ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2017 года по МПК H01M8/02 

Настоящее изобретение относится к твердооксидному топливному элементу.

Предпосылки создания настоящего изобретения

Топливный элемент представляет собой устройство, которое генерирует электричество посредством химической реакции. Среди различных топливных элементов, твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) используют твердое, керамическое соединение на основе оксида металла (например, кальция или циркония) в качестве электролита. Как правило, в твердооксидных топливных элементах окисляющее средство, такое как О₂, восстанавливается до ионов кислорода (О²-) на катоде, а горючий газ, такой как газ Н2, окисляется с ионами кислорода с образованием воды на аноде.

ТОТЭ топливный элемент содержит набор блоков топливного элемента. Блок ТОТЭ топливного элемента состоит из двух главных компонентов, блока катод-анод-электролит, также называемого как блок КАЭ, и межблочного соединения, имеющего вид кассеты в некоторых случаях. Межблочное соединение служит для соединения электрически блока КАЭ одного блока топливного элемента с блоком КАЭ другого блока топливного элемента, так что можно объединять электрическую энергию, которую генерирует каждый блок КАЭ. Такие межблочные соединения в планарных высокотемпературных топливных элементах (ТОТЭ) выполняют функцию электрического соединения блоков КАЭ, а также перемещения горючего газа и окисляющего средства к соответствующим электродам блоков КАЭ.

Поскольку межблочное соединение открыто как для окислительной стороны, так и восстанавливающей стороны блока КАЭ при очень высоких температурах приблизительно 500°С-1100°С, межблочные соединения представляют собой одну из важнейших проблем твердооксидных топливных элементов. По этой причине в прошлом при длительной эксплуатации керамика была более предпочтительной по сравнению с металлами в качестве материала для межблочных соединений. Тем не менее эти керамические материалы для межблочных соединений весьма дорогостоящие по сравнению с металлами. Хотя металлические межблочные соединения можно относительно легко изготавливать и обрабатывать, при работе они главным образом страдают от высоких скоростей деградации энергии отчасти в результате образования оксидов металла, таких как Cr₂O₃, на контактной поверхности анода/катода межблочного соединения. Сплавы на основе никеля и стали становятся более перспективными по мере развития ТОТЭ с более низкими температурами (600-800°С).

В документе US 7632586 В2 описано межблочное соединение для горючего газа и окисляющего средства. Планарные блоки КАЭ расположены один над другим с соединительными слоями, образованными в виде планарных металлических пластин, расположенных между соседними блоками КАЭ. Соответствующие проходы для топлива и окислителя выполнены в слоях анода и катода.

Из-за очень высоких рабочих температур набора ТОТЭ топливных элементов следует принимать во внимание эффекты теплового расширения и термомеханические свойства блока КАЭ и конструкции межблочного соединения для подачи реагирующего вещества в блок КАЭ и отведения реагирующего вещества из него. В частности, газораспределительные конструкции могут испытывать некоторую деформацию, которая влияет на распределение потоков в топливном элементе. Кроме того, электроды и контактные поверхности после достижения избыточных температур стремятся к деградации. Более того, при работе твердооксидного топливного элемента выделяются загрязняющие вещества.

Следовательно, существует потребность в разработке улучшенных межблочных соединений для твердооксидных топливных элементов, решающих одну или несколько из вышеуказанных проблем, так чтобы получить более надежные и эффективные твердооксидные топливные элементы.

Проблема, связанная с наборами топливных элементов, заключается в загрязнении воздушного электрода загрязняющими веществами, переносимыми в окисляющем средстве. Известно, что для твердооксидных топливных элементов и электролизеров, эти загрязняющие вещества попадают главным образом из уплотнений, в частности тех, которые используются в наборе, и из других компонентов, таких как теплообменники, трубки, клапаны, уплотнительные материалы и др., расположенные выше по потоку от топливного элемента (Cr, Si, S, В, щелочные металлы и др.), которые переносятся в топливный элемент посредством воздушного потока. Более того, некоторые загрязняющие вещества могут попадать непосредственно из окружающей атмосферы (например, Si, S, щелочные металлы).

Сущность настоящего изобретения

Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы избежать загрязнения кислородного электрода загрязняющими веществами, переносимыми окисляющим средством, таким как воздух.

Решение согласно настоящему изобретению является предметом пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы 2-23 относятся к дополнительным предпочтительным конфигурациям или вариантам осуществления настоящего изобретения.

Проблема, в частности, решается при помощи твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки, содержащего:

a) несколько блоков катод-анод-электролит, при этом каждый блок КАЭ содержит:

- первый электрод для окисляющего средства,

- второй электрод для горючего газа,

- и твердый электролит между первым электродом и вторым электродом, и

b) межблочное соединение между блоками КАЭ, при этом межблочное соединение включает:

- сторону впуска окислителя и сторону выпуска окислителя, определяющие направление потока окислителя потока окисляющего средства,

- первый газораспределительный элемент, содержащий газораспределительную конструкцию для горючего газа, при этом первый газораспределительный элемент находится в контакте со вторым электродом блока КАЭ, и

- второй газораспределительный элемент, содержащий каналы для окисляющего средства, при этом каналы соединяют сторону впуска окислителя со стороной выпуска окислителя, при этом каналы для окисляющего средства находятся в контакте с первым электродом соседнего блока КАЭ, и

- по меньшей мере один обходной канал для потока окислителя, проходящий в направлении потока окислителя и расположенный так, чтобы обходной канал не находился в контакте с первым электродом.

Реагирующая текучая среда, содержащая кислород, в частности воздух, используется в топливном элементе с одной стороны для электрохимической реакции и с другой стороны для целей охлаждения и нагревания. Следовательно, часть реагирующей текучей среды необязательно должна проходить через электрод, принимающий кислород.

Разделительный элемент газового потока для топливного элемента или электролизное устройство содержит второй газораспределительный элемент, который имеет конфигурацию для потока текучей среды и блока катод-анод-электролит. Блок катод-анод-электролит состоит из первого электрода, второго электрода и электролита, расположенного между первым электродом и вторым электродом. Второй газораспределительный элемент находится в контакте с первым электродом, тем самым проход для реагирующей текучей среды образуется посредством конфигурации для потока текучей среды для контакта реагирующей текучей среды с первым электродом. Второй газораспределительный элемент содержит разделительный элемент для образования газораспределительной конструкции для разделения реагирующей текучей среды на первую часть реагирующей текучей среды, контактирующую с первым электродом, и вторую часть реагирующей текучей среды, не контактирующую с первым электродом. Когда в данной заявке для совмещения двух альтернатив используется выражение "или", следует понимать как наличие комбинации двух альтернатив, так и наличие только одной из альтернатив. Если топливный элемент конкретно не указывается, то признаки могут использоваться применительно как к топливным элементам, так и к электролизным устройствам.

Когда разделительный элемент газового потока функционирует в топливном элементе, первый электрод является катодом, а второй электрод является анодом, и поток реагирующей текучей среды направляется в катод. Когда разделительный элемент газового потока функционирует как [z₁] электролизное устройство, первый электрод является анодом, а второй электрод является катодом. Для топливных элементов или электролизных устройств может использоваться несколько реагирующих текучих сред, по меньшей мере первая реагирующая текучая среда и вторая реагирующая текучая среда. Первая реагирующая текучая среда является текучей средой, которая может реагировать с О₂ в экзотермической реакции в режиме функционирования топливного элемента или может диссоциировать в эндотермической реакции при образовании О₂ в режиме электролиза. Как правило, это может быть любая смесь Н₂, N₂, Н₂О, СО, СО₂, аммиака, CH₄ и любых других гидрокарбонатных газов. Смесь газа может варьировать в зависимости от функционирования в качестве топливного элемента или электролизного устройства и от типа топливного элемента. Вторая реагирующая текучая среда является О₂-содержащим газом, предпочтительно воздухом. В случае электролизного устройства, следует отметить, что необязательно требуется внешняя подача этого О₂-содержащего газа.

Такой разделительный элемент газового потока наиболее предпочтительно применяется для ТОТЭ. Важное различие между другими топливными элементами и ТОТЭ заключается в рабочей температуре, которая обычно находится в диапазоне 500-950°С, предпочтительно 650-850°С. При такой температуре воздушный электрод весьма чувствительный к летучим соединениям, которые находятся в воздухе. Типичными летучими загрязняющими веществами являются CrO₃ или CrO₂(OH)₂, которые образуются на поверхности металлических частей в присутствии кислорода и, кроме того, Н₂О (газообразного) за секунду. Эти летучие соединения, образованные в таких компонентах как трубки или теплообменники, которые располагаются выше по потоку от набора, переносятся воздушным потоком и приходят в контакт с воздушным электродом. В контакте с ним эти летучие соединения могут вступать в химическую реакцию с составляющими его соединениями, такими как оксиды стронция или осаждаться электрохимически в электроде в электрохимически активных местах. Результатом является приведение электрода в нерабочее состояние, что приводит к ухудшению рабочих характеристик с течением времени.

Другие виды загрязняющих веществ можно обнаружить в подаваемом воздухе, получаемые в результате загрязнения окружающей среды или пыли. Типичными загрязняющими веществами для электрода являются летучие соединения содержащие серу, кремний и щелочные металлы. Любое из этих летучих соединений может вызвать деградацию того же электрода, в частности Si(OH)₄, который, как известно, может образовываться при контакте с Si-содержащими уплотнительными материалами. Такие уплотнительные материалы также могут создавать содержащие щелочные металлы летучие соединения, которые, как предполагается, также изменяют воздушный электрод.

Эти уплотнительные материалы используются в самих ТОТЭ, и составляют внутренний источник загрязняющих веществ. Таким образом, существует необходимость в ограничении, насколько это возможно, контакта таких соединений с воздушным электродом. По этой причине в ТОТЭ предпочтительно используется разделительный элемент газового потока, который является объектом согласно пункту 1 формулы изобретения.

Одно важное отличие от других топливных элементов заключается в том, что реактивность с загрязняющими веществами в воздухе значительно активизируется при высокой рабочей температуре.

Более того, в ТОТЭ, в отличии от других топливных элементов, воздух зачастую используется с большим избытком, что связано с необходимым реагирующим кислородом, и он нужен для целей охлаждения. В топливных элементах других типов, таких как ПОМТЭ, в качестве охлаждающей среды зачастую используется вода.

Таким образом, посредством разделения воздушного потока на вступающий в реакцию воздух и воздух для охлаждения достигается цель настоящего изобретения по ограничению загрязнения воздушного электрода. Таким образом, массовый перенос загрязняющих веществ из воздушного потока в воздушный электрод уменьшается. Часть воздушного потока проходит через набор без соприкосновения с электродом. Таким образом, скорость загрязнения электрода снижается и срок службы системы увеличивается.

Согласно одному варианту осуществления разделительный элемент представляет собой разделительный элемент в виде стенки, так что газораспределительная конструкция сконфигурирована как обходной проход для текучей среды или отделительный элемент, так что газораспределительная конструкция сконфигурирована как отделительный проход для текучей среды. Разделительный элемент может быть сконфигурирован как один из отделительного элемента с присоединенными газораспределительными конструкциями для распределения охлаждающей текучей среды или базового слоя со встроенными или присоединенными газораспределительными конструкциями для распределения охлаждающей текучей среды. Разделительный элемент может быть по меньшей мере одним из, по меньшей мере, из сплошного листового элемента, состоящего из кусков, или листового элемента, содержащего отверстия для частичного смешивания потоков.

Согласно одному варианту осуществления уплотнительный элемент предоставлен для уплотнения конфигурации для потока текучей среды второго газораспределительного элемента от окружающей среды. Газораспределительная конструкция предпочтительно образует разделительный проход для текучей среды, расположенный в уплотнительном элементе или рядом с уплотнительным элементом, или между уплотнительным элементом и разделительным элементом для второй части реагирующей текучей среды. В частности, уплотнительный элемент является боковым уплотнительным элементом, расположенным на крае второго газораспределительного элемента.

Согласно одному варианту осуществления базовый слой выполнен на стороне второго газораспределительного элемента, который находится напротив блока катод-анод-электролит. Базовый слой может содержать газораспределительную конструкцию, образующую проход для охлаждающей текучей среды.

Согласно альтернативному варианту осуществления разделительный элемент образуется в виде гофрированного листа. Гофрированный лист может иметь одно из следующего: волнообразную форму, зигзагообразный профиль или трапециевидный профиль. Гофрированный лист предпочтительно выполнен из металлического материала. В частности, гофрированный лист обеспечивает поддержку уплотнительного элемента. Таким образом может быть предоставлен дополнительный обходной проход для текучей среды. В этом случае разделительный элемент может иметь газораспределительную конструкцию, которая имеет первую поверхность, обращенную к блоку катод-анод-электролит, с тем, чтобы образовать проход для реагирующей текучей среды и вторую поверхность, обращенную к базовому слою, для образования отделительного прохода для текучей среды.

Топливный элемент или электролизное устройство содержит разделительный элемент газового потока согласно любому из предыдущих вариантов осуществления и может дополнительно содержать газораспределительный элемент, содержащий первый слой и второй слой, при этом указанные первый и второй слои имеют газораспределительную конструкцию, образующую конфигурацию для потока текучей среды, и второй слой является гомогенизирующим элементом, который имеет первые прорези или вторые прорези, при этом, по меньшей мере, некоторые из первых прорезей имеют длину и ширину, где длина больше, чем ширина, и длина проходит в поперечном направлении основному направлению потока текучей среды. Предпочтительно базовый слой разделяет газораспределительный элемент от второго газораспределительного элемента. Различные предпочтительные варианты осуществления газораспределительного элемента являются предметом последующего описания.

Топливный элемент или электролизное устройство содержит разделительный элемент газового потока согласно любому из предыдущих вариантов осуществления.

Способ работы разделительного элемента газового потока для топливного элемента или электролизного устройства включает этапы предоставления средств для протекания первой реагирующей текучей среды вдоль первой стороны блока катод-анод-электролит. Вторая реагирующая текучая среда течет вдоль второй стороны блока катод-анод-электролит. Первая или вторая реагирующие текучие среды предоставляют реагирующие вещества, заряженные ионы и электроны в блок катод-анод-электролит на каждой его стороне, так что заряженные ионы могут проходить через электролит для осуществления электрохимической реакции, тем самым только одна из первой или второй реагирующих текучих сред протекает через второй газораспределительный элемент, который имеет конфигурацию для потока текучей среды. Проход для реагирующей текучей среды образуется посредством конфигурации для потока текучей среды, так что одна из первой или второй реагирующих текучих сред контактирует с первым электродом. Второй газораспределительный элемент содержит разделительный элемент для образования разделительного прохода для текучей среды, тем самым только одна из первой или второй реагирующих текучих сред разделяется на первую часть реагирующей текучей среды, контактирующую с первым электродом, и вторую часть реагирующей текучей среды, не контактирующую с первым электродом.

Таким образом, согласно первому принципу предусмотрен отвод загрязненных потоков. Наличие загрязненного воздушного потока и конкретных источников загрязняющих веществ можно оценить путем моделирования, либо экспериментальным путем. В частности, предыдущие исследования показали, что, в частности, топливные коллекторы и уплотнительные материалы, расположенные вдоль газового потока, являются основными источниками загрязняющих веществ, вырабатывающими не только летучие загрязнители для воздушного электрода (Si, щелочные металлы, В, Ba и т.д.), но также и легкоиспаряющийся Cr от примыкающих металлических частей в случае образования остаточного пара. Ввиду известных предоставленных принципиальных потенциальных источников загрязняющих веществ предусмотрены обходные проходы для текучей среды, которые, в частности, являются каналами, которые проводят загрязненный воздух и предотвращают попадание и загрязнение воздушного электрода загрязненного потока реагирующей текучей среды.

Разделительный элемент газового потока, в частности, может использоваться для предотвращения перемещения через воздушный электрод топливного элемента загрязняющих веществ и остаточного пара, возникающего из уплотнений топливных коллекторов. Таким образом, ниже по потоку от уплотнений образованы воздушные обходные каналы. Согласно конкретному предпочтительному варианту осуществления проходы для реагирующей текучей среды являются топливными коллекторами, которые предпочтительно располагаются сбоку от воздушного потока, по меньшей мере, на стороне впуска воздуха набора. Обходные каналы расположены ниже по потоку от топливных коллекторов, вдоль разделительного элемента газового потока в основном направлении потока.

Эти каналы могут быть образованы посредством придания подходящей формы второму газораспределительному элементу или базовому слою, который может быть, в частности, двухполярной пластиной, посредством дополнительных частей специальной формы или пустотелых частей, служащих в качестве воздухопроводы, или предпочтительно объединенного или цельного со вторым газораспределительным элементом.

В качестве альтернативы, ограничения загрязнения воздушного электрода можно добиться посредством уменьшения действующего потока воздуха, находящегося в контакте с катодом, посредством отделения воздушного потока в реагирующем воздухе и охлаждающем или нагревающем воздухе. Действие второго основного источника загрязняющего вещества, соответственно входящий воздух, уменьшается благодаря разделению воздушного потока на один поток, протекающий через воздушный электрод для электрохимической реакции, и второй поток, соответствующим образом отделенный от электрода, так чтобы обеспечить нормальное охлаждение и нагревание топливного элемента. Оба потока предпочтительно протекают параллельно в одном направлении и подаются из одного и того же коллектора.

Отделение воздушного потока осуществляется при помощи разделительного слоя, выполненного из одного тонкого слоя из подходящего материала, который, в частности, может быть электропроводным, который может выполнять частичное или полное разделение охлаждающего или нагревающего воздушного потока из воздуха, используемого для электрохимической реакции. Этот разделительный слой может быть совершенно сплошным или сплошным, но состоящим из кусков. Он может быть частично пористым и даже иметь некоторые углубления, обеспечивающие в определенных местах частичное смешивание воздуха с одной стороны с воздухом по другую сторону.

Для обоих потоков, соответственно, первой части реагирующей текучей среды, контактирующей с первым электродом, и второй части реагирующей текучей среды, не контактирующей с первым электродом, упорядоченная область потока выполнена так, чтобы обеспечить нормальное распределение газа, а также электропроводимость, тем самым обеспечивая передачу электрического тока между воздушным электродом и базовым слоем, например, базовым слоем. Две области потока могут быть получены посредством предоставления конструкций в виде каналов или любой трехмерной конструкции, например, штыри или ребра.

В целом, когда речь идет об отведении, поток газов возникает вдоль активной области, тогда как разделение осуществляется над активной областью так, чтобы обеспечить охлаждение вблизи от источника тепла. При функционировании в качестве топливного элемента активная область является воздушным электродом.

Таким образом, элемент слоя для распределения воздуха для топливных элементов также может содержать сочетание обходных каналов для загрязняющих веществ, уплотнительных поверхностей, и отделение воздушного потока в целях охлаждения и осуществления реакции для ограничения загрязнения воздушного электрода. Функция отведения загрязняющих веществ достигается посредством образования канала или ряда каналов с созданием контролируемого обходного потока на удалении от воздушного электрода. В качестве предпочтительного варианта, обходной канал выполнен из тонкого металлического листа с определенной формой. Более того, при расположении вдоль стороны элемента, он может иметь такую форму, которая обеспечивает боковое уплотнение узла в сочетании с любым уплотнительным материалом, так чтобы предотвратить утечку воздуха из разделительного элемента газового потока сбоку.

Согласно предпочтительному варианту осуществления половина созданных каналов для предоставления воздуха в воздушный электрод используется для электромеханической реакции, а вторая половина каналов, находящаяся в контакте с базовым слоем, используется только в целях охлаждения и нагревания.

Газораспределительный элемент для топливного элемента, в частности, твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) или электролизного устройства обеспечивает соответствующее распределение активного газа на топливном электроде топливного элемента, а также нормальный электрический контакт с последним. Таким образом, проходы относятся к газораспределительному элементу и его конструкции в топливном элементе или наборе электролизного устройства. Как правило, топливный элемент сконфигурирован как набор топливных элементов, состоящий из нескольких блоков элемента. Таким образом, блоки элемента объединены в модульном виде в таком наборе топливного элемента, чтобы для применения можно было добиться необходимого уровня напряжения и выходной мощности. Создание набора, соответственно, включает соединение нескольких блоков элемента в группах посредством электропроводящих межблочных соединений или двухполярных пластин.

Согласно настоящему изобретению межблочные соединения или разделяющие пластины являются частью газораспределительного элемента. Таким образом, газораспределительный элемент для топливного элемента, в частности твердооксидного топливного элемента, или электролизного устройства, содержит первый слой и второй слой, при этом указанные первый и второй слои имеют газораспределительную конструкцию, образующую конфигурацию для потока текучей среды для первой реагирующей текучей среды и, наконец, второй реагирующей текучей среды.

Второй слой является гомогенизирующим элементом, который имеет первые прорези или вторые прорези, при этом, по меньшей мере, некоторые из первых прорезей имеют длину и ширину, где длина больше, чем ширина, и длина проходит в поперечном направлении к основному направлению потока текучей среды. Таким образом, газораспределительная конструкция содержит, в частности, несколько каналов, при этом второй слой содержит прорези, которые имеют длину, проходящую в поперечном направлении к основному направлению потока. Газораспределительная конструкция, таким образом, предпочтительно содержит прорези, которые могут образовывать конфигурацию канальных конструкций или системы каналов.

Для твердооксидного топливного элемента или электролизного устройства очень важно, чтобы активный газ равномерно распределялся по топливному электроду с целью увеличения эффективности и обеспечения надежной работы. На практике, это требует, чтобы канальная или пористая конструкция газораспределительного слоя проявляла равномерное сопротивление газовому потоку, и, соответственно, равномерное падение давления. Для канальной системы, как правило, это требует очень точной геометрии, включая очень жесткие производственные допуски и, следовательно, влечет за собой большие затраты.

В частности, вторые прорези имеют длину и ширину, где длина больше, чем ширина, и ширина проходит в поперечном направлении к основному направлению текучей среды. Эти первые или вторые прорези могут образовывать канальные конструкции, которые расположены, в частности, под прямым углом или наклонены в направлении каналов, расположенных в первом слое. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что текучая среда, протекающая внутрь прорези первого слоя, может направляться посредством газораспределительной конструкции, расположенной на первом слое, в направлении прорези второго слоя. Прорези первого и второго слоев обеспечивают магистраль для текучей среды и, следовательно, проход для текучей среды образуется через или сквозь газораспределительную конструкцию. Когда соответствующая реагирующая текучая среда протекает через или сквозь газораспределительную конструкцию первого слоя, она попадает в прорезь второго слоя над газораспределительной конструкцией первого слоя, т.е. она попадает в прорезь второго слоя над газораспределительной конструкцией первого слоя и распределяется внутри канала в первом слое и затем продолжается за газораспределительной конструкцией, и соседние прорези первого слоя ввиду того, что предусмотрены первые прорези, которые имеют длину и ширину, и их длина больше, чем их ширина, а их длина проходит в поперечном направлении к основному направлению потока текучей среды.

Первые или вторые прорези во втором слое, в частности, могут быть выполнены в виде углублений, которые имеют прямоугольное, квадратное или круглое поперечное сечение. Газораспределение образует конфигурацию для потока текучей среды первого слоя, которая может содержать по меньшей мере один из каналов, прерывающихся каналов, трехмерных конструкций, в частности, выступы, такие как штыри, решетчатые конструкции или пеноконструкции. Эти газораспределительные конструкции могут быть изготовлены из сплошного или пористого металла или проводящей керамики. Предпочтительно конструкция канала состоит из предусмотренных одного листа или пары листов, которые образуют блок элемента со вторым слоем или гомогенизирующим слоем.

Электрический контакт между различными слоями блока элемента можно получить посредством механического контакта, сварки, пайки или тонких контактных слоев.

Каждый из первого или второго слоев может служить как катод, так и электрод. Их функция может меняться в зависимости от природы электролита или работы газораспределительного элемента для топливного элемента или электролизного устройства. Первое реагирующее вещество имеет большое содержание кислорода, например воздух. Второе реагирующее вещество содержит по меньшей мере один из элементов: Н₂, СО, СО₂, Н₂О, аммиак или газы, содержащие углерод.

Может быть выполнен третий слой, который, в частности, используется в качестве газораспределительного слоя для кислородного электрода.

Газораспределительный слой имеет следующие преимущества: Гомогенизирующий элемент позволяет исправлять дефекты в геометрии газораспределительной конструкции первого слоя. Таким образом, для первого и второго слоев применимы малозатратные производственные процессы, при этом поддерживается высокое качество газораспределения. В дополнение, наборы могут изготавливаться в различных конфигурациях с различными площадями основания. Система топливного элемента или электролизное устройство может быть приспособлено для различного применения в зависимости от потребностей. Под площадью основания следует понимать все размеры длины и ширины основания набора топливных элементов.

В одном варианте осуществления на модуле набора на испытаниях в Швейцарском федеральном технологическом институте (EPFL) было получено 65% электрической эффективности на основе низшей теплотворной способности топлива. Набор был заправлен метаном после парового риформинга (с отношением пар-углерод, составляющим 2) и функционировал при 750°С с плотностью потока энергии 250 мВт/см².

С таким полезным действием распределенное генерирование электричества в киловаттных блоках, использующих ТОТЭ технологию более эффективно, чем централизованное генерирование в мегаваттных установках, использующих наилучшие из доступных парогазовых турбин (CCGT).

Керамический слой для диффузии газа, который расположен на каждой из сторон твердооксидного топливного элемента, который, в свою очередь, расположен между двумя металлическими межблочными соединениями, снижает стоимость всего набора, делая его менее сложным и менее дорогостоящим для изготовления в отношении материалов. Таким образом, блоки используются в качестве альтернативного источника электрической энергии для домов, которые содержат по меньшей мере 0,5 кВт-ный набор и предпочтительно 2,5 кВт-ный набор.

Согласно одному варианту осуществления, газораспределительная конструкция первого слоя, по меньшей мере, частично перегорожена по меньшей мере одним реечным элементом. Реечный элемент следует считать препятствием для потока текучей среды, проходящей через газораспределительную конструкцию первого слоя. Газораспределительная конструкция может являться элементом в виде барьера или заслонки любого типа, который заставляет поток текучей среды отклоняться от перемещения в основном направлении потока текучей среды, или который создает локальное ограничение гидравлического диаметра каналов потока.

По меньшей мере некоторые из первых или вторых прорезей второго слоя могут иметь форму в виде перфорированных отверстий, в частности, в виде углублений. Таким образом, первые и вторые слои образуют газораспределительный элемент, который состоит по меньшей мере из одного тонколистового металла. По меньшей мере один слой из тонколистового металла образует канальную, обращенную к перфорированному слою. Особенность перфорированного слоя заключается в предоставлении ряда продолговатых углублений, проходящих по существу перпендикулярно каналам для распределения топлива и в обеспечении смешивания газа из нескольких каналов в близлежащей среде с равными интервалами вдоль направления потока.

Предпочтительно длина перфорационных отверстий больше, чем ширина реечного элемента. Таким образом, как первая, так и вторая реагирующая текучая среда может проходить над препятствием, образованным реечным элементом, и, соответственно, таким образом, поток отклоняется от основного направления потока, обеспечивая смешивание потока из одного канала с потоками, проходящими через соседние каналы. Согласно одному варианту осуществления часть прорезей, в частности, в виде перфорированных отверстий, имеет длину больше, чем ширина, и при этом или длина, или ширина проходит в основном направлении потока текучей среды. В частности, ширина первых прорезей проходит в основном направлении потока текучей среды или длина вторых прорезей проходит в основном направлении потока текучей среды. Газораспределительная конструкция, расположенная на первом слое и по меньшей мере первые прорези и вторые прорези находятся в контакте по текучей среде.

Второй газораспределительный элемент, образующий третий слой, может быть предоставлен для равномерного распределения одной из первой или второй реагирующих текучих сред на электроде. Согласно одному из вариантов осуществления по меньшей мере на одном из первого и второго слоев выполнены несколько впускных отверстий для соответствующей реагирующей текучей среды. Посредством предоставления нескольких впускных отверстий, можно добиться более равномерного распределения потока текучей среды. Еще одним преимуществом является более равномерное распределение тепла, таким образом, обеспечивается использование всей реакционноспособной поверхности, предоставляемой блоком КАЭ.

Кроме того, газораспределительные конструкции, образующие конфигурацию для потока текучей среды, в частности, по меньшей мере, некоторые из первых или вторых прорезей могут изготавливаться посредством штамповки или выдавливания. Согласно одному альтернативному варианту осуществления второй газораспределительный элемент образует с первым слоем одно целое. Согласно одному варианту осуществления первый слой содержит первый лист, содержащий перфорационные отверстия, и второй лист, образующий базовый слой. Второй газораспределительный элемент может располагаться на противоположной стороне от базового элемента первого слоя.

Более того, настоящее изобретение относится к топливному элементу или электролизному устройству, содержащему газораспределительный элемент согласно любому из предыдущих вариантов осуществления.

Основные применения ТОТЭ относятся к областям дистанционного питания, распределенному генерированию энергии, комбинированной выработке тепла и электроэнергии (СНР), вспомогательным электроагрегатам (APU) для грузовиков, автобусов и кораблей, портативному электропитанию и эффективному преобразованию биогаза.

Краткое описание графических материалов

Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными и воспринимаемыми из следующего описания определенных примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, взятых вместе с прилагающимися графическими материалами, в которых подобные числовые позиции обозначают подобные компоненты. В частности, показано, что

на фиг. 1 представлен схематический вид системы ТОТЭ,

на фиг. 2 представлен вид в изометрии первого газораспределительного элемента,

на фиг. 3 представлен вид в поперечном сечении блока элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг. 4 представлен вид в разобранном положении блока элемента по фиг. 3,

на фиг. 4А представлен увеличенный вид второго газораспределительного элемента,

на фиг. 4В представлен вид в разобранном положении еще одного варианта осуществления первого газораспределительного элемента,

на фиг. 4С представлен вид в разобранном положении еще одного варианта осуществления первого газораспределительного элемента,

на фиг. 4D представлен еще один вариант осуществления второго слоя, гомогенизирующего слоя,

на фиг. 4Е представлен еще один вариант осуществления второго слоя, гомогенизирующего слоя,

на фиг. 4F представлен еще один вариант осуществления блока элемента, содержащего первый и второй газораспределительный элемент,

на фиг. 4G представлено сечение второго газораспределительного элемента,

на фиг. 4Н представлен еще один вариант осуществления второго газораспределительного элемента,

на фиг. 5 представлен вид сверху двух соседних слоев газораспределительного элемента,

на фиг. 6А представлен частичный вид сверху перфорированного слоя газораспределительного элемента,

на фиг. 6В представлен разрез по линии А-А по фиг. 6А,

на фиг. 6С представлен разрез по линии В-В по фиг. 6А,

на фиг. 6D представлен увеличенный вид в разрезе идеального газораспределительного элемента по линии С-С по фиг. 4, но без опорного слоя,

на фиг. 6Е представлен вид в разрезе газораспределительного элемента без гомогенизирующего слоя,

на фиг. 6F представлен увеличенный вид в разрезе по линии С-С по фиг. 4 газораспределительного элемента, содержащего гомогенизирующий слой, на фиг. 6G представлен схематический вид, изображающий идеальные условия потока горючего газа через газораспределительный элемент,

на фиг. 6Н представлен схематический вид, изображающий реальные условия потока горючего газа через газораспределительный элемент,

на фиг. 6I представлен схематический вид, изображающий реальные условия потока горючего газа через дополнительный газораспределительный элемент,

на фиг. 6K представлен вид в разрезе газораспределительного элемента без гомогенизирующего слоя,

на фиг. 6L представлен вид в разрезе газораспределительного элемента подобного тому, что показан на фиг. 6K, однако газораспределительный элемент содержит гомогенизирующий слой,

на фиг. 7А представлен схематический вид, изображающий идеальные условия потока горючего газа через газораспределительный слой блока топливного элемента,

на фиг. 7В представлен схематический вид, изображающий оптимальные предусмотренные реальные условия потока горючего газа через блок топливного элемента,

на фиг. 7С представлен схематический вид, изображающий условия потока горючего газа через блок топливного элемента согласно существующему уровню техники,

на фиг. 7D представлен вид набора блоков топливного элемента с потоком согласно условиям, изображенным на фиг. 7В,

на фиг. 7Е представлен вид набора блоков топливного элемента с потоком согласно условиям, изображенным на фиг. 7С,

на фиг. 8 представлен вид в сечении нескольких последовательных слоев блоков топливного элемента набор,

на фиг. 8А представлен подробный вид в разрезе по фиг. 8,

на фиг. 8В представлен вид в разрезе схематического вида сбоку набора топливного элемента,

на фиг. 8С представлен вид в разрезе схематического вида сбоку дополнительного варианта осуществления набора топливного элемента,

на фиг. 9 представлен первый вариант осуществления разделительного элемента газового потока,

на фиг. 10 представлен второй вариант осуществления разделительного элемента газового потока,

на фиг. 10с представлен еще один вариант осуществления разделительного элемента газового потока,

на фиг. 11 представлен третий вариант осуществления разделительного элемента газового потока,

на фиг. 12 представлен четвертый вариант осуществления разделительного элемента газового потока,

на фиг. 13 представлен пятый вариант осуществления разделительного элемента газового потока,

на фиг. 14 представлен шестой вариант осуществления разделительного элемента газового потока,

на фиг. 15, 15а показан седьмой вариант осуществления разделительного элемента газового потока,

на фиг. 16, 16а показан восьмой вариант осуществления разделительного элемента газового потока,

на фиг. 16b представлен вид в разобранном положении двух элементов блока.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

На фиг. 1 показана система 100 твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) согласно настоящему изобретению. Система твердооксидного топливного элемента содержит корпус 101, который содержит набор 103 топливных элементов, состоящего из нескольких блоков 50 топливного элемента, тем самым блоки топливного элемента в данном документе также называются блоками 50 элемента. Корпус опирается на основание 102. Система топливного элемента или баланс установки содержит теплообменник 106 для нагрева реагирующих веществ, а также блоки подготовки реагирующего вещества для предоставления реагирующих веществ с правильной композицией и правильной скоростью потока в топливный элемент, которые не показаны в графических материалах. Наборы расположены с отводными элементами 104, 105 для реагирующих веществ.

Набор может быть сконфигурирован, как показано в документе US 7632586 В2, где применяется особая контактирующая с электродом и газораспределительная конструкция. В известном уровне техники, набор на основе этой технологии был разработан для применений приблизительно в 1 кВт дистанционного и микроустройств комбинированной выработки тепла и электроэнергии (СНР). Он отличается низким падением давления и может достигать плотностей энергии в 1 кВт/л или 400 мВт/см² с электрическим КПД выше 45%. Наборы могут заправляться природным газом после риформинга, газом после риформинга или водородом. Этот набор распределяет воздух снаружи и топливо внутри и восстанавливает отработавший поток топлива. Отработавший поток может использоваться в дожигании или повторно использоваться для риформинга (данный настроенный баланс установки). Применение US 7632586 В2 улучшает допуски термодинамического цикла набора, избегая дополнительного ухудшения рабочих характеристик в результате термодинамического цикла.

При помощи двух новейших прототипов, комбинирующих настоящее изобретение и технологию, описанную в документе US 7632586 В2, были найдены улучшенные рабочие характеристики. Была достигнута максимальная конверсия топлива в 94% с КПД, достигающим 61% при использовании в качестве топлива водорода и 69% при использовании метана. Более того, было достигнуто до 50 термодинамических циклов без значительного повреждений короткого набора такого комбинированного типа. Это намного выше более ранних результатов, основанных только на обработке потока реагирующего вещества, как описано в документе US 7632586 В2.

Для распределения горючего газа предусмотрен первый газораспределительный элемент 10, который подробно изображен на фиг. 2. Межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4. Как правило, межблочное соединение 40 расположено между двумя прилегающими блоками 5 катод-анод-электролит. Под блоком 50 элемента следует понимать блок, содержащий блок 5 катод-анод-электролит и межблочное соединение 40.

Первый газораспределительный элемент 10 используется для предоставления, по меньшей мере, горючего газа в соответствующий электрод.

Второй газораспределительный элемент 4 используется для предоставления реагирующего вещества, содержащего кислород, который является окисляющим средством для соответствующего электрода. Первый газораспределительный элемент 10, отображенный на фиг. 2, содержит впуск 16 для топлива и выпуск 18 для топлива, так что топливо, подаваемое впуском 16, протекает внутри первого газораспределительного элемента 10 в линейном направлении потока 9 от впуска 16 к выпуску 18. На фиг. 2 первый слой 2 расположен ниже второго слоя 3.

Для функционирования в качестве топливного элемента, реагирующее вещество, содержащее кислород, подается на положительный кислородный электрод 51, действующий как катод.

Для функционирования блока 50 элемента в качестве электролизного устройства, реагирующее вещество, содержащее кислород, подается на тот же самый положительный кислородный электрод 51, действующий в качестве анода.

В предпочтительном варианте осуществления газораспределительный элемент 10 используется для подачи горючего газа в отрицательный электрод 53 блока 5 КАЭ катод-анод-электролит. Межблочное соединение 40 дополнительно содержит второй газораспределительный элемент 4, содержащий каналы, проводящие текучую среду, для реагирующего вещества, содержащего кислород, которые обеспечивают приведение в контакт реагирующего вещества, содержащего кислород, с положительным кислородным электродом 51 прилегающего блока 5 КАЭ катод-анод-электролит.

В большинстве случаев содержащее кислород реагирующее вещество является воздухом, тем не менее в межблочное соединение 40 также может подаваться чистый кислород или кислородсодержащий газ. Второе реагирующее вещество, горючий газ, как правило, содержит любую смесь Н₂, СО, Н₂О, СО₂, метана, аммиака, другого углеводорода или необязательных растворителей.

В предпочтительном варианте осуществления горючий газ распределяется внутри газораспределительного элемента 10. Отрицательный электрод 53 блока 5 КАЭ катод-анод-электролит, таким образом, обращен ко второму слою 3 газораспределительного элемента 10.

Первый газораспределительный элемент 10 также может быть использован для работы электролизного устройства в обратном порядке. Для функционирования в качестве топливного элемента, реагирующее вещество, содержащее кислород, подается на положительный кислородный электрод, действующий как катод.

Для функционирования блока элемента в качестве электролизного устройства реагирующее вещество, содержащее кислород, подают на положительный кислородный электрод, действующий как анод.

Межблочное соединение 40 объединяет две существенных функции набора 103 топливных элементов: он осуществляет токосъем с электродов 51, 53 и он распределяет реагирующее вещество, в частности топливо, а также кислородсодержащий газ между и на блоке 5 КАЭ катод-анод-электролит и в них.

Как изображено на фиг. 3, межблочное соединение 40, таким образом, обеспечивает осуществление распределения газа блока 50 элемента, обеспечивая возможность использования тонких, не подвергнутых механической обработке металлических листов, как показано ссылочными позициями 1, 2, 3 и/или 4, которые, например, могут быть изготовлены посредством чеканки, штамповки, вальцовки, выдавливания или вытравливания, то есть дешевого изготовления, вместо дорогих структурных двухполярных пластин. Базовый слой 1 и/или первый слой 2, и/или второй слой 3, и/или опорный слой 4 могут быть изготовлены путем чеканки, выдавливания, штамповки или вытравливания, или посредством горячего прессования или других процессов, таких как порошковая металлургия. Первый газораспределительный элемент 10 может быть изготовлен так, что базовый слой 1, первый слой 2, второй слой 3 или любая их комбинация соединяются вместе посредством любого подходящего способа присоединения, такого как сварка, пайка или реакционное связывание или любая их комбинация, для электрического контакта и/или уплотнения. Аналогичным образом второй газораспределительный элемент 4 может быть изготовлен путем образования опорного слоя или комбинации опорного слоя с базовым слоем 1.

Предлагаемый набор 103 топливных элементов согласно предпочтительному применению содержит от 1 до 100 блоков 50 элемента, соответствующих диапазону 16-5000 Вт номинальной электрической энергии.

В варианте осуществления, изображенном на фиг. 3, показан вид в сечении расположения блока 50 элемента, содержащего блок 5 катод-анод-электролит и межблочное соединение 40, при этом межблочное соединение содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4.

Первый газораспределительный элемент 10 согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 3, состоит из базового слоя 1, второго слоя 3 и первого слоя 2. Блок 5 катод-анод-электролит содержит первый электрод 51, второй электрод 53 и электролит 52, расположенный между первым и вторым электродами 51, 53. Блок 50 элемента дополнительно содержит боковые уплотнения 31, которые обеспечивают газонепроницаемое уплотнение для кромок блока 5 катод-анод-электролит, контактирующих слоев 55 и газораспределительного элемента 10. Блок 50 элемента дополнительно содержит второй газораспределительный элемент 4 для подачи первой реагирующей текучей среды, содержащей кислород, в первый электрод 51. Вторая реагирующая текучая среда, содержащая топливо, подается во второй электрод 53 над первым слоем 2 и, соответственно во второй слой 3.

На фиг. 4 показан вид в разобранном состоянии блока 50 топливного элемента, содержащего блок 5 КАЭ и межблочное соединение 40. Блок 5 КАЭ содержит первый электрод 51, второй электрод 53 и электролит 52, расположенный между первым и вторым электродами 51, 53. Обычно керамический и/или металлический слой 54, 55 для диффузии газа расположен на обеих сторонах электродов 51, 53, который не показан на фиг. 4, но который изображен, например, на фиг. 8А.

Примерный первый газораспределительный элемент 10, показанный на фиг. 4, содержит базовый слой 1, первый слой 2 и второй слой 3; указанный первый 2 и второй слои 3 имеют газораспределительную конструкцию 11, образующую конфигурацию для потока текучей среды. Первый слой 2, изображенный на фиг. 4, образует конфигурацию для потока посредством некоторого количества каналов 13, расположенных рядом друг с другом, так что горючий газ, входящий в первый слой 2, может течь в основном направлении потока 9. Каналы 13 проходят в линейном направлении. Каналы 13 предпочтительно начинаются на одной стороне первого слоя 2 на стороне 2b входа, также называемой впуском, и каналы 13 предпочтительно заканчиваются на другой стороне первого слоя 2, на стороне 2с выхода, также называемой выпуском, при этом сторона 2b входа соединена с подачей 9а горючего газа, и при этом выпуск 2 с соединен по текучей среде с выходом 9b отработавшего газа. На фиг. 4 также изображен второй газораспределительный элемент 4, который для примера показан в виде гофрированного листа металла, содержащего каналы 20, как изображено на фиг. 4А. На фиг. 3 показан вид в разрезе блока 50 топливного элемента по линии С-С. Далее описан первый газораспределительный элемент 10. Первый слой 2 содержит несколько разнесенных канальных реек 2а, образующих каналы 13 между ними. Как изображено на фиг. 4, первый слой 2 может содержать дополнительные каналы 12, 14, проходящие в линейном направлении, и которые соединяют по текучей среде каналы 13 со впуском 2b и выпуском 2 с соответственно. Второй слой 3 представляет собой гомогенизирующий элемент, содержащий прорези 15, которые соединяют по текучей среде по меньшей мере два канала 13, расположенных рядом друг с другом, для компенсации и гомогенизации объема текучей среды в соответствующих каналах 13. На фиг. 3 изображена прорезь 15, соединяющая по текучей среде три канала 13. Второй слой 3 имеет первые прорези 15, которые сконфигурированы в виде прямоугольных отверстий, имеющих длину 28 и ширину 29. Длина больше ширины. Длина 28 проходит поперечно относительно основного направления потока 9 текучей среды; ширина 29 проходит в основном направлении потока 9 текучей среды. Второй слой 3 может иметь вторые прорези 6, которые имеют длину 7 и ширину 8, где длина 7 больше, чем ширина 8, и ширина 8 проходит в направлении поперечном основному направлению потока 9 текучей среды.

Первый слой 2, также называемый канальным слоем, имеет несколько впускных каналов 12, несколько последовательных каналов 13 и несколько выпускных каналов 14. Последовательные каналы 12 и 13 разделены посредством реечного элемента 23. Последовательные каналы 13 и 14 также разделены посредством реечного элемента 23. Реечные элементы 23 необходимы для соединения реек 2а.

Эти вторые прорези 6 второго слоя 3 образуют канальные конструкции, которые расположены, в частности, под прямым углом или наклонены относительно впускных каналов 12, расположенных в первом слое 2. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что текучая среда, протекающая внутри каналов 12, 13, 14 первого слоя 2, может быть направлена посредством реечного элемента 23, который является частью первого слоя 2, расположенного на первом слое, в направлении прорези 6 второго слоя 3, как изображено на фиг. 2. Прорезь 6, таким образом, образует проход для текучей среды между последовательными каналами 12 и 13 или между последовательными каналами 13 и 13, или между последовательными каналами 13 и 14 путем прохождения реечного элемента 23 через прорезь 6. Когда текучая среда протекает над реечным элементом 23, она входит в прорезь 6 над реечным элементом 23 и распределяется в последовательные каналы 13 и 14 соответственно. Одним преимуществом такого варианта осуществления является то, что первый слой 2 и второй слой 3 могут быть очень дешево изготовлены с использованием тонких металлических листов.

Предпочтительно за каждым впускным каналом 12 следует последовательный канал 13 и выпускной канал 14. Эти каналы 12, 13, 14 могут иметь одинаковое поперечное сечение и могут быть расположены рядом друг с другом. Предпочтительно предусмотрено несколько впускных каналов 12, последовательных каналов 13 и выпускных каналов 14, как изображено на фиг. 4. Каждый из впускных каналов 12 может быть расположен параллельно относительно соответствующего соседнего впускного канала 12, при этом то же может применяться также и к последовательным каналам 13 или выпускным каналам 14.

Первый слой 2 и второй слой 3 могут быть образованы на отдельных листах, как показано на фиг. 4; однако они могут также быть объединены в один лист.

Кроме того, первый слой 2 может быть изготовлен в виде листа, имеющего перфорационные отверстия, соответствующие каналам 12, 13, 14 и расположенного рядом с базовым листом 1, образующим основание для каналов 12, 13, 14. Данное решение может быть предпочтительным для изготовления каналов. Кроме того, для перфорационных отверстий доступно значительное разнообразие форм. Перфорационные отверстия могут быть просто выштампованы из листа, вырезаны при помощи лазера или также вытравлены, или образованы посредством вынимаемых вставок, которые удаляют после отливки или формования слоя. Таким образом, обеспечение базового слоя 1 и второго слоя 3 в виде отдельных листов, может предоставить упрощение изготовления или применение большего разнообразия способов изготовления для изготовления слоев 1, 2, 3.

Кроме того, два впускных отверстия 16, 17 предусмотрены для вхождения реагирующего вещества, содержащего топливо, которое представляет собой горючий газ, в газораспределительный элемент 10. Кроме того, два выпускных отверстия 18, 19 могут быть предусмотрены для выхода продукта реакции в виде текучей среды, который представляет собой отходящий газ, из газораспределительного элемента 10.

В предпочтительном варианте осуществления второй газораспределительный элемент 4 расположен на стороне базового слоя 1 и соединен с базовым слоем 1. На фиг. 4 показан путь потока окисляющего средства О, опорный слой, имеющий каналы 20 на обеих сторонах, которые представляют собой каналы 20а, 20b. На фиг. 4А показан увеличенный вид предпочтительной конструкции опорного слоя 4, при этом путь потока окисляющего средства О отделяется каналами 20а, 20b на два пути O1, O2 потока, так что каждый путь протекает в канал 20 вдоль одной стороны опорного слоя 4.

На фиг. 4В показан дополнительный вариант осуществления газораспределительного элемента 10. Базовый слой 1 и первый слой 2, определяющие конфигурацию для потока, выполнены из одной части. В данном варианте осуществления не требуются реечные элементы 23, удерживающие рейки 2а, поскольку рейки 2а соединены с базовым слоем 1, так что несколько каналов 13 проходит в линейном направлении рядом друг с другом, при этом каналы 13 начинаются на стороне 2b входа и заканчиваются на стороне 2с выхода, так что каналы соединяют по текучей среде сторону 2b входа со стороной 2с выхода. Поскольку нет необходимости в реечном элементе 23, во втором слое 3 также не нужны прорези 6 для соединения по текучей среде последовательных каналов 12, 13, 14, как изображено на фиг. 4В.

На фиг. 4С показан дополнительный вариант осуществления газораспределительного элемента 10. Первый слой 2 содержит пористую конструкцию 2d, например, деталь из металлической пены или металлической сетки, при этом пористая конструкция расположена на базовом слое 1. Первый слой 2, определяющий путь потока, начинается на стороне 2b входа и заканчивается на стороне 2с выхода, так что пористая конструкция соединяет по текучей среде сторону 2b входа со стороной 2с выхода, так что пористая конструкция определяет путь потока, проходящий в линейном направлении.

На фиг. 4D показан дополнительный вариант осуществления второго слоя 3, гомогенизирующего элемента. В отличие от варианта осуществления, изображенного на фиг. 4В, на котором показан второй слой 3 прямоугольной формы, на фиг. 4D изображен второй слой 3 круглой формы. В отличие от варианта осуществления, изображенного на фиг. 4В, на котором показан первый слой 2 прямоугольной формы с параллельно проходящими каналами 13, первый слой, приспособленный ко второму слою 3, изображенному на фиг. 4D, имеет круглую форму и содержит каналы 13, проходящие линейно в радиальном направлении, начинаясь от центра на впуске 2b для топлива, который расположен в том же месте, что и впускное отверстие 16 для топлива, и заканчиваясь на краю, при этом выпуск 2с для топлива расположен таким образом, что он предпочтительно полностью окружает первый и второй слои 2, 3, так что горючий газ 9а в первом газораспределительном элементе 10 течет в радиальном направлении. На фиг. 4D показаны только несколько каналов 13. Второй слой 3 содержит несколько прорезей 15, проходящих в окружном направлении, при этом прорези 15 в поперечном направлении пересекают каналы 13 первого слоя 2, так что некоторые из соседних каналов 13 соединены по текучей среде посредством соответствующих прорезей 15.

Первый газораспределительный элемент 10, содержащий первый и второй слои 2, 3, как изображено на фиг. 4D, таким образом, имеет круглую форму. Для создания круглого блока 50 топливного элемента, круглый блок 5 катод-анод-электролит может быть расположен на верху второго слоя 3, а опорный слой 4 может быть расположен под первым слоем 2, таким образом получают блок 50 топливного элемента, подобный блоку топливного элемента, изображенному на фиг. 4, но с радиально проходящими каналами 13 в первом слое 2 и радиально проходящими каналами 20 в опорном слое 4. Первый слой 2, расположенный под вторым слоем 3, может также быть трехмерной конструкцией, такой как штыри, решетка, сетчатые конструкции или пеноконструкции, при этом первый слой 2 имеет круглую форму и направление потока 9а, 9b, 9с текучей среды, проходящее в радиальном, в частности, в линейном направлении от впуска 2b к выпуску 2с, а первые прорези 15 второго слоя 3 проходят в окружном направлении. В предпочтительном варианте осуществления в пеноконструкции нет каналов, но пористая конструкция пены обеспечивает возможность протекания текучей среды в пене таким образом, что текучая среда протекает в направлении потока 9а, 9b, 9с текучей среды в первом слое 2.

На фиг. 4Е показан дополнительный вариант осуществления второго слоя 3 прямоугольной формы, содержащий прорези 15, проходящие в окружном направлении. В отличие от второго слоя 3, изображенного на фиг. 4D, прорези 15 второго слоя 3, изображенного на фиг. 4Е, расположены в виде трех групп 9х прорезей 15 одного размера, при этом эти три группы 9х соответственно смещены относительно друг друга в окружном направлении. Такое расположение прорезей 15 увеличивает эффект гомогенизации потока топлива, проходящего по каналам 13. Второй слой 3, изображенный на фиг. 4Е, содержит кольцевой выпуск 2с для топлива, собирающий отходящий газ в выпускные патрубки 18/19 для топлива, так что топливо в первом слое 2 может сначала течь в радиальном направлении 9u, а затем в направлении 9v в выпуск 2с для топлива.

На фиг. 4F показан дополнительный вариант осуществления блока 50 топливного элемента, содержащего блок 5 КАЭ и межблочное соединение 40. Межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4. Первый газораспределительный элемент 10 состоит из базовой пластины 1, на которой фиксируются каналы 13, и состоит из уплотнительный слоя 3d с прорезью 3е. Прорезь 3е приспособлена к размеру блока 5 КАЭ, так что блок КАЭ может быть введен в прорезь 3е, так что блок 5 КАЭ может быть расположен прямо над каналами 13. Второй распределительный элемент 4 выполнен так, как уже было изображено на фиг. 4. В отличие от вариантов осуществления, показанных на фиг. 4, 4В и 4С, первый газораспределительный элемент 10, изображенный на фиг. 4F, не содержит второй слой 3, то есть не содержит гомогенизирующий слой 3.

На фиг. 4G подробно показано сечение по линии D-D по фиг. 4F, при этом фиг. 4G также содержит блок 5 КАЭ, расположенный под вторым газораспределительным элементом 4, который не показан на фиг. 4F. На фиг. 4G подробно показан гофрированный лист металла, который расположен между блоком 5 КАЭ и базовым слоем 1. Второй газораспределительный элемент 4 таким образом соединен посредством соединений 4c с базовым слоем 1, что электрический ток может течь между вторым газораспределительным элементом 4 и базовым слоем 1. Например, они могут быть сварены вместе в соединениях 4с. Гофрированный лист имеет волнообразный профиль, зигзагообразный профиль или профиль с трапециевидным поперечным сечением. Гофрирования имеют шаг 20g, при этом шаг 20g находится в диапазоне от 2 мм до 8 мм. Небольшой шаг 20g имеет преимущество, заключающееся в том, что электрический ток, протекающий между гофрированным листом и местом на электролите 52, где происходит электрохимическая реакция, подвергается более низкому омическому сопротивлению из-за более высокой плотности контактных точек между гофрированным листом и блоком 5 КАЭ. С другой стороны, небольшой шаг приводит к очень малому размеру каналов 20, 20а, 20b, что увеличивает сопротивление потока текучей среды, протекающей в каналах 20.

Толщина тонколистового металла элемента 4 находится в диапазоне 0,3-1 мм, более предпочтительно между 0,3..0,6 мм, и наиболее предпочтительно 0,5 мм.

В предпочтительном варианте осуществления каналы 20а для окисляющего средства имеют площадь 20f поперечного сечения, и каналы 20b для текучей среды для термообработки имеют площадь 20е поперечного сечения. Отношение двух площадей 20е, 20f поперечного сечения находится в диапазоне от 1:2 до 2:1, предпочтительно 1:1.

В предпочтительном варианте осуществления каналы 20а для окисляющего средства и каналы 20b для текучей среды для термообработки имеют высоту, находящуюся в диапазоне между 1 и 5 мм.

В предпочтительном варианте осуществления гофрирования имеют угол наклона (а), составляющий по меньшей мере 45°, более предпочтительно больше, чем 60°.

В предпочтительном варианте осуществления каналы 13 первого газораспределительного элемента 10 проходят от стороны 2а впуска топлива до стороны 2b выпуска топлива, таким образом определяя направление потока 9 горючего газа в первом газораспределительном элементе 10, тем самым, каналы 20а, 20b второго газораспределительного элемента 4 либо проходят по существу вдоль основного направления потока 9, либо проходят по существу перпендикулярно относительно основного направления потока 9.

Как изображено на фиг. 4G в предпочтительном варианте осуществления каналы 20b для текучей среды для термообработки находятся в контакте с первым газораспределительным элементом 10, то есть каналы 20b обращены к первому газораспределительному элементу 10 и, соответственно, базовому слою 1, так что имеет место непосредственный контакт текучей среды для термообработки, протекающей в каналах 20b с базовым слоем 1.

В предпочтительном варианте осуществления гофрирования образуют несколько каналов 20а, 20b, проходящих параллельно друг другу.

В предпочтительном варианте осуществления второй газораспределительный элемент 4 соединен с первым

газораспределительным элементом 10 таким образом, что каналы 20b для текучей среды для термообработки выполнены по форме в виде закрытых каналов, содержащих только конец 20с входа и конец 20d выхода. Это достигается путем соединения гофрированного листа с базовым слоем 1 таким образом, что каждый канал 20b образует газонепроницаемый канал между его концом 20 с входа и концом 20d выхода.

В предпочтительном варианте осуществления второй газораспределительный элемент 4 состоит из по меньшей мере двух частей, при этом по меньшей мере две части отделены друг от друга с помощью прорези 4b, имеющей ширину зазора, составляющую по меньшей мере 0,3 мм. На фиг. 4Н изображен такой второй газораспределительный элемент 4, состоящий из четырех частей и имеющий две щели 4b.

На фиг. 5 показан частичный вид сверху первого и второго слоев 2, 3 первого газораспределительного элемента 10 согласно третьему варианту осуществления, изображенный в виде частичного сечения с верхней стороны газораспределительного элемента 10. На виде в поперечном разрезе части первого слоя 2 изображены некоторые из каналов 13, расположенных рядом друг с другом и разделенных канальной рейкой 2а, и некоторые из последовательных выпускных каналов 14, отделенных реечным элементом 23 от каналов 13. Первый слой 2 расположен рядом с вторым слоем 3. Второй слой 3 содержит первые прорези 15, имеющие длину 28 и ширину 29, при этом длина 28 проходит поперечно, в данном варианте осуществления - перпендикулярно, относительно основного направления потока 9 текучей среды.

На фиг. 6А показан частичный вид сверху перфорированного второго слоя 3 газораспределительного слоя 10 согласно любому из первого, второго или третьего вариантов осуществления настоящего изобретения, содержащего первые прорези 15 и нижележащие канальные рейки 2а. На фиг. 6В, на разрезе по линии А-А на фиг. 6А, показан блок 5 катод-анод-электролит, первый слой 2, содержащий канальные рейки 2а, второй слой 3 и базовый слой 1. Базовый слой 1 и первый слой 2 изготавливают из разных листов. На фиг. 6С показан разрез вдоль линии В-В на фиг. 6А. В отличие от фиг. 6В, разрез пересекает ряд прорезей 15, таким образом, второй слой 3 прерывается прорезями 15. Кроме того, показаны параллельно проходящие каналы 13 в первом слое 2.

На фиг. 6D подробно показан разрез вдоль линии С-С на фиг. 4 без опорного слоя 4. Первый газораспределительный элемент 10, состоящий из трех слоев, базовый слой 1, поверх которого расположен первый слой 2, определяющий конфигурацию потока, содержит несколько каналов 13, разделенных рейками 2а, проходящими параллельно в направлении 9 потока. Второй слой 3, который представляет собой гомогенизирующий слой, расположен поверх первого слоя 2. Второй слой 3 содержит первые прорези 15, проходящие перпендикулярно к направлению 9 потока. В показанном варианте осуществления первые прорези 15 проходят над тремя каналами 13 для соединения по текучей среде с тремя каналами 13, так что может происходить обмен 9z по текучей среде между тремя потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f горючего газа и через первые прорези 15. На фиг. 6D показан идеальный первый газораспределительный элемент 10, в котором каждый из каналов 13, К1…К6 имеет идентичную ширину, идентичную высоту и идентичное сопротивление потока, так что каждый из потоков 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f горючего газа имеет приблизительно одинаковую скорость потока и приблизительно одинаковую газовую композицию, и итоговый диффузионный поток реагирующих веществ и продуктов реакции в блок 5 катод-анод-электролит, так что в первых прорезях 15 происходит незначительный обмен 9z по текучей среде между потоками 9а, 9b, 9 с; 9d, 9е, 9f газа или он совсем не происходит. В дополнение к обмену 9z по текучей среде между тремя потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f горючего газа, как описано, первые прорези 15 также имеют такой эффект, что в первой прорези 15, которая обращена к блоку 5 катод-анод-электролит, газовая композиция, выходящая из потоков 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f, смешивается и гомогенизируется перед входом в блок 5 катод-анод-электролит. Таким образом, газовую композицию гомогенизируют перед входом в блок 5 катод-анод-электролит, что обеспечивает снабжение блока 5 достаточным количеством активного газа, даже если один, или даже если два из потоков 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f газа обеспечивают недостаточное количество газа. Блок 5 катод-анод-электролит и второй слой 55 для контакта газа и диффузии газа, расположенные поверх второго слоя 3, показаны только схематически.

На фиг. 6F подробно показан разрез по линии С-С на фиг. 4. В отличие от фиг. 6D, на которой показан идеальный газораспределительный элемент 10, на фиг. 6F показана типичная компоновка, в которой каналы К1…К6 имеют немного различные формы, например, разную ширину и, таким образом, разное сопротивление потока, что приводит к тому, что потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа имеют различные скорости потока. Преимущество второго слоя 3, гомогенизирующего слоя, заключается в том, что благодаря первым прорезям 15, соединяющим по текучей среде некоторые из каналов K1, К2, К3; К4, К5, К6, происходит обмен 9z по текучей среде между потоками 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, так что разница в скорости потока между потоками 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа уменьшается, что означает, что потоки газа гомогенизируются, с тем, чтобы привести в соответствие газовую композицию и полученный в результате диффузионный поток реагирующих веществ и продуктов реакции горючего газа F по всему блоку 5 катод-анод-электролит.

На фиг. 6Е показан вариант осуществления согласно фиг. 6F, но без второго слоя 3. В отсутствие гомогенизирующего слоя газовая композиция и полученный в результате диффузионный поток реагирующих веществ и продуктов реакции горючего газа F по всему блоку 5 катод-анод-электролит могут значительно варьировать в зависимости от различных форм каналов К1…К6. Таким образом, одним преимуществом второго слоя 3, гомогенизирующего слоя, является то, что первый слой 2 может быть изготовлен более дешевым образом, поскольку эффект различий ширины каналов и/или высоты каналов на потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа может быть компенсирован гомогенизирующим слоем, таким образом обеспечивая возможность изготовления дешевого и надежного газораспределительного элемента 10.

На фиг. 6G показан вид сверху первого газораспределительного элемента 10, изображенного на фиг. 6D, на котором показаны шесть каналов К1…К6, проходящие в параллельном направлении, при этом три канала К1, К2, К3; К4, К5, К6 соединены по текучей среде с помощью прорезей 15, тем самым каждый из потоков 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа имеет одинаковую скорость потока. Несколько прорезей 15 расположены и разнесены друг от друга в направлении 9 потока.

На фиг. 6Н показан вид сверху первого газораспределительного элемента 10, изображенного на фиг. 6F, на котором показаны шесть каналов К1…К6, проходящие в параллельном направлении, при этом три канала К1, К2, К3; К4, К5, К6 соединены по текучей среде с помощью прорезей 15, тем самым потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, входящие в газораспределительный элемент 9, имеют различные скорости потока. Несколько прорезей 15 расположены и разнесены друг от друга в направлении 9 потока, тем самым в каждой из прорезей 15 может происходить обмен 9z по текучей среде между потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f газа, так что разница в скорости потока между потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f газа снижается. Первый газораспределительный элемент 10 содержит прорези 15, таким образом, обеспечивает, чтобы все каналы К1…К6 были снабжены газом, и что блок 5 катод-анод-электролит будет страдать от локального уменьшения количества топлива. Таким образом, гомогенизирующий слой 3 приводит к предотвращению повреждения блока 50 топливного элемента в связи с нехваткой горючего газа в некоторых областях блока 50 топливного элемента. Кроме того, в прорезях 15 происходит гомогенизация композиций в результате диффузии и конвекции. Это дополнительно уменьшает риск повреждения одной области элемента путем локального уменьшения количества горючего газа, даже в случае засорения одного из каналов К1…К6, например, нежелательными отходами. В данном случае газы могут обойти засоренную часть канала через прорези 15 и газ проходит через прорезь 15 над засоренным каналом к электроду.

На фиг. 6I показан вид сверху дополнительного варианта осуществления газораспределительного элемента 10, на котором изображены шесть каналов К1…К6, проходящих в параллельном направлении, при этом каналы К1, К2, К3; К4, К5, К6 соединены по текучей среде с помощью прорезей 15, тем самым потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, входящие в газораспределительный элемент 9, имеют различные скорости потока. В отличие от варианта осуществления, изображенного на фиг. 6Н, прорези 15 в варианте осуществления согласно фиг. 6I имеют различную длину 28 и, таким образом, могут соединять по текучей среде два, три, четыре или даже больше параллельно проходящих каналов К1…К6. Кроме того, последовательные прорези 15, разнесенные друг от друга в направлении 9 потока, могут быть смещены перпендикулярно относительно направления потока 9 и/или могут иметь разную длину 28, таким образом, соединяя различные каналы К1…К6.

На фиг. 6L подробно изображен разрез по линии С-С на фиг. 4С, при этом первый слой 2 содержит пористую конструкцию 2d, через которую течет горючий газ 9. В отличие от первого газораспределительного элемента 10, изображенного на фиг. 6F, содержащего каналы К1…К6, газовый поток лучше диффундирует в пористом слое, изображенном на фиг. 6L, таким образом, потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, изображенные на фиг. 6L, демонстрируют только расход потока топлива (значение величины), протекающего в направлении 9 потока. Эффект второго слоя 3, гомогенизирующего слоя, подобен эффекту, раскрытому на фиг. 6F, тем, что второй слой 3 вызывает обмен 9z по текучей среде между потоками 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, если потоки газа имеют разную газовую композицию. Таким образом, второй слой 3 обеспечивает однородность скорости потока различных потоков 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа в пористой конструкции первого слоя 2. Таким образом, газовая композиция и полученный в результате диффузионный поток реагирующих веществ горючего газа F по всему блоку 5 катод-анод-электролит приходят в соответствие.

На фиг. 6K показан вариант осуществления согласно фиг. 6L, но без второго слоя 3. В отсутствие гомогенизирующего слоя 3 газовая композиция и полученный в результате диффузионный поток реагирующих веществ горючего газа F по всему блоку 5 катод-анод-электролит могут значительно варьировать в зависимости от сопротивления потока в пористом первом слое 2, аналогично эффекту, раскрытому на фиг. 6Е.

На фиг. 7А изображен схематический вид, демонстрирующий идеальные условия протекания горючего газа через газораспределительный слой блока 50 топливного элемента, при этом блок 50 топливного элемента в данном примере содержит двенадцать каналов 13, расположенных рядом друг с другом, и при этом стрелки указывают поток горючего газа в соответствующие каналы 13. Ось x системы координат демонстрирует поток в соответствующий канал 13 в основном направлении потока 9. Ось y демонстрирует номер канала из двенадцати каналов К1-К12, расположенных рядом друг с другом, как указано на фиг. 3. На фиг. 7D показан набор из десяти блоков 50 топливного элемента, при этом каждый блок 50 топливного элемента содержит двенадцать каналов 13, при этом номер канала, изображенный на фиг. 7А, 7В, соответствует каналу, как изображено в наборе топливных элементов по фиг. 7D. На фиг. 7В изображен схематический вид, демонстрирующий оптимальные реальные условия потока горючего газа через блок 50 топливного элемента, при этом, в связи с конструктивными компромиссными особенностями при распределении газа, поток горючего газа меньше в боковых каналах 1 и 12, расположенных рядом с корпусом, таким образом, скорость потока рядом с корпусом блока 50 топливного элемента имеет наименьшее значение.

На фиг. 7D представлен вид набора блоков 50 топливного элемента, при этом каждый блок 50 топливного элемента имеет идентичный поток в соответствии с условиями, показанными на фиг. 7В. Таким образом, средний поток F1-F10 каждого из десяти блоков 50 топливного элемента является одинаковым.

На фиг. 7С изображен схематический вид, демонстрирующий реальные условия потока горючего газа через блок топливного элемента согласно известному уровню техники, таким образом, очень неоднородное распределение скорости потока. Неоднородное распределение скорости потока возникает, например, в результате производственных допусков при изготовлении блока 50 топливного элемента. На фиг. 7С показано то же предусмотренное поле скоростей течения, как на фиг. 7В, но с важными отклонениями от предусмотренных в связи с, например, производственными допусками. Это является обычной проблемой в известном уровне техники. Отклонения отличаются среди различных распределительных элементов в зависимости от их изготовления. В изображенном на фиг. 7С примере канал, имеющий наименьшее течение газа, является каналом номер 5, но он может быть любым другим каналом в другом распределительном элементе. Это минимальное течение может привести к локальной нехватке топлива и следовательно к ограничениям производительности, к локальному перегреву набора топливных элементов, или даже к трещинам в материалах электролита, анода или катода, что вероятно приводит к повреждению блока 5 КАЭ и, возможно, к смешиванию топлива и окислителя и излишнему сгоранию, таким образом, к преждевременному серьезному повреждению набора или, по меньшей мере, его частей.

На фиг. 7Е изображен вид набора топливных элементов, содержащего десять блоков 50 топливного элемента, как изображено на фиг. 7С. Отдельные блоки 50 топливного элемента имеют случайные отклонения, при этом положение минимального потока через канал варьирует в разных блоках, таким образом, средняя скорость потока в каждом из блоков 50 топливного элемента, указанная длиной стрелок F1…F10, распределена случайным образом. Эти случайные отклонения имеют двойной эффект: во-первых, общий поток через блок топливного элемента варьирует среди блоков 50 в связи с различными сопротивлениями потока текучей среды, и, во-вторых, таким образом накопленное отклонение от среднего потока через канал (7А, идеальный случай) становится, следовательно, более важным. По этой причине в известном уровне техники должны быть введены компенсации путем корректирования входящего потока в коллектор топливного элемента, путем отсортировки порций блоков элемента с низким падением давления, путем увеличения технических условий для допусков или дополнительно путем уменьшения скорости преобразования топлива с целью снижения эксплуатационного риска. Все это имеет влияние на стоимость изготовления набора и на производительность системы. Кроме того, на фиг. 7Е показано, что в наборах топливных элементов в соответствии с известным уровнем техники, условия потока в соседних блоках 50 топливного элемента и, соответственно, условия потока в соседних газораспределительных элементах 10 могут значительно варьировать.

Моделирование и экспериментальная работа с твердооксидными топливными элементами показали, насколько важным для производительности и надежности топливных элементов являются однородность распределения топлива и расположение потоков. На фиг. 7А представлен такой идеальный случай для воздуха и топлива, протекающих в одном или противоположных направлениях. В связи с процессами изготовления часто требуются некоторые компромиссные решения, которые приводят к распределению газа, которое незначительно отличается от идеального случая, как показано на фиг. 7В. Самое последнее исследование включает изучение влияния допусков на изготовление или свойств неидеального компонента на производительность и надежность, таким образом, обеспечивая возможность оценки пригодности промышленных процессов или конкретных конструкций для требуемой производительности и надежности.

Работа, проведенная Cornu и Wuillemin (Impact of random geometric distortions on the performance and reliability of an SOFC (2011) Fuel Cells, 11 (4), pp. 553-564), демонстрирует, в частности, то, как качество распределения топлива зависит от допусков на глубину каналов в газораспределительных конструкциях. Глубина каналов, как правило, находится в диапазоне от 0,2 мм до 1-2 мм, а их ширина более часто варьирует от 1 до 2 мм. Глубина чаще находится в пределах 0,5 мм. В таких случаях изменения глубины, составляющие 0,05 мм, вокруг целевого значения уже имеют очень важное влияние на распределение потока. Пример такого отклонения приведен на фиг. 7С. Даже если изменения глубины в 0,05 могут быть достигнуты посредством соответствующих методик изготовления, расстояние между блоком 5 катод-анод-электролит и первым газораспределительным элементом 10 также могут варьировать в зависимости от контактных слоев, используемых между ними. Накопленные изменения глубины для эффективных секций канала, таким образом, сложно поддерживать в вышеуказанном диапазоне отклонений. Последнее, но не менее важное, контактирующие слои или каналы могут деформироваться с течением времени, что в любом случае приведет к слабому распределению топлива с течением времени.

Блоки 50 элемента расположены в наборе поверх друг друга, при этом дефекты отдельных элементов накапливаются, что приводит к еще более увеличенному отклонению потоков при работе, что показано в примере на фиг. 7Е.

Когда точно такое же количество топлива подвергается преобразованию во всех блоках 50 элемента набора топливных элементов, то получают общий текущий поток, так что области блоков 50 элемента, имеющие невысокий поток топлива, подвергаются риску нехватки топлива, когда преобразование топлива увеличивается. Когда требуется значительное преобразование для достижения высокой производительности, недостаточное преобразование топлива приводит к ограничениям производства или повреждению одного блока элемента в связи с нехваткой топлива.

Поскольку нет практически никакого знака для оператора о том, что часть набора топливных элементов испытывает нехватку, если только уже не слишком поздно, данный тип проблемы имеет большое значение с промышленной и операционной точек зрения.

На фиг. 8 представлено сечение нескольких последовательных блоков 50 топливного элемента, образующих набор 103 топливных элементов, при этом каждый блок 50 топливного элемента содержит блок 5 КАЭ и межблочное соединение 40, при этом межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4 в соответствии с вариантом осуществления, как показано на фиг. 4.

Таким образом, поперечное сечение топливных каналов 13 задано и определяется геометрией конструкции каналов первого слоя 2, а второй слой 3 представляет собой перфорированную пластину. Второй слой 3 представляет собой гомогенизирующий элемент. Любой необязательный дополнительный контактирующий слой, используемый между последним и блоком 5 катод-анод-электролит, не будет иметь никакого влияния на поток. Кроме того, геометрия углублений 15 на перфорированной пластине, втором слое 3, обеспечивает возможность осуществления обмена по текучей среде и смешивания текучей среды по пути текучей среды нескольких каналов 13, каналы 13, расположены рядом друг с другом вдоль пути топлива, следовательно, практически образуются изобары среди каналов в этих местоположениях и, следовательно, образуется подходящий средний поток среди каналов 13. Благодаря этому любое отклонение геометрии в любом канале 13 вдоль пути потока текучей среды горючего газа в первом газораспределительном элементе 10 корректируется путем обеспечения протекания горючего газа между соседними каналами 13, таким образом, применяется усредняющий эффект для гомогенизации соответствующего потока текучей среды горючего газа соответствующего реагирующего вещества.

На фиг. 8А представлен подробный вид в сечении фиг. 8, подробно демонстрирующий два газораспределительных элемента 10 с соответствующими опорными слоями 4. Один блок 5 катод-анод-электролит можно увидеть в середине фиг. 8А, тем самым опорный слой 4 контактирует с первым слоем 54 для контакта газа и диффузии газа на верхней части блока 5 катод-анод-электролит, и тем самым второй слой 3, гомогенизирующий слой, контактирует со вторым слоем 55 для контакта газа и диффузии газа на нижней части блока 5 катод-анод-электролит. Второй слой 3 обеспечивает первые прорези 15, проходящие над тремя каналами 13, для соединения по текучей среде трех каналов 13, так что обмен 9z по текучей среде обеспечивает однородность горючего газа F, входящего в блок 5 катод-анод-электролит.

Опорный слой 4 имеет гофрированную форму, которая позволяет разделение пути потока окисляющего средства О на два отдельных пути O1, O2 потока по каналам 20b, 20а, при этом пути O1 потока каналов 20b являющиеся окисляющим средством, обеспечивают блок 5 катод-анод-электролит окисляющим средством О3. Путь O2 потока каналов 20а служит в качестве средства для термообработки для охлаждения или нагрева базового слоя 1 и/или блока 5 катод-анод-электролит.

На фиг. 8В показано сечение схематического вида сбоку набора 103 топливных элементов, содержащего три блока 50 топливного элемента, при этом каждый содержит межблочное соединение 40 и блок 5 КАЭ, и каждое межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4. Окисляющее средство О подают на одну сторону всех вторых газораспределительных элементов 4, при этом окисляющее средство О затем разделяется с образованием двух отдельных путей O1, O2 потока вдоль вторых газораспределительных элементов 4, и два отдельных пути O1, O2 потока объединяются после выхода из второго газораспределительного элемента 4, и пути потока всех вторых газораспределительных элементов 4 также объединяются в один путь потока, который выходит из набора 103 топливных элементов. На фиг. 8В также изображен нагнетатель или компрессор 21, предназначенный для подачи окисляющего средства О, и температурные датчики 22а, 22b, предназначенные для измерения температуры окисляющего средства О, входящего/выходящего из межблочного соединения 40, соответственно. Нагнетатель или компрессор 21 и температурные датчики 22а, 22b соединены посредством кабелей 23 с блоком 23 управления, который показан лишь схематически. Могут быть расположены дополнительные температурные датчики или другие датчики или приводы и могут быть соединены с блоком 23 управления для управления работой набора топливных элементов.

На фиг. 8С показано сечение схематического вида сбоку дополнительного варианта осуществления набора 103 топливных элементов, содержащего три блока 50 топливного элемента, при этом каждый содержит межблочное соединение 40 и блок 5 КАЭ, и каждое межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4. Пути O1, 02 потока полностью разделены, и окисляющее средство О подают на одну сторону только каналов 20а, которые определяют путь O1 потока окисляющего средства. Текучая среда O4 для термообработки подается на одну сторону только каналов 20b, которые определяют путь O2 потока текучей среды для термообработки. Пути O1, O2 потока также выходят из второго газораспределительного элемента 4 в виде отдельных путей. На фиг. 8С также изображен нагнетатель или компрессор 21, предназначенный для подачи текучей среды O4 для термообработки, и температурные датчики 22а, 22b, предназначенные для измерения температуры пути O2 текучей среды для термообработки, входящего/выходящего из межблочного соединения 40 соответственно. Нагнетатель или компрессор 21 и температурные датчики 22а, 22b соединены посредством кабелей 23 с блоком 23 управления, который показан лишь схематически. Могут быть расположены дополнительные температурные датчики или другие датчики или приводы и могут быть соединены с блоком 23 управления для управления работой набора топливных элементов.

Набор 103 топливных элементов, изображенный на фиг. 8В или 8С, может приводиться в работу различными способами. Некоторые предпочтительные способы будут описаны далее более подробно.

Набор 103 топливных элементов может функционировать посредством способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки, при этом твердооксидный топливный элемент содержит

a) несколько блоков катод-анод-электролит и

b) металлическое межблочное соединение 40 между блоками 5 КАЭ, при этом межблочное соединение 40 содержит:

- первый газораспределительный элемент 10, содержащий газораспределительную конструкцию 11 для горючего газа, и

- второй газораспределительный элемент 4, содержащий каналы 20а для окисляющего средства и содержащий отдельные каналы 20b для текучей среды для термообработки,

при этом измеряют по меньшей мере первую и вторую контрольные температуры T1, Т2,

- первую температуру Т1, являющуюся температурой текучей среды для термообработки, входящей во второй газораспределительный элемент 4, или любой характерной температурой, измеренной на стороне впуска текучей среды для термообработки топливного элемента,

- и вторую температуру Т2, являющуюся температурой одной из температуры на выходе текучей среды для термообработки, выходящей из второго газораспределительного элемента 4, температуры набора топливных элементов или любой характерной температуры, измеренной на стороне выпуска текучей среды для термообработки топливного элемента, при этом количество текучей среды для термообработки, подаваемой на второй газораспределительный элемент 4, регулируется на основе разности температур между первой и второй температурами T1, Т2.

В предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки количество текучей среды для термообработки подается во второй газораспределительный элемент 4 и регулируется на основе максимальной, минимальной или номинальной разницы температур первой и второй температур T1, Т2.

В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки количество и температура Т1 текучей среды для термообработки, которая подается во второй газораспределительный элемент 4, регулируется таким образом, что первая и вторая контрольные температуры T1, Т2 поддерживаются в пределах определенных минимальных и максимальных значений.

В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента скорость потока окисляющего средства поддерживают выше стехиометрического потока, требуемого для электрохимической реакции таким образом, что парциальное давление кислорода окисляющего средства на выпуску каналов 20а составляет больше 5%, и предпочтительно больше 10% от общего давления окисляющего средства.

В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки окисляющее средство и текучая среда для термообработки циркулируют в строго отдельных путях O1, O2 потока.

В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидной электролитической ячейки текучая среда для термообработки нагревает второй газораспределительный элемент 4.

В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидной электролитической ячейки газ-носитель добавляют в путь O1 потока окисляющего средства для сбора образованного кислорода, тогда как скоростью потока газа-носителя управляют так, чтобы поддерживать содержание кислорода в газе-носителе, выходящем из межблочного соединения 40 в заданном диапазоне.

В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидной электролитической ячейки газ-носитель циркулирует и кислород извлекают из газа-носителя, выходящего из межблочного соединения 40, для отдельного сбора обогащенного кислородом газа.

В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидной электролитической ячейки чистый кислород отдельно собирают, когда он выходит из межблочного соединения (40).

На фиг. 4 показан блок 5 катод-анод-электролит, имеющий длину 3а и ширину 3d, которые определяют контактную поверхность 3с, посредством которой блок 5 катод-анод-электролит контактирует с вторым слоем 3. Второй слой 3 содержит такую же контактную поверхность 3с. Первые прорези 15 второго слоя 3 расположены в контактной поверхности 3с. В предпочтительном варианте осуществления общая площадь всех первых прорезей 15 составляет по меньшей мере 20% от общей площади прорезей 15, 6 и других, находящихся в поверхности 3с. Для обеспечения еще более равномерного распределения горючего газа по контактной поверхности 3с в более предпочтительном варианте осуществления общая площадь всех первых прорезей 15 составляет по меньшей мере 20% контактной поверхности 3с, и наиболее предпочтительно приблизительно 30% и наиболее предпочтительно между 40% и 50%.

В предпочтительном варианте осуществления блок 5 КАЭ имеет длину 3а вдоль направления потока 9 и имеет ширину (3b), при этом отношение длины 3а к ширине 3b предпочтительно составляет больше чем 1, более предпочтительно больше чем 1,5 и наиболее предпочтительно больше чем 2.

Описанные первые прорези 15 показаны с прямоугольной формой. Первые прорези 15 могут также иметь другие формы, например, эллиптическую форму. Второй слой 3 может также содержать несколько первых прорезей 15 различной формы, таких как, например, прямоугольные и эллиптические формы на одном втором слое 3.

Предпочтительным способом гомогенизации горючего газа в первом газораспределительном элементе 10 топливного элемента является то, что первый газораспределительный элемент 10 содержит первый слой 2, соединяющий впуск 2b топлива с выпуском 2 с топлива, при этом топливо течет в направлении потока 9 в первом слое 2, в частности, в линейном направлении, и первый газораспределительный элемент 10 содержит второй слой 3, содержащий первые прорези 15, при этом первые прорези 15 проходят в поперечном направлении относительно направления потока 9, при этом горючий газ, протекающий через первый слой 2, входит в первые прорези 15 так, что горючий газ гомогенизируется в первых прорезях 15, и при этом первые прорези 15 контактируют с блоком 5 катод-анод-электролит, так что горючий газ изнутри первых прорезей 15 поступает на блок 5 катод-анод-электролит.

В предпочтительном этапе способа, по меньшей мере, некоторое количество горючего газа, гомогенизированного в первых прорезях 15, течет обратно в первый слой 2.

В дополнительном предпочтительном этапе способа первый слой 2 содержит несколько каналов 13, расположенных рядом друг с другом и соединяющих впуск 2b топлива с выпуском 2c топлива, при этом первые прорези 15 проходят в поперечном направлении относительно каналов 13 и соединяют по текучей среде по меньшей мере два канала 13, расположенных рядом друг с другом, при этом горючий газ, протекающий через соответствующие каналы 13, входит в первую прорезь 15, так что горючий газ из соответствующих каналов 13 гомогенизируется в первой прорези 15.

В предпочтительном этапе способа, по меньшей мере, некоторое количество горючего газа, гомогенизированного в первых прорезях 15, течет обратно в соответствующие каналы 13 первого слоя 2 или обменивается между соответствующими каналами 13 первого слоя 2.

В предпочтительном этапе способа, по меньшей мере, некоторые первые прорези 15 проходят перпендикулярно к направлению потока 9, так что давление горючего газа в соответствующей первой прорези 15 выравнивается, так что давление горючего газа в нижерасположенном первом слое 2 или в нижерасположенных каналах 13 локально выравнивается.

Конструкция была реализована в виде двух вариантах реализации набора согласно документу US 7632586 В2 и была проверена при эксплуатации. Максимальное преобразование топлива 94% было достигнуто с производительностью, достигающей 61% с применением водорода в качестве топлива и 69% с применением метана. Это намного выше более ранних результатов, основанных на обработке потока реагирующего вещества, как описано в документе US 7632586 В2.

В связи с экзотермической реакцией в блоке топливного элемента, таким образом, требуется активное охлаждение блоков 50 топливного элемента, в частности, во время фазы перехода, которая в основном может быть достигнута посредством воздушного охлаждения, или посредством сочетания воздушного охлаждения и внутреннего охлаждения на стороне топлива посредством использования эндотермической реакции парового риформинга метана (SMR). Однако это устанавливает ограничение относительно типа систем с использованием метана, подвергнутого паровому риформингу, в качестве топлива.

Для ограничения температурных градиентов и избыточных разниц температур в блоке 5 КАЭ и в газораспределительных конструкциях требуется надлежащее распределение охлаждающего воздуха в блоке 50 элемента. Для ограничения разницы температур требуется большой избыток охлаждающего воздуха относительно количества, которое было бы необходимо для самой электрохимической реакции. Этот избыточный воздух подразумевает дополнительные потери в балансе установки, в частности, в связи с энергопотреблением нагнетателей воздуха. Однако эти потери могут быть снижены, в случае если падение давления в наборе является невысоким, то есть, если газораспределительная конструкция для воздуха в наборе имеет низкое сопротивление потоку воздуха. Таким образом, топливный элемент работает с номинальной разницей давлений между его впусками и выпусками потока окислителя, составляющей предпочтительно менее 50 мбар, соответственно 20, соответственно 10 мбар.

Проблема набора топливных элементов, которую следует устранить, заключается в локальных пиках температуры, возникающих на поверхности электрода, который обычно образует планарный слой. Если возникают такие локальные пики температур, кинетика реакции может быть изменена и может быть образована локальная горячая точка. Такая горячая точка является нежелательной, поскольку она влечет за собой высокое напряжение материалов, являясь причиной локального теплового расширения, которое может привести к тепловому напряжению, искривлению, изгибу или деформациям поврежденных материалов слоя. В связи с тем, что керамические материалы электродов или электролитов являются хрупкими, они могут быть подвержены образованию трещин и, в конечном итоге, разлому в случае, если они были подвергнуты существенным локальным колебаниям температуры. Вероятность появления такой горячей точки может быть значительно уменьшена путем увеличения потока охлаждающего воздуха и путем надлежащего проектирования воздухораспределительной конструкции, которая контактирует с блоком КАЭ и, следовательно, может служить в качестве теплорассеивающей конструкции.

Кроме того, температурные градиенты в блоке топливного элемента могут приводить к несоответствующему тепловому напряжению в других критических местоположениях, кроме как в блоке КАЭ, например, в уплотнениях, используемых вокруг элемента, и в топливных коллекторах, которые распределяют топливо по набору. Это может привести к отслаиванию уплотнений и неблагоприятным утечкам, которые могут привести к локальной или полной поломке блока КАЭ. Можно эксплуатировать топливный элемент с пониженными потоками воздуха, но результатом этого является достижение большей разницы температур между впуском и выпуском воздуха. Недостатком данной ситуации является то, что холодная сторона будет страдать от менее эффективных электрохимических реакций, поскольку большинство электрохимических процессов являются термоактивированными. Известно, что некоторые типы электродов, в частности некоторые материалы катода, будут сильнее разрушаться со временем в таких условиях. С другой стороны, более горячий конец топливного элемента будет подвергаться другим видам разрушения, которые являются термоактивированными, например, развитие окисных окалин на металлических частях.

Еще одним важным пунктом производительности топливного элемента является однородность температур перпендикулярно основному направлению 9 потока топлива. Это значит, что наборы, имеющие поток воздуха перпендикулярно потоку топлива (так называемая конфигурация поперечного потока), имеют существенную разницу температур перпендикулярно потоку топлива, что приводит к нехватке потребления топлива по элементу на более холодной стороне в связи с уменьшенными электрохимическими свойствами. Это приводит к невозможности эксплуатации набора при высоких скоростях преобразования топлива и, следовательно, к пониженной эффективности. Данная проблема может быть частично устранена путем использования плотных межблочных соединений для улучшения внутреннего теплообмена, но в ущерб весу и дополнительной стоимости.

Таким образом, предпочтительно осуществлять эксплуатацию топливного элемента с потоками топлива и воздуха, протекающими в параллельных или в противоположных направлениях. Тем не менее температурные градиенты могут возникать на боковых сторонах потока топлива, рядом с границами набора, в связи с теплообменом с остальной частью системы. Таким образом, в таких ситуациях может возникать подобная проблема ограничения производительности. Таким образом, представляет интерес эксплуатация топливного элемента с большим избытком воздуха, что может способствовать уменьшению таких видов градиентов. С той же целью, представляет интерес конструирование топливного элемента таким образом, что длина активной области элемента вдоль потока топлива больше, чем ширина, то есть имеет соотношение сторон больше одного. В предпочтительных конструкциях данное соотношение сторон больше чем 1,2, предпочтительно больше чем 1,5 и предпочтительно больше чем 2.

Таким образом, представляет интерес уменьшение температурных градиентов и разницы температур в блоке топливного элемента для повышения производительности и ограничения деградации.

Кроме того, при меньших потоках охладителя можно ожидать большую разницу температур между средней частью набора и его границами, например, первым и последним блоком топливного элемента. Это является нежелательным не только по термомеханическим причинам, но также в связи с тем, что электрохимические свойства будут варьировать в разных местоположениях, аналогично расположенных в наборе. Поскольку обычно в наборе должна быть соблюдена максимальная температура, например, для сохранения уплотнительных материалов некоторые части топливного элемента должны функционировать при более низких температурах, чем необходимо, что приводит к тому, что более холодные элементы будут функционировать с более низкой эффективностью и общая производительность будет снижена.

В заключение, динамическое регулирование топливного элемента улучшается при использовании больших потоков охладителя, поскольку могут быть получены более быстрые ответные реакции и улучшена регулируемость.

Однако одним недостатком применения избыточного воздуха является перемещение отравляющих соединений на воздушный электрод. Известно, что особенно летучий хром выделяется металлическими компонентами, расположенными выше по потоку от набора, и перемещается в набор воздушным потоком. Летучий хром имеет тенденцию к осаждению в воздушных электродах в результате электрохимической и химической реакций. В частности, летучий хром спонтанно реагирует со стронцием, содержащимся в электродах. Кроме того, он может быть электрохимически осажден в виде оксида хрома на контактной поверхности электрод/электрод, тем самым уменьшая количество областей реакции. Известно, что не только хром, но также кремний, сера и другие соединения также отрицательно влияют на срок службы воздушного электрода.

Таким образом, особенно предпочтительно было бы иметь возможность эксплуатировать топливный элемент с увеличенными потоками воздуха для однородной термообработки, в то же время с низким падением давления на потоке окислителя для снижения дополнительных потерь, и при этом только часть воздуха входит в контакт с воздушным электродом для предотвращения загрязнения.

Кроме того, было бы предпочтительным иметь возможность варьировать отношение между охлаждающим воздухом и реагирующим воздухом, например, для эксплуатации топливного элемента с оптимальной производительностью и сниженным загрязнением воздушного электрода.

В режиме электролиза может быть дополнительным преимуществом отделение обогащенного кислородом газа, полученного из реакции электролиза, от потока для термообработки, для обеспечения хранения обогащенного кислородом газа в качестве продукта реакции. В режиме электролиза поток для термообработки используется для нагрева набора, для предоставления тепла для эндотермической реакции электролиза при необходимости и, в конечном итоге, для отведения тепла в некоторых рабочих режимах, в которых весь процесс может стать экзотермическим. Данное разделение является также предпочтительным для будущих применений, в которых топливный элемент может быть обратимо использован в генераторном режиме и режиме электролиза, например, для хранения возобновляемой энергии во время максимального производства и дальнейшего повторного использования продуктов реакции в генераторном режиме, включая обогащенный кислородом газ в качестве окислителя.

На фиг. 9 показан первый вариант осуществления разделительного элемента газового потока, содержащего обходной проход 35 для текучей среды. Второй газораспределительный элемент 4 расположен между блоком 5 КАЭ и первым газораспределительным элементом 10, у которого показана только базовая пластина 1. Второй газораспределительный элемент 4 опирается на блок 5 катод-анод-электролит. Порядок или последовательность элементов может быть противоположной, кроме того, компоновка не должна быть горизонтальной, как показано на фиг. 9, она может быть вертикальной или расположена под углом к горизонтальной плоскости. Кроме того, каждый из базового слоя 1, второго газораспределительного элемента 4 и блока 5 катод-анод-электролит может быть частью плоского набора или может быть изогнут, например, для образования трубчатого набора. Базовый слой 1 обеспечивает газонепроницаемое уплотнение для газораспределительного элемента 10.

Таким образом, разделительный элемент газового потока для топливного элемента или электролизного устройства содержит второй газораспределительный элемент 4, который показан в варианте осуществления на фиг. 4. Второй газораспределительный элемент 4 имеет конфигурацию для потока текучей среды. Конфигурация потока текучей среды здесь показана в виде нескольких каналов 20 с прямоугольным поперечным сечением. Эти каналы представляют собой вариант осуществления прохода 20 для реагирующей текучей среды, что означает проход для окисляющего средства. На фиг. 9 второй газораспределительный элемент 4 содержит несколько таких проходов 20 для реагирующей текучей среды.

Блок 5 катод-анод-электролит состоит из первого электрода 51, второго электрода 53 и электролита 52, расположенного между первым и вторым электродами. Проход 20 для реагирующей текучей среды, который образован посредством конфигурации для потока текучей среды, открыт в направлении первого электрода 51. Таким образом, реагирующая текучая среда может непосредственно контактировать с поверхностью первого электрода 51. Боковой уплотнительный элемент 31 расположен на крае второго газораспределительного элемента 4. Как показано на фиг. 3, такой боковой уплотнительный элемент 31 обычно расположен вдоль стороны блока 5 КАЭ или второго газораспределительного элемента 4. Газораспределительная конструкция, образованная в виде обходного прохода 35 для текучей среды, образована между боковым уплотнительным элементом 31 и разделительным элементом 32 в виде стенки, предусмотренным в виде второй боковой стенки для обходного прохода 35 для текучей среды, для обеспечения отвода потока реагирующей текучей среды. Боковой уплотнительный элемент 31 обеспечивает то, что реагирующая текучая среда, в частности, воздух или другой газ, содержащий кислород, проходит только через проходы 20 для реагирующей текучей среды и обходные проходы 35 для текучей среды. Следует отметить, что на фиг. 9-16 показана только часть разделительного элемента газового потока, при этом оставшаяся его часть предпочтительно представляет собой зеркально симметричную копию части, показанной на фиг. 9-16.

Если устройство должно работать в качестве топливного элемента, первый электрод 51 является катодом, а второй электрод является анодом 53, и поток воздуха направляется в катод 51. Разделительный элемент газового потока может образовывать компонент блока топливного элемента.

Посредством обходных каналов 35 и разделительного элемента 32 может быть уменьшено загрязнение электрода, поскольку в электрод 51 направляется только поток газа, требуемый для осуществления электрохимической реакции. Любой избыточный поток газа может быть отведен через обходной канал 35, в частности, посредством разделительного элемента 32. Отведение может осуществлять функцию охлаждения, таким образом, отведенная текучая среда может быть использована в качестве охладительной текучей среды. Это достигается путем направления загрязненного газа через обходные каналы 35, так что загрязненные части потока газа могут протекать через каналы 35. Окисляющее средство, протекающее через второй газораспределительный элемент 4, разделяется на первую часть газового потока, входящую в непосредственный контакт с первым электродом 51, и вторую часть, образующую обходную текучую среду, например, для ограничения скорости осаждения загрязняющих веществ на первом электроде 51. Обходной проход 35 для текучей среды ограничен разделительным элементом 32 в виде стенки, уплотнительным элементом 31 и электролитом 52.

На фиг. 10 показан второй вариант осуществления разделительного элемента газового потока, в котором раскрыт второй газораспределительный элемент 4, который содержит несколько каналов 20b для текучей среды для термообработки и несколько каналов 20а для окисляющего средства, при этом каналы 20а разделены посредством разделительного элемента 34. Второй газораспределительный элемент 4 расположен между базовым слоем 1 и блоком 5 катод-анод-электролит, который состоит из первого электрода 51, второго электрода 53 и электролита 52.

В левом углу фиг. 10 изображен боковой конец разделительного элемента газового потока. Боковое уплотнение 31 предусмотрено для обеспечения газонепроницаемого уплотнения, так что реагирующая текучая среда может не выпускаться в окружающую среду. Кроме того, разделительный элемент 32 предусмотрен для обеспечения обходного прохода 35 для текучей среды для разделения реагирующей текучей среды на первую часть окисляющего средства, контактирующую с первым электродом 51, и вторую часть окисляющего средства, не контактирующую с первым электродом 51. Таким образом, избыток окисляющего средства отводится через обходной проход 35 для текучей среды. Таким образом, можно избежать ненужного загрязнения электрода.

Третья часть окисляющего средства может протекать через газораспределительные проходы 20b. Таким образом, третья часть окисляющего средства может быть использована в качестве охлаждающей текучей среды. Таким образом, любое тепло, образованное в результате электрохимической реакции, может быть отведено из блока 5 катод-анод-электролит, чтобы обеспечить стабильные условия реакции.

Может быть предусмотрен дополнительный обходной проход на стороне второго газораспределительного элемента 4, обращенной к базовому слою 1. Дополнительный обходной проход 35а ограничен внутренней поверхностью уплотнения 31, базовым слоем 1, самым крайним разделительным элементом 32 в виде стенки второго газораспределительного элемента 4 и разделительным элементом 34, образующим отделительный элемент.

На фиг. 10с показан дополнительный вариант осуществления, в котором дополнительный обходной канал 35g проходит вдоль бокового уплотнения 31, но снаружи бокового уплотнения 31. Предусмотрен проводящий канал 35f для текучей среды, соединяющий каналы 35, 35g. По меньшей мере один из дополнительных обходных каналов 35, 35g соединен с возможностью проведения текучей среды.

На фиг. 11 показан третий вариант осуществления разделительного элемента воздушного потока и на фиг. 12 показан четвертый вариант осуществления разделительного элемента воздушного потока. Варианты осуществления, показанные на фиг. 11 и фиг. 12, имеют такую же конфигурацию, как показано на фиг. 10 и, таким образом, ссылка выполнена на фиг. 10.

Согласно третьему и четвертому вариантам осуществления уплотнительный элемент 31 содержит обходной проход 35b для текучей среды. Обходной проход 35b для текучей среды может быть полностью встроен в уплотнительный элемент 31, как показано на фиг. 11. Альтернативно обходной проход 35b для текучей среды может быть ограничен базовым слоем 1 на верхней стороне и быть образован в виде канавки в уплотнительном элементе 31, как показано на фиг. 12. Обходной проход для текучей среды может быть вытравлен, выштампован или выдавлен в уплотнительном элементе 31.

На фиг. 13 показан пятый вариант осуществления разделительного элемента газового потока. Опять же, конфигурация разделительного элемента газового потока имеет те же элементы, что и фиг. 10-12. Однако согласно фиг. 13 базовый слой 1 содержит обходной проход 35b для текучей среды. Этот обходной проход 35b для текучей среды образован в виде канавки в базовом слое 1. Обходной проход 35b для текучей среды может быть вытравлен или выдавлен в базовом слое. На нижнем конце данный обходной проход 35b для текучей среды ограничен уплотнительным элементом 31.

На фиг. 14 показан шестой вариант осуществления разделительного элемента газового потока.

Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 14, несколько газораспределительных конструкций 36 предусмотрено в базовом слое 1. Эти газораспределительные конструкции 36 могут быть сконфигурированы в виде отделительных проходов для текучей среды, в частности, каналов 36 для потока газа. Проходы могут иметь форму труб круглого или прямоугольного поперечного сечения. Альтернативно базовый слой может содержать канавки. Может быть добавлен разделительный элемент, аналогичный разделительному элементу 34 варианта осуществления согласно фиг. 11, 12 или 13, который, однако, не показан на графических материалах.

На фиг. 15 и фиг. 5а показан седьмой вариант осуществления разделительного элемента газового потока. Второй газораспределительный элемент 4 согласно этому варианту осуществления имеет форму листа, имеющего гофрирование, то есть гофрированного листа. Это гофрирование образует конструкцию, состоящую из нескольких вершин и впадин. Открытое пространство над впадиной и открытое пространство под вершиной образуют проход 20 для окисляющего средства при контакте с электродом 51 и проход 36 для охлаждающей текучей среды при контакте с базовым слоем 1. Таким образом, гофрированный лист образует разделительный элемент 38. Разделительный элемент 38 содержит газораспределительную конструкцию 37, которая имеет первую поверхность 39, обращенную к блоку 5 катод-анод-электролит, с тем, чтобы образовать проход 20 для реагирующей текучей среды и вторую поверхность 39а, обращенную к базовому слою 1. Таким образом, образуется отделительный проход для текучей среды.

Отделительный проход для текучей среды используется для циркуляции охлаждающей текучей среды, в частности, охлаждающего воздуха. Самый крайний проход представляет собой обходной проход 35. Обходной проход 35 ограничен блоком 5 катод-анод-электролит, уплотнительным элементом 31 и разделительным элементом 32, который образован частью гофрированной впадины разделительного элемента 38. Согласно этому варианту осуществления разделительный элемент 32 и разделительный элемент 38 образованы как одно целое.

На фиг. 16 и 16а показан восьмой вариант осуществления разделительного элемента газового потока, который отличается от варианта осуществления, как показано на фиг. 15 и 15а, тем, что часть 32 разделительного элемента разделительного элемента 38 обеспечивает поддержку уплотнительного элемента 31. Дополнительный обходной проход 35 образован впадиной, образующей часть 32 разделительного элемента. Размер проходов, образующих проходы 20 для реагирующей текучей среды или отделительные проходы 37 для текучей среды, или обходные проходы 35 для текучей среды, может варьировать, таким образом, форма гофрирования может варьировать, так же как и поперечное сечение отдельных проходов, образованных любой из вершин или впадин. Разделительный элемент газового потока согласно любому из предыдущих вариантов осуществления может содержать газораспределительный элемент 10, содержащий первый слой 2 и второй слой 3. Первый слой 2 и второй слой 3 имеют конфигурацию для потока текучей среды, и второй слой 3 представляет собой гомогенизирующий элемент, который содержит прорези 6, которые имеют длину 7 и ширину 8. Длина 7 больше, чем ширина 8, и ширина 8 проходит в поперечном направления относительно основного направления потока 9 текучей среды, как показано на фиг. 2-8. Базовый слой 1 разделяет газораспределительный элемент 10 от второго газораспределительного элемента 4. Топливный элемент или электролизное устройство может содержать разделительный элемент газового потока согласно любому из предыдущих вариантов осуществления.

На фиг. 16b показан твердооксидный топливный элемент или твердооксидная электролитическая ячейка, содержащий

a) несколько блоков 5 катод-анод-электролит, при этом каждый блок 5 КАЭ содержит:

- первый электрод 51 для окисляющего средства,

- второй электрод 53 для горючего газа, не показанный,

- и твердый электролит 52 между первым электродом 51 и вторым электродом 53, и

b) межблочное соединение 40 между блоками 5 КАЭ, при этом межблочное соединение 40 содержит:

- сторону 40а впуска окислителя и сторону 40b выпуска окислителя, определяющие направление 40с потока окислителя потока окисляющего средства,

- первый газораспределительный элемент 10, содержащий внутри газораспределительную конструкцию для горючего газа, при этом первый газораспределительный элемент 10 находится в контакте со вторым электродом 53 блока 5 КАЭ, и

- второй газораспределительный элемент 4, содержащий каналы 20 для окисляющего средства, при этом каналы соединяют сторону 40а впуска окислителя со стороной 40b выпуска окислителя, при этом каналы 20 для окисляющего средства находятся в контакте с первым электродом 51 соседнего блока 5 КАЭ, и

- по меньшей мере один обходной канал 35 для потока окислителя, проходящий в направлении 40а потока окислителя и расположенный так, чтобы обходной канал 35 не находился в контакте с первым электродом 51. Уплотнительный материал 200 выделяет загрязняющие вещества 201, так что образуется поток 202, содержащий загрязняющие вещества 201. Существует несколько мест 204, выделяющих загрязняющие вещества 201.

Изобретение относится к твердооксидному топливному элементу. Твердооксидный топливный элемент или твердооксидная электролитическая ячейка содержит несколько блоков катод-анод-электролит, при этом каждый блок КАЭ содержит первый электрод для окисляющего средства, второй электрод для горючего газа и твердый электролит между первым электродом и вторым электродом, и межблочное соединение между блоками КАЭ. Межблочное соединение содержит сторону впуска окислителя и сторону выпуска окислителя, первый газораспределительный элемент. Газораспределительный элемент находится в контакте со вторым электродом блока КАЭ. Сторона впуска окислителя и сторона выпуска окислителя определяют направление потока окислителя потока окисляющего средства, каналы проходят параллельно друг другу в направлении потока окислителя, и обходной канал проходит вдоль бокового уплотнения и проходит параллельно к каналам. Обходной канал находится в непосредственном контакте с боковым уплотнением. Изобретение позволяет получить более надежные и эффективные твердооксидные топливные элементы. 22 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Твердооксидный топливный элемент или твердооксидная электролитическая ячейка, содержащий:

a) несколько блоков (5) катод-анод-электролит, при этом каждый блок (5) КАЭ содержит:

- первый электрод (51) для окисляющего средства,

- второй электрод (53) для горючего газа,

- и твердый электролит (52) между первым электродом (51) и вторым электродом (52), и

b) межблочное соединение (40) между блоками (5) КАЭ, при этом межблочное соединение (40) содержит:

- сторону (40а) впуска окислителя и сторону (40b) выпуска окислителя,

- первый газораспределительный элемент (10), содержащий газораспределительную конструкцию (11) для горючего газа, при этом первый газораспределительный элемент (10) находится в контакте со вторым электродом (53) блока (5) КАЭ, и

- второй газораспределительный элемент (4), содержащий каналы (20) для окисляющего средства, при этом каналы (20) соединяют сторону (40а) впуска окислителя со стороной (40b) выпуска окислителя, при этом каналы (20) для окисляющего средства находятся в контакте с первым электродом (51) соседнего блока (5) КАЭ, и

- по меньшей мере один обходной канал (35) для потока окислителя, при этом обходной канал (35) проходит между боковым уплотнением (31) и первым электродом (51) так, чтобы обходной канал (35) не находился в контакте с первым электродом (51),

отличающийся тем, что

сторона (40а) впуска окислителя и сторона (40b) выпуска окислителя определяют направление (40 с) потока окислителя потока окисляющего средства,

каналы (20) проходят параллельно друг другу в направлении (40с) потока окислителя,

и обходной канал (35) проходит вдоль бокового уплотнения (31) и проходит параллельно к каналам (20), при этом обходной канал (35) находится в непосредственном контакте с боковым уплотнением (31).

2. Твердооксидный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что второй газораспределительный элемент (4) содержит разделительный элемент (32) для образования обходного канала (35) для разделения потока окисляющего средства на первую часть потока окисляющего средства, контактирующую с первым электродом (51), и вторую часть текучей среды окисляющего средства, не контактирующую с первым электродом (51).

3. Твердооксидный топливный элемент по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что боковое уплотнение (31) расположено на обеих сторонах блока (5) КАЭ и проходит в направлении (40с) потока окислителя.

4. Твердооксидный топливный элемент по п. 3, отличающийся тем, что боковое уплотнение (31) представляет собой наружную боковую стенку обходного канала (35).

5. Твердооксидный топливный элемент по п. 3, отличающийся тем, что дополнительный обходной канал (35а) проходит в боковом уплотнении (31).

6. Твердооксидный топливный элемент по п. 3, отличающийся тем, что дополнительный обходной канал (35а) проходит на контактной поверхности между боковым уплотнением (31) и по меньшей мере одним соседним первым газораспределительным элементом (10).

7. Твердооксидный топливный элемент по п. 3, отличающийся тем, что дополнительный обходной канал (35а), не контактирующий по текучей среде с первым электродом (51), проходит в направлении (40с) потока окисляющего средства и ограничен вторым газораспределительным элементом (4) в любом сочетании с боковым уплотнением (31) и/или одним из соседних первых газораспределительных элементов (10).

8. Твердооксидный топливный элемент по п. 3, отличающийся тем, что дополнительный обходной канал (35g) проходит вдоль бокового уплотнения (31), но снаружи бокового уплотнения (31).

9. Твердооксидный топливный элемент по п. 6, отличающийся тем, что обходной канал (35) и по меньшей мере один из дополнительных обходных каналов (35а, 35g) соединены с возможностью проведения текучей среды.

10. Твердооксидный топливный элемент по п. 1, при этом твердооксидный топливный элемент содержит уплотнения коллектора, и по меньшей мере один из обходных каналов (35, 35а, 35g) расположен ниже по потоку от уплотнений коллектора таким образом, что загрязняющие вещества, выделяющиеся из уплотнительных материалов, входят по меньшей мере в один из обходных каналов (35, 35а, 35g).

11. Твердооксидный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что второй газораспределительный элемент (4) содержит каналы (20b), которые находятся в контакте с первым газораспределительным элементом (10), так что окисляющее средство, протекающее со стороны (40а) впуска окислителя в сторону (40b) выпуска окислителя, разделяется на третью часть, которая протекает через каналы (20b), не контактируя с первым электродом (51) блока (5) КАЭ.

12. Твердооксидный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что второй газораспределительный элемент (4) представляет собой гофрированный металлический лист.

13. Твердооксидный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что разделительный элемент (32, 34, 38) имеет разделительный элемент (32) в виде стенки, так что газораспределительная конструкция (35) сконфигурирована в виде обходного прохода для текучей среды или отделительного элемента (34, 38), так что газораспределительная конструкция (33, 36, 37) сконфигурирована как отделительный проход для текучей среды.

14. Твердооксидный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что разделительный элемент (32, 34, 38) сконфигурирован как один из отделительного элемента (34, 38) с присоединенными газораспределительными конструкциями (33, 37) для распределения охлаждающей текучей среды или базового слоя со встроенными или присоединенными газораспределительными конструкциями (36) для распределения охлаждающей текучей среды.

15. Твердооксидный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что разделительный элемент (32, 34, 38) является по меньшей мере одним из, по меньшей мере, сплошного листового элемента, состоящего из кусков, или листового элемента, содержащего отверстия для частичного смешивания потоков.

16. Твердооксидный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент (31) предоставлен для уплотнения конфигурации для потока текучей среды второго газораспределительного элемента (4) из окружающей среды.

17. Твердооксидный топливный элемент по п. 16, отличающийся тем, что газораспределительная конструкция, образующая разделительный проход (35) для текучей среды, расположена в уплотнительном элементе (31) или рядом с уплотнительным элементом (31), или между уплотнительным элементом (31) и разделительным элементом (32, 34, 38) для второй части реагирующей текучей среды.

18. Твердооксидный топливный элемент по п. 17, отличающийся тем, что уплотнительный элемент (31) является боковым уплотнительным элементом, расположенным на крае второго газораспределительного элемента (4).

19. Твердооксидный топливный элемент по любому из пп. 14-18, отличающийся тем, что базовый слой (1) выполнен на стороне второго газораспределительного элемента (4), расположенного напротив блока (5) катод-анод-электролит.

20. Твердооксидный топливный элемент по п. 19, отличающийся тем, что базовый слой (1) содержит газораспределительную конструкцию (36), образующую проход для охлаждающей текучей среды.

21. Твердооксидный топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что разделительный элемент (32, 38) выполнен в виде гофрированного листа.

22. Твердооксидный топливный элемент по п. 21, отличающийся тем, что гофрированный лист обеспечивает поддержку уплотнительного элемента (31).

23. Твердооксидный топливный элемент по п. 21 или 22, отличающийся тем, что разделительный элемент (38) содержит газораспределительную конструкцию (37), которая имеет первую поверхность (39), обращенную к блоку (5) катод-анод-электролит, для образования прохода (20) для реагирующей текучей среды и вторую поверхность (40), обращенную к базовому слою (1), для образования отделительного прохода для текучей среды.