширения токоотвода 11 и узлов 12 топливного элемента вызывает частичное отсоединение поверхностей электрического контакта этих компонентов друг от друга, и такое отсоединение более подробно показано как зазор 14 на увеличенном фрагменте 13 фиг. 10С.

[0075] На фиг. 10С стрелками показано общее направление термического расширения токоотвода 11 и узла 12 топливного элемента. Пока токоотвод 11 оказывает сжимающее усилие на сторону 15 узла 12 топливного элемента, токоотвод неограничен в своем расширении относительно существенно меньшего расширения узла 12 топливного элемента, он стремится отойти от узла 12 топливного элемента на противоположной его стороне 16, что приводит к возникновению зазора 14. Это частичное разделение или зазор 14 между поверхностями электрического контакта токоотвода 11 и узла 12 топливного элемента приводит к омическим потерям и к сопутствующим потерям мощности, которые имеют тенденцию к ухудшению по мере того, как устройство топливного элемента, инкорпорирующее батарею 10 трубчатых ТОТЭ, подвергается все увеличивающемуся количеству циклов включения/выключения. Поскольку компонент 11 токоотвода не имеет какой-либо существенной упругости, с увеличением количества циклов включения/выключения токоотвод 11 все меньше и меньше возвращается к своей первоначальной геометрии, что неизбежно приводит ко все большему зазору между поверхностями электрического контакта и, соответственно, ко все большим омическим/мощностным потерям. Хотя этот результат можно изменить или компенсировать путем обеспечения увеличенного узла топливного элемента с начальной выходной мощностью, превышающей его номинальную мощность, такое решение проблемы, вызванной термическим рассогласованием токоотвода и компонентов узла топливного элемента, является экономически нежелательным.

[0076] Батарея 20 трубчатых ТОТЭ, показанная в поперечном сечении на фиг. 11А и на увеличенном фрагменте 23 на фиг. 11В, является еще одним известным типом батареи трубчатых твердооксидных топливных элементов, в которой неограниченное термическое расширение ее металлического ячеистого токоотвода 21 относительно его соответствующего керамического компонента 22 топливного элемента при комнатной температуре (как показано стрелками на фиг. 11В) приводит к возникновению зазоров 24 между поверхностями их электрического контакта с соответствующими омическими потерями и потерями мощности.

[0077] Согласно настоящему изобретению наличие по меньшей мере одного компонента держателя, выполненного с возможностью удержания токоотвода(ов) и его связанных узлов топливного элемента в соединении с точной посадкой между ними ограничивает расширение токоотвода(ов) и посредством перенаправления расширяющих сил на поверхности электрического контакта соответствующего узла топливного элемента, приводит к приложению сжимающего усилия ко всей площади поверхностей электрического контакта, тем самым препятствуя образованию зазора, которому подвержены известные батареи трубчатых ТОТЭ, например, описанные выше.

[0078] Хотя настоящее изобретение было подробно описано в целях иллюстрации, следует понимать, что такие детали приведены только для этой цели, и специалисты могут внести соответствующие изменения, не выходя за пределы изобретательской идеи и объема изобретения, который определен формулой.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к батареи трубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которая включает в себя по меньшей мере два узла трубчатых твердооксидных топливных элементов, по меньшей мере один общий токоотвод и держатель для удержания секции узлов топливного элемента и общего токоотвода в соединении с ними с точной посадкой, при этом коэффициент термического расширения держателя меньше или равен коэффициенту термического расширения узлов топливных элементов. Снижение омических потерь при работе трубчатых ТОТЭ, возникающих в результате отсоединения поверхностей электрических контактов, а также повышение надежности и срока службы монолитных ТОТЭ является техническим результатом изобретения. 14 з.п. ф-лы, 42 ил.

1. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов, содержащая:
а) по меньшей мере два аксиально удлиненных узла трубчатого твердооксидного топливного элемента с общим по меньшей мере одним внешним токоотводом, при этом каждый узел топливного элемента содержит:
i) первую и вторую концевые секции и промежуточную секцию между ними и
ii) внутренний электродный слой, внешний электродный слой и электролитный слой между ними;
b) по меньшей мере один внешний общий токоотвод, находящийся в электрическом контакте с электродным слоем по меньшей мере двух узлов топливного элемента, при этом токоотвод обладает коэффициентом термического расширения большим, чем таковой узлов топливного элемента, при этом токоотвод и каждый электродный слой, находящийся с ним в электрическом контакте, обладают по существу конформными поверхностями электрического контакта; и
с) по меньшей мере один держатель, выполненный с возможностью удержания по меньшей мере одной секции из по меньшей мере двух узлов топливного элемента и по меньшей мере части общего токоотвода в соединении с ними с точной посадкой, при этом коэффициент термического расширения держателя меньше или равен таковому токоотвода, при этом часть токоотвода, удерживаемая в держателе, когда термически расширена, приводит поверхность электрода каждого узла топливного элемента в электрический контакт с ней под напряжением сжатия.

2. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 1, в которой внутренний электродный слой является анодом, а внешний электродный слой является катодом.

3. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 1, дополнительно содержащая электропроводный слой (v), находящийся в электрическом контакте с внешним электродным слоем.

4. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 1, в которой токоотвод является общим только у примыкающих узлов топливного элемента, у примыкающих и не примыкающих узлов топливного элемента или у всех узлов топливного элемента.

5. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 1, в которой токоотвод обладает по меньшей мере двумя поверхностями электрического контакта, при этом соответствующая конформная поверхность электродного слоя каждого узла топливного элемента, находящаяся в электрическом контакте с ними, является ровной или изогнутой.

6. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 5, в которой токоотвод обладает по меньшей мере двумя выпуклыми поверхностями электрического контакта, при этом соответствующая конформная поверхность электродного слоя каждого узла топливного элемента, находящаяся в электрическом контакте с ними, является вогнутой, выпуклой, или одна такая поверхность является выпуклой и находится в электрическом контакте с вогнутой поверхностью электрического контакта электродного слоя в одном из узлов топливного элемента, а другая такая поверхность является вогнутой и находится в электрическом контакте с выпуклой поверхностью электрического контакта электродного слоя в примыкающем узле топливного элемента.

7. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 1, содержащая два внешних общих токоотвода, при этом поверхности электрического контакта одного из токоотводов находятся в электрическом контакте с поверхностью электрода на первой концевой секции каждого узла топливного элемента, а поверхности электрического контакта другого токоотвода находятся в электрическом контакте с поверхностью электрода на второй концевой секции каждого узла топливного элемента, при этом имеются два держателя, один держатель для удержания первой концевой секции каждого узла топливного элемента и их общего токоотвода, а другой держатель - для удержания второй концевой секции каждого узла топливного элемента и их общего токоотвода.

8. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 1, в которой держатель содержит проходное отверстие для удержания секции каждого узла топливного элемента и примыкающее углубление или проходное отверстие для удержания по меньшей мере части каждого общего токоотвода.

9. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 7, в которой каждый держатель содержит проходное отверстие для удержания секции каждого трубчатого твердооксидного топливного элемента и примыкающее углубление или проходное отверстие для удержания по меньшей мере части каждого общего токоотвода.

10. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 4, в которой поперечное сечение общего токоотвода у секции, которая находится в электрическом контакте с электродами примыкающих узлов топливных элементов, определено кругом, эллипсом, последовательностью чередующихся выпуклых и вогнутых кривых или изогнутым параллелограммом.

11. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 4, в которой поперечное сечение узла топливного элемента у поверхности, которая отлична от поверхности, находящейся в электрическом контакте с общим токоотводом, определено кругом, эллипсом или последовательностью чередующихся вогнутых и выпуклых кривых.

12. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 11, в которой поперечное сечение примыкающих узлов топливного элемента определено последовательностью двух выпуклых кривых, чередующихся с двумя вогнутыми кривыми, при этом выпуклая кривая поперечного сечения одного узла топливного элемента ориентирована по направлению к, по существу, конформной вогнутой кривой поперечного сечения примыкающего узла топливного элемента, при этом общий токоотвод имеет поперечное сечение, определенное изогнутым параллелограммом.

13. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 1, в которой стыки различных поверхностей скруглены для рассеяния или уменьшения в них термически индуцированных механических напряжений.

14. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 1, в которой общий токоотвод является трубой со щелевыми отверстиями, позволяющими газу циркулировать сквозь них и контактировать с внешним электродным слоем.

15. Батарея трубчатых твердооксидных топливных элементов по п. 1, в которой общий токоотвод обладает сквозным проходным отверстием и трубой подачи катодного воздуха, расположенной в проходном отверстии.