ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к улучшенному устройству батарейного узла топливных элементов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Технические решения в отношении топливных элементов, батарей топливных элементов, батарейных узлов топливных элементов и систем теплообменников, устройств и способов хорошо известны специалистам в данной области техники, и включают в себя, в частности, международные публикации WO02/35628, WO03/07582, WO2004/089848, WO2005/078843, WO2006/079800, WO 2006/106334, WO 2007/085863, WO 2007/110587, WO 2008/001119, WO 2008/003976, WO2008/015461, WO2008/053213, WO2008/104760, WO2008/132493, WO2009/090419, WO2010/020797, WO2010/061190 и WO2015/004419. Все процитированные здесь публикации и ссылки включены в настоящий документ целиком. Определения терминов, использованные в настоящем документе, при необходимости можно найти в указанных публикациях. В частности, настоящее изобретение предназначено для улучшения систем и способов, описанных в международных публикациях WO 2007/085863 и WO2008/104760.
Изменение температуры топливных элементов, запуск и выключение
Значительные проблемы, связанные с механическими, электрическими и термическими характеристиками возникают при проектировании батарей ТОТЭ (твердооксидных топливных элементов), в частности батарей СТ-ТОТЭ (среднетемпературных твердооксидных топливных элементов), которые должны работать эффективно в том, что качается запуска, динамической работы и выключения. Одна из особенностей всех батарей ТОТЭ заключается в том, что на их эксплуатационные характеристики влияет температура, при которой они работают, и, таким образом, на них может значительно сказываться температура окружающей среды, при которой они работают. Это главным образом связано с тем, что температура - это значимый фактор, определяющий скорость, при которой протекает электрохимическая реакция в ТОТЭ, и, таким образом, и выходное напряжение, ток и выход по току.
В планарной структуре батареи ТОТЭ батарея элементов, как правило, устроена в виде штабеля от одного конца батареи (например, от конца с базовой пластиной) до другого конца (например, до конца с концевой пластиной). В такой структуре на эксплуатационные характеристики слоев топливных элементов/батарей топливных элементов, расположенных с любого конца, влияет температура с концов батареи ТОТЭ. Для батареи ТОТЭ при работе обычной является температура, отличная от температуры окружающей среды. Плоское расположение топливных элементов в батарее топливных элементов означает, что для топливных элементов характерна рабочая температура, на которую влияет температура непосредственно смежных к ним слоев. Относительно большая теплоемкость базовой пластины и концевой пластины работает как термосток во время типичного запуска и как источник теплоты во время типичного выключения и приводит к более медленному динамическому термическому отклику, чем при работе топливных элементов. Таким образом, рабочая температура смежных топливных элементов, соответственно, снижается или возрастает.
При работе батарейного узла топливных элементов после запуска обычно батареи топливных элементов работают при более высокой температуре, чем смежные компоненты, и, таким образом, концевые и базовые пластины могут работать в качестве термостоков, снижая рабочую температуру концевых элементов батареи топливных элементов. Это может приводить к падению температуры нескольких слоев топливных элементов на концах батарей топливных элементов.
Таким образом, возможно, что температура рабочей среды в центре батареи топливных элементов будет отличаться от температуры топливных элементов на концах батареи топливных элементов.
Такой "концевой эффект" может привести к падению электрохимических рабочих характеристик топливных элементов (в частности, перепада напряжений) топливных элементов на концах батареи по сравнению с элементами, находящимися не на концах батареи. Это, в свою очередь, снижает общий КПД батареи.
Перепад температуры между топливными элементами в различных частях батареи топливных элементов (например, (a) сверху и снизу и (b) в центре) также может осложнить контроль температуры батареи, поскольку приводит к набору разных температур в отдельных топливных элементах внутри батареи топливных элементов. Таким образом, оптимизация температуры для обеспечения наилучшего КПД быть проблематичной.
В структуре ТОТЭ на основе металла, где слои металла являются эффективными проводниками электрического тока и термической энергии, такие концевые эффекты могут быть значительными. Так, например, в СТ-ТОТЭ может иметь место колебание рабочей температуры в 80°C между центральными элементами и концевыми элементами. Например, в батарее СТ-ТОТЭ на основе металла из 100 слоев с центральными элементами при стационарной работе разница температур между центральными элементами и концевыми элементами может привести к перепаду рабочего напряжения между центральными элементами и концевыми элементами, превышающему ~150 мВ (далее в экспериментах до 345 мВ).
В дополнение к разности температур между отдельными топливными элементами в батарее топливных элементах, вызывающая проблемы, связанные с напряжением и выходной мощностью батареи топливных элементов, также имеются проблемы в виде "тепловой инерции", когда удельная теплоемкость (т.е. тепловая мощность) компонентов батареи топливных элементов (например, базовой пластины и концевой пластины) приводит к наличию тепловой инерции и, таким образом, запаздыванию эксплуатационных характеристик топливных элементов, смежных к компонентам топливных элементов и топливных элементов внутри (например, в середине) батареи топливных элементов. Такая тепловая инерция препятствует быстрому запуску (и выключению и динамическим изменениям в процессе работы) и, таким образом, нежелательна, в особенности, например, в случае местных систем центрального отопления/теплоэлектростанций, для которых может потребоваться частое периодическое включение и выключение. Аналогичные проблемы возникают, например, в случае вспомогательных блоков питания и аварийных резервных генераторов, когда очень желателен быстрый запуск, поскольку он может снижать потребность в альтернативных источниках питания (например, аккумуляторах) и, таким образом, снижать стоимость комплектующей системы.
Тепловая инерция - это общепризнанная проблема батарей топливных элементов, которая обсуждается, например, в патенте США US2003/0211379, где предложено использовать легкие нажимные плиты батареи топливных элементов и токоприемники, а также теплоизолятор между токоотводом и нажимной пластиной. В международном патенте WO2013/164573 также отмечена проблема тепловой инерции в топливных элементах и предложено использовать высокомощный нагреватель для обеспечения одинаковой работы исходного и конечного топливного элемента без избыточной тепловой инерции. Добавление таких нагревателей требует введения дополнительных компонентов, дополнительных измерений и контроля, повышенных затрат и перепада в производительности системы, связанного с дополнительным потреблением мощности нагревателями.
Таким образом, очень желательно иметь такую структуру батареи, которая позволяла бы обеспечить более равномерную рабочую температуру элементов про высоте батареи, что должно приводить к более равномерному КПД элементов по всей батарее вне зависимости от положения элемента (например, от одного конца батареи до другого, например, от конца с базовой пластиной батареи до конца с концевой пластиной батареи) и, таким образом, к ослаблению связи (т.е. зависимости) между положением элемента и КПД элемента, в особенности при запуске и выключении батареи.
При снижении разницы в температурах между отдельными топливными элементами в батареях и, тем самым, меньшем изменении выходного электрического напряжения и/или мощности можно обеспечить более быстрые запуск и выключение батареи топливных элементов путем обеспечения более быстрого температурного баланса по всей батарее по мере разогрева батареи, работы в динамическом режиме и охлаждения без значительного влияния на КПД (в особенности стационарного КПД) или стоимость.
Другие публикации включают JPS62241267, JPH0722049, CA2428959, US2004265667, US2009148746, US2006110649, US2010233564, US2009004532, JP2007213882, JP2007250338, JP2008130350, JP2008226713, EP2426772, DE102007061061, JP2010073448, CN102468512, KR20130075992, EP2775557, JPH10228918 и US2003/215693.
Документ EP2426772 описывает структуру батарей топливных элементов с единственным пассивным слоем 86 с одного конца батареи, который предназначен (пара [0012]) для поглощения нагрузки и снижения ущерба в отношении сборки электролит-электрод других слоев батареи топливных элементов и улучшения термоизоляции активных слоев батареи от смежного риформера 16. Поток топлива через неактивный слой блокирован, и имеется пластина отбора мощности (фигура 8) от концевых пластин 88a, 88b. Примечательно, что неактивный слой включает неактивную систему электролит-электрод. Электрический ток к неактивной системе электролит-электрод и от нее осуществляется через поверхностный контакт между соответствующими металлами. Соответствующие металлические поверхности в значительной степени подвержены окислению и/или коррозии в течение срока службы продукта и, таким образом, имеет место значимое или значительное возрастание электрического сопротивления между ними. Поэтому во время срока службы продукта будет происходить значительный рост электрического сопротивления неактивного слоя, что приведет к снижению КПД и выходной мощности.
Настоящее изобретение предназначено для улучшения известного уровня техники и/или рассмотрения, преодоления или смягчения последствий по меньшей мере одного из недостатков известного уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением представлен батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ), включающая:
(i) базовую пластину;
(ii) по меньшей мере одну батарею среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, смонтированную на указанной базовой пластине;
(iii) концевую пластину; и
(iv) зажимы, выполненные с возможностью оказания сжимающей нагрузки на указанную по меньшей мере одну батарею топливных элементов между указанной базовой пластиной и указанной концевой пластиной,
у каждой батареи топливных элементов имеются первый и второй концы, где каждая батарея топливных элементов расположена между указанной базовой пластиной и указанной концевой пластиной и включает по меньшей мере один повторяющийся электрохимически активный слой батареи топливных элементов и по меньшей мере один из следующих признаков:
(a) по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов, расположенный между указанной базовой пластиной и указанным по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов; и
(b) по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов, расположенный между указанной концевой пластиной и указанным по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов;
каждый электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов включает металлическую подложку, слои анода, электролита и катода, смонтированные на указанной металлической подложке, и металлическую соединительную пластину и определяет путь потока окислителя от входного отверстия для окислителя до выходного отверстия для отработанного окислителя и путь потока топлива от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива,
каждый электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов изготовлен так, чтобы он был неспособен функционировать электрохимически, включал металлическую подложку и металлическую соединительную пластину и определял по меньшей мере один путь из указанных далее: путь потока окислителя от входного отверстия для окислителя до выходного отверстия для отработанного окислителя и путь потока топлива от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива.
Как более подробно обсуждается ниже, в предпочтительных вариантах осуществления каждый электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов дополнительно включает металлический разделитель, расположенный между указанным металлической подложкой и указанной металлической соединительной пластиной, а каждый электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов (a) дополнительно включает металлический разделитель, расположенный между указанным металлической подложкой и указанной металлической соединительной пластиной, и (b) определяет путь потока окислителя от входного отверстия для окислителя до выходного отверстия для отработанного окислителя. Более предпочтительно, каждый электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов не определяет путь потока топлива от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива.
Как правило, путь потока топлива в каждом электрохимически активном повторяющемся слое батареи топливных элементов проходит от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива через объем между металлической подложкой, металлической соединительной пластиной и любой металлической разделительной пластиной. Как правило, путь потока окислителя в каждом электрохимически активном повторяющемся слое батареи топливных элементов проходит от входного отверстия для окислителя до выходного отверстия для отработанного окислителя через объем между металлической подложкой и смежной пластиной, например, смежной металлической соединительной пластиной, например, смежного повторяющегося слоя батареи топливных элементов, или пластиной отбора мощности/конечный полюс.
Как правило, путь потока окислителя в каждом электрохимически неактивном повторяющемся слое батареи топливных элементов проходит от входного отверстия для окислителя до выходного отверстия для отработанного окислителя через объем между металлической подложкой и смежной пластиной, например, смежной металлической соединительной пластиной, например, смежного повторяющегося слоя батареи топливных элементов, или пластиной отбора мощности/конечным полюсом.
Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ) также можно называть батареей среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (СТ-ТОТЭ).
Как подробно описано ниже, настоящее изобретение обеспечивает очень значительное улучшение КПД: эксперименты показали улучшение приблизительно в 6% в общей выходной мощности без повышения уровня потребления топлива системой и значительное снижение в разности рабочих напряжений отдельных электрохимически активных повторяющихся слоев батарей топливных элементов. Этот уменьшенный диапазон напряжений означает, что облегчается контроль напряжения батареи топливных элементов. Известно, что предпочтительно не использовать твердооксидные топливные элементы ниже заданного (безопасного) рабочего напряжения элемента для предотвращения повреждения элемента. Довольно часто минимальное рабочее напряжение на батарее для каждого активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов устанавливают в диапазоне 650-750 мВ. Предпочтительно использовать более высокое напряжение на элементе для повышения эффективности системы. Если, как в случае с батареей топливных элементов, содержащей электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов, рабочее напряжение каждого повторяющегося слоя относительно одинаковое, то проще использовать такое напряжение на элементе, чтобы все элементы работали при напряжении на элементах больше минимального. В ином случае, когда имеется более значительная разница между рабочими напряжениями элементов при данном рабочем режиме батареи, для предотвращения повреждения батареи топливных элементов минимальное напряжение и, таким образом, мощность, которую может создавать батарея, ограничена нижним рабочим напряжением элементов. В приведенном ниже примере снижение отклонений в напряжении на элементах и получаемое в результате возрастание среднего напряжения на элементах означает, что от батареи можно отбирать на 6% большую мощность при том же рабочем режиме. В то время как это обеспечивает значительные преимущества в мощности для батарей того же размера, также возможно использовать это увеличение в мощности для снижения числа электрохимически активных топливных элементов (т.е. электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов), используемых в батарее для той же номинальной мощности батареи, что снижает стоимость батареи.
Выражение "неспособность выполнять электрохимические функции" (в контексте электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов) означает, что каждый электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов неспособен осуществлять предусмотренную электрохимическую реакцию в ТОТЭ в процессе работы батарейного узла топливных элементов. Предпочтительно он неспособен вырабатывать электричество непосредственно при окислении топлива путем электрохимической конверсии. Таким образом, слой (слои) можно описать как разработанный или адаптированный для обеспечения электрохимической неактивности, т.е. адаптированный или разработанный для обеспечения отсутствия электрохимический функций.
Каждый или по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов также можно называть "пассивным" или "буферным" слоем.
Базовые пластины или концевые пластины топливных элементов хорошо известны в данной области техники. Подходящие материалы для базовой пластины и концевой пластины включают сохраняющие жесткость во всем диапазоне рабочих температур батарейного узла топливных элементов. Для батареи СТ-ТОТЭ рабочая температура батареи, как правило, составляет 450-650°C. Материалы включают, без ограничения, нержавеющую сталь 3CR12.
Предпочтительно металлическая подложка и/или пластина (пластины) отбора мощности изготовлены из нержавеющей стали, более предпочтительно из ферритной нержавеющей стали.
Средства для зажима обеспечивают приложение усилия к базовой пластине, концевой пластине и по меньшей мере одной батарее топливных элементов. Подходящие средства для зажима включают, например, соединительные болты/соединительные стержни/натяжные стержни, которые стягивают вместе базовую пластину и концевую пластину и, таким образом, прилагают сжимающее усилие к компонентам между ними, т.е. по меньшей мере к одной батарее топливных элементов. Таким образом, также можно сказать, что оказывается сжимающее усилие на компоненты между базовой пластиной и концевой пластиной, т.е. по меньшей мере на одну батарею среднетемпературных твердооксидных топливных элементов. Средства зажима хорошо известны в данной области техники и включают описанные, например, в международном патенте WO2007/085863. Другие средства зажима очевидны для экспертов в данной области техники.
Соединительные стержни изготавливают из материалов, которые химически, механически и термически стабильны во всем указанном рабочем диапазоне и в указанной рабочей среде. В некоторых случаях может быть желательно использовать электроизолирующее покрытие на поверхности для предотвращения роста оксида и закорачивания на окружающие металлические части активных и неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов.
Каждая батарея топливных элементов определяет первый и второй концы, т.е. противоположные концы батареи топливных элементов. Таким образом, первый конец батареи топливных элементов может быть концом, смежным или ближайшим к базовой пластине, а второй конец может быть концом, смежным или ближайшим к концевой пластине.
Каждая батарея топливных элементов смонтирована между базовой пластиной и концевой пластиной. Как подробно описано ниже, дополнительные компоненты могут быть расположены между базовой пластиной и батареей топливных элементов и между концевой пластиной и батареей топливных элементов. Такие компоненты включают, без ограничения, электроизолирующие прокладки, теплоизолирующие прокладки, соединительные пластины, конечные полюса, монополи и пластины отбора мощности. Таким образом, базовая пластина и концевая пластина необязательно должны напрямую контактировать через по меньшей мере одну батарею топливных элементов. В присутствии дополнительных компонентов между базовой пластиной и по меньшей мере одной батареей топливных элементов и между концевой пластиной и по меньшей мере одной батареей топливных элементов, базовую пластину и концевую пластину можно рассматривать как ближайшую, расположенную рядом или смежную по меньшей мере с одной батареей топливных элементов. Таким образом, предпочтительно батарейный узел среднетемпературных топливных элементов включает теплоизолирующую и электроизолирующую прокладку, расположенную между по меньшей мере одним соединением из указанной базовой пластины и указанной по меньшей мере одной батареей топливных элементов и между указанной концевой пластиной и указанной по меньшей мере одной батареей топливных элементов.
Таким образом, предпочтительно электрически изолировать базовую пластину и концевую пластину от по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов. Предпочтительно электрически изолировать базовую пластину и концевую пластину от по меньшей мере одной батареи среднетемпературных твердооксидных топливных элементов. Электрическая изоляция базовой пластины и концевой пластины от по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов обеспечивает важное преимущество в отношении безопасности, заключающееся в том, что комплектующие части батарейного узла топливных элементов, с которыми наиболее часто контактируют люди во время эксплуатации или тестирования, электрически изолированы от батареи топливных элементов, и это простой способ предотвращения контакта между другими электропроводными компонентами и электропроводными базовой пластиной или концевой пластиной, который эффективно обеспечивает безопасное заземление таких компонентов в продукте.
Расположение электрохимически активных повторяющихся слоев батарей топливных элементов и электрохимически неактивных повторяющихся слоев батарей топливных элементов влечет за собой три возможности:
1. Базовая пластина
По меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов
По меньшей мере один электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов
По меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов
Концевая пластина
2. Базовая пластина
По меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов
По меньшей мере один электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов
Концевая пластина
3. Базовая пластина
По меньшей мере один электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов
По меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов
Концевая пластина
Наиболее предпочтителен вариант 1.
Так, каждая батарея топливных элементов включает по меньшей мере один электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов, а также одновременно:
(a) по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов, расположенный между указанной базовой пластиной и указанным по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов; и
(b) по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов, расположенный между указанной концевой пластиной и указанным по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов;
Более предпочтительно каждая батарея топливных элементов включает расположенные в направлении от указанной базовой пластины до указанной концевой пластины:
(A) первый по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов;
(B) указанный по меньшей мере один электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов; и
(C) второй по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов.
Предпочтительно по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов приспособлен для блокировки потока топлива через анодную сторону топливного элемента. Как показано ниже в конкретных вариантах осуществления изобретения, в некоторых вариантах осуществления это может быть вызвано (например, осуществлено) блокировкой на пути потока через электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов от входного отверстия для топлива к выходному отверстию для отработанного топлива, т.е. электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов может включать входное отверстие для топлива и/или выходное отверстие для отработанного топлива, но поток от этого входного отверстия и/или выходного отверстия через анодную сторону электрохимически неактивного повторяющегося слоя топливного элемента. Например, такая блокировка может существовать около или непосредственно рядом с входным отверстием для топлива в направлении электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов. Таким образом, в таких вариантах осуществления топливо может проходить через распределительную систему от электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов к смежному повторяющемуся слою батареи топливных элементов. Таким образом, топливо может попадать в батарею топливных элементов на дне, проходить через распределительную систему по меньшей мере через один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов и поступать в по меньшей мере один электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов. Аналогично, такая блокировка может существовать около или непосредственно рядом с выходным отверстием для топлива в направлении электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов.
Предпочтительно входные отверстия в повторяющихся слоях батарей топливных элементов - это часть распределительной системы входных отверстий для топлива, который определяет путь потока текучей среды от входного отверстия батареи топливных элементов до каждого из входных отверстий повторяющихся слоев батарей топливных элементов. Предпочтительно выходные отверстия для отработанного топлива в повторяющихся слоях батарей топливных элементов - это часть распределительной системы выходных отверстий для отработанного топлива, который определяет путь потока текучей среды от каждого из выходных отверстий для отработанного топлива в каждом из повторяющихся слоев батарей топливных элементов к выходным отверстиям для отработанного топлива в батареях топливных элементов. Таким образом, путь потока текучей среды можно определить от входного отверстия для топлива в батарее топливных элементов к водным отверстиям для топлива в повторяющихся слоях батареи топливных элементов через распределительную систему входных отверстий для топлива, через анодную сторону повторяющихся слоев батареи топливных элементов (где такой поток текучей среды не блокирован) к выходным отверстиям для отработанного топлива для повторяющихся слоев батареи топливных элементов, выходному отверстию для отработанного топлива в батарее топливных элементов через распределительную систему выходных отверстий для отработанного топлива.
Предпочтительно входное отверстие для окислителя в повторных слоях батареи топливных элементов - это открытая распределительная система. В ином случае они могут быть частью распределительной системы входных отверстий для окислителя, которая определяет путь потока текучей среды от входного отверстия для окислителя в батарее топливных элементов до каждого из входных отверстий для окислителя в повторяющихся слоях батареи топливных элементов. Предпочтительно выходные отверстия для отработанного окислителя в повторяющихся слоях батарей топливных элементов - это часть системы выходных отверстий для отработанного окислителя, которая определяет путь потока текучей среды от каждого из выходных отверстий для отработанного окислителя в каждом из повторяющихся слоев батарей топливных элементов к выходным отверстиям для отработанного окислителя в батареях топливных элементов. Таким образом, для открытой распределительной системы входных отверстий для окислителя путь потока топлива можно определить от входных отверстий повторяющихся слоев батарей топливных элементов (т.е. открытой распределительной системы входных отверстий для окислителя), через катодную сторону повторяющихся слоев батарей топливных элементов (где такой поток текучей среды не блокирован) к выходным отверстиям для отработанного окислителя в повторяющихся слоях батарей топливных элементов, к выходным отверстиям для отработанного окислителя батареи топливных элементов через распределительную систему выходных отверстий для отработанного окислителя. В ином случае, для системы с внутренней распределительной системой входных отверстий для окислителя путь потока текучей среды можно определить от входного отверстия для окислителя в батарее топливных элементов к входным отверстиям для окислителя в повторяющихся слоях батарей топливных элементов через распределительную систему входных отверстий для окислителя, через катодную сторону повторяющихся слоев батарей топливных элементов (где такой поток текучей среды не блокирован) к выходным отверстиям для отработанного окислителя в повторяющихся слоях батарей топливных элементов, к выходному отверстию для отработанного окислителя для батареи топливных элементов через распределительную систему выходных отверстий для отработанного окислителя.
Предпочтительно повторные слои батареи топливных элементов определяют распределительную систему входных отверстий для топлива, распределительную систему для выходных отверстий для отработанного топлива, распределительную систему (распределительные системы) входных отверстий для окислителя (открытую распределительную систему или внутреннюю распределительную систему) и распределительную систему выходных отверстий для отработанного окислителя.
Таким образом, в вариантах осуществления, в которых поток текучей среды через анодную сторону электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов блокирован, поток текучей среды может быть невозможен от (a) выходного отверстия для отработанного топлива или распределительной системы выходных отверстий для отработанного топлива во внутренний объем/пустое пространство между соединительной пластиной и металлической подложкой (и любым металлическим разделителем) электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов или (b) входного отверстия для топлива или распределительной системы входных отверстий для топлива во внутренний объем/пустое пространство между соединительной пластиной и металлической подложкой (и любым металлическим разделителем) электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов.
Иными словами, в некоторых вариантах осуществления электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов может не включать входное отверстие для топлива. Таким образом, в таких вариантах осуществления поток топлива мимо электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов невозможен. В этом случае может быть так, что такой слой применяется в противоположном конце батареи у входного отверстия для топлива в батарее. Например, по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов в верхней части батареи может не включать входное отверстие для топлива. Таким образом, отсутствует поток топлива в такой слой (или слои за ним). Такие слои также могут не включать выходное отверстие для топлива, что предотвращает поток любого отработанного топлива в электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов.
В ином случае или в дополнение электрохимически неактивный пассивный слой батареи топливных элементов (по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов) может:
включать металлическую подложку топливного элемента, который не содержит пор и, таким образом, предотвращает поток топлива через металлическую подложку топливного элемента, например, к смонтированной на нем структуре анод-электролит-катод; и/или
включать металлическую подложку топливного элемента, который не содержит смонтированной на нем структуры анод-электролит-катод.
Предпочтительно по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливного элемента (например, все электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов) включает стабильный электропроводящий слой, смонтированный на указанной металлической подложке. Более предпочтительно он смонтирован непосредственно на указанной металлической подложке, т.е. без промежуточных слоев или материалов. "Стабильный" означает слой, который незначительно изменяет его химические или физические свойства в нормальных рабочих условиях. Более предпочтительно катодный слой смонтирован на указанной металлической подложке, более предпочтительно на непористой металлической подложке. Это особенно предпочтительно, поскольку катодный материал электропроводный (и используется на электрохимически активных повторяющихся слоях топливных элементов) и не подвержен значительным или существенным изменениям в окисленном состоянии в течение срока эксплуатации продукта, что означает, что он не демонстрирует значительного или значимого возрастания электрического сопротивления во время срока эксплуатации продукта. В ином случае стабильный электропроводный слой, смонтированный на указанной металлической подложке, может быть анодным слоем.
Как обсуждается выше, указанный материал катода электропроводный; такой электропроводный слой может также быть теплоизоляционным, т.е. буфером для термических эффектов. Могут быть использованы альтернативные материалы для указанного катода. Указанные альтернативные материалы могут быть электропроводными и материалами с низкой теплопроводностью.
В случае, когда контакт между электрохимически неактивными повторяющимися слоями батареи топливных элементов необязательно должен быть электропроводным (обсуждено ниже); электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов может включать электроизоляционный слой, смонтированный на указанной металлической подложке. Более предпочтительно он смонтирован непосредственно на указанной подложке, т.е. без промежуточных слоев или материалов. Таким образом, можно устранить электропроводность между неактивными слоями, т.е. неактивные слои могут быть электрически изолированы друг от друга. Такой электроизолирующий слой также может быть теплоизолирующим. Например, он может быть электроизолирующим, высокотемпературным прокладочным материалом.
В некоторых вариантах осуществления входное отверстие для топлива в первом наборе электрохимически неактивных повторяющихся слоях батареи топливных элементов (т.е. первый по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов, расположенный между входным отверстием для топлива в батарейном узле топливных элементов, как правило у базовой пластины, и набором электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов) расположено так, чтобы поток топлива был противоположен направлению потока окислителя с другой стороны повторяющегося слоя. Такой первый набор электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов может быть соединен так, что топливо, поступающее через выходное отверстие для отработанного топлива от неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов, подается на входное отверстие для топлива в наборе электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов. Таким образом, подложка в таком первом наборе электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов может работать как противоточный теплообменник между потоками топлива и окислителя. В батареях ТОТЭ обычно предварительно нагревать топливный газ до попадания топлива в батарею топливных элементов, и, таким образом, при его протекании через неактивный слой он может нагревать неактивные слои и дополнительно подавлять термические эффекты со стороны базовой пластины и концевой пластины.
По меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов между концевой пластиной и по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов можно рассматривать как находящийся между первым концом по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов и базовой пластиной. Конец по меньшей мере одного электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов вдали от по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов (т.е. вблизи от базовой пластины) можно рассматривать как определяющий первый конец батареи топливных элементов.
В случае, когда отсутствует по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов между базовой пластиной и по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов, конец по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов рядом с базовой пластиной можно рассматривать как определяющий первый конец батареи топливных элементов.
По меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов между концевой пластиной и по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов можно рассматривать как находящийся между вторым концом по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов и концевой пластиной. Конец по меньшей мере одного электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов вдали от по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов (т.е. вблизи от концевой пластины) можно рассматривать как определяющий второй конец батареи топливных элементов.
В случае когда отсутствует по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов между концевой пластиной и по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов, конец по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов рядом с концевой пластиной можно рассматривать как определяющий второй конец батареи топливных элементов.
Как подробно описано выше, каждый электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов включает металлическую подложку, слои анода, электролита и катода на металлической подложке и металлическую соединительную пластину и содержит входное отверстие для окислителя, выходное отверстие для окислителя, входное отверстие для топлива и выходное отверстие для топлива; это определяет путь потока окислителя от входного отверстия для окислителя к выходному отверстию для окислителя и путь потока топлива от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для топлива. Электрохимически активные повторяющиеся слои батареи топливных элементов также можно обозначать как "электрохимически активные металлические повторяющиеся слои батарей топливных элементов".
Слои анода, электролита и катода в совокупности можно рассматривать как топливный элемент.
Предпочтительно слои анода, электролита и катода по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливного элемента имеют некоторую толщину. Более предпочтительно в случае, когда имеются многочисленные электрохимически активные повторяющиеся слои батареи топливных элементов эта толщина одна та же в каждом слое или колеблется в пределах ±20%, более предпочтительно ±10%, более предпочтительно ±5% от среднего значения. Контролируемая толщина топливного элемента предпочтительна, поскольку токосъемы с катодной стороны топливного элемента (которые собирают ток от катодного материала) могут быть изготовлены в предположении о конкретном заданном расстоянии между, например, соединительной пластиной смежного повторяющегося слоя батареи топливных элементов или пластиной отбора мощности/конечным полюсом.
Предпочтительно слои анода, электролита и катода по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов обладают толщиной между 50 и 200 мкм, более предпочтительно 80-150 мкм, более предпочтительно 90-100 мкм. Предпочтительно анодный слой обладает толщиной около 20 мкм, слой электролита обладает толщиной около 15 мкм, а катодный слой обладает толщиной около 65 мкм.
Предпочтительно входные отверстия для окислителя батареи топливных элементов образуют открытую распределительную систему. Предпочтительно выходные отверстия для отработанного окислителя образуют внутреннюю распределительную систему.
Предпочтительно входные отверстия батареи топливных элементов образуют внутреннюю распределительную систему. Предпочтительно выходные отверстия для отработанного топлива образуют внутреннюю распределительную систему.
Предпочтительно металлическая подложка образована из листа или фольги. Более предпочтительно металлическая подложка обычно плоская или планарная, более предпочтительно плоская. Это обеспечивает значительные технические преимущества в отношении, например, продуктов, в которых подложка обладает элементами, выступающими над ее поверхностью: формирование плоского/планарного металлической подложки - это простой и прямолинейный процесс, требующий всего лишь, например, вырезания фольги нужного размера, а также чтобы ее часть была перфорирована, например, при помощи лазерного сверления для получения металлической подложки с пористой областью, окруженной непористой областью. Напротив, металлические подложки с выступающими элементами требуют сложного многоэтапного формирования или штамповки. Например, формирование выступающего элемента путем штамповки неизбежно приводит к утончению металла с формированием выступа, что, в свою очередь, приводит к ослаблению металлической подложки у выступов и/или к использованию более толстого материала металлической подложки для устранения проблем, вызванных штамповкой, и это сказывается на увеличении затрат на материал и теплоемкости конечного продукта и, таким образом, приводит к ухудшению производительности.
Предпочтительно металлическая подложка электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов включает пористую область, окруженную непористой областью, слоями анода, электролита и катода, осажденными на пористую область. Таким образом, топливо, пропускаемое вдоль пути потока топлива, способно проходить через пористую область к анодному слою и способно взаимодействовать с анодом топливного элемента и слоями электролита. Прореагировавшие топливные газы способны возвращаться через пористую область.
Предпочтительно пористая область включает множество каналов/сплошных отверстий между (т.е. ограниченных) противоположенными гранями/поверхностями (т.е. между первой и второй гранями/поверхностями) металлической подложки.
В некоторых вариантах осуществления металлическая подложка электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов не включает пористую область, более предпочтительно не включает пористую область, окруженную непористой областью.
Предпочтительно каждый повторяющийся слой батареи топливных элементов в некоторых случаях дополнительно включает металлическую прокладку, расположенную между указанной металлической подложкой и указанной металлической соединительной пластиной. Прокладку также можно обозначать как коллекторный слой или коллекторную пластину. Как подробно описано в конкретных вариантах осуществления ниже, металлическая соединительная пластина, коллекторная пластина и металлическая подложка совместно могут ограничивать между собой пустое пространство и формировать путь потока топлива от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива. Само собой, другие структуры очевидны для экспертов в данной области техники.
В некоторых вариантах осуществления путь потока топлива не определен по меньшей мере в одном электрохимически неактивном повторяющемся слое батареи топливных элементов от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива. В таких вариантах осуществления либо отсутствует входное отверстие для топлива (или любое входное отверстие для топлива блокировано), так что в пустом пространстве нет путей потока топлива, или поток топлива может происходить в пустом пространстве от входного отверстия для топлива, но отсутствует выходное отверстие для топлива (отдельное от входного отверстия для топлива) или все выходные отверстия для топлива блокированы.
Металлический разделитель определяет пустое пространство между металлической подложкой и соединительной пластиной, причем плохая теплопроводность газа в пустом пространстве значительно снижает теплопроводность в данной точке, т.е. снижает теплопроводность в электрохимически неактивном повторяющемся слое батареи топливных элементов, и, таким образом, его можно рассматривать как обеспечивающий терморазрыв.
Терморазрыв также можно обозначить как "термический барьер", "термический буфер" или "термическую защиту".
Блокировку потока топлива можно легко обеспечить при помощи подходящей модификации коллекторной пластины топливного элемента. Таким образом, по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливного элемента может включать металлическую прокладку, которая должна блокировать поток топлива от указанного входного отверстия для топлива до указанного выходного отверстия для отработанного топлива. Другие компоненты повторяющегося слоя батареи топливных элементов (соединительная пластина, подложка и прокладки и т. д.) могут быть идентичны компонентам электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов. Таким образом, изготовление электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов можно легко осуществить простой заменой единственного компонента (коллекторной пластины). Другие стадии, такие как лазерное сверление металлической подложки и осаждение слоев анода, электролита и катода на металлическая подложка, также можно убрать, что приводит к простому, удобному и малозатратному способу изготовления компонентов, что обеспечивает значительное улучшение КПД батарейного узла топливных элементов.
Предпочтительно по меньшей мере одна электроизолирующая прокладка расположенная между каждым повторяющимся слоем батареи топливных элементов и смежным с ним повторяющимся слоем или слоями батареи топливных элементов. В ином случае или дополнительно предпочтительно каждый повторяющийся слой батареи топливных элементов дополнительно включает по меньшей мере одну электроизолирующую прокладку. Предпочтительно такая по меньшей мере одна электроизолирующая прокладка смонтирована на металлической подложке вдали от металлической соединительной пластины, т.е. на противоположном конце от металлической подложки от направленной в сторону металлической соединительной пластины. Прокладка также обеспечивает газонепроницаемость со стороны входного отверстия и выходного отверстия для топливного газа и со стороны выходного отверстия со стороны воздуха.
Таким образом, предпочтительно слои анода, электролита и катода смонтированы на первой поверхности металлической подложки, и по меньшей мере одна электроизолирующая прокладка смонтирована на той же стороне металлической подложки.
Таким образом, предпочтительно слои анода, электролита и катода смонтированы на первой поверхности металлической подложки, а металлическая соединительная пластина смонтирована, соединена или другим способом закреплена (предпочтительно сплавлена, например, приварена) на противоположном конце металлической подложки от анода, электролита и катодных слоев.
В ином случае или дополнительно предпочтительно каждый повторяющийся слой батареи топливных элементов, который содержит по меньшей мере один смежный повторяющийся слой батареи топливных элементов дополнительно включает электроизолирующую прокладку между ним и смежным повторяющимся слоем батареи топливных элементов.
Путь потока окислителя, как правило, сформирован между подложкой и металлической соединительной пластиной смежного повторяющегося слоя батареи топливных элементов или, в случае отсутствия смежного повторяющегося слоя батареи топливных элементов, дополнительной смежной металлической соединительной пластины. По меньшей мере одна электроизолирующая прокладка на металлической подложке или между металлической подложкой первого повторяющегося слоя и металлической соединительной пластиной смежного повторяющегося слоя разделяет их и таким образом определяет пустое пространство, требуемое для пути потока окислителя. Таким образом, путь потока окислителя определяется при соединении, сочленении, примыкании или размещении рядом компонентов.
Каждый электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов спроектирован так, чтобы он был неспособен осуществлять электрохимические функции. Предпочтительно каждый электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи повторяющихся топливных элементов содержит металлическая подложка и металлическую соединительную пластину и определяет путь потока окислителя от входного отверстия для окислителя до выходного отверстия для выработанного окислителя.
Предпочтительно по меньшей мере один (например, каждый) электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов сформирован так, что путь потока топлива от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива не определен. Например, особенность электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов может препятствовать (т.е. блокировать) потоку топлива от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива.
В ином случае по меньшей мере один (например, каждый) электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов сформирован так, что путь потока окислителя от входного отверстия для окислителя до выходного отверстия для отработанного окислителя не определен. Например, особенность электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов может препятствовать (т.е. блокировать) потоку окислителя от входного отверстия для окислителя до выходного отверстия для отработанного окислителя.
В ином случае по меньшей мере один (например, каждый) электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов может определять как путь потока окислителя от входного отверстия для окислителя до выходного отверстия для отработанного окислителя и путь потока топлива от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива, но в остальном может быть электрохимически неактивным. Например, электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов может включать слои анода, электролита и катода, смонтированные на металлической подложке, но могут не определять путь потока для топлива, проходящего через анодный слой.
В некоторых вариантах осуществления металлическая подложка по меньшей мере одного электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов не содержит пористой области. В ином случае или дополнительно в некоторых вариантах осуществления на металлической подложке по меньшей мере одного электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов не смонтированы слои анода, катода и/или электролита.
Число использованных электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов зависит от термической защиты, необходимой на концах с базовой пластиной и концевой пластиной по меньшей мере одной батареи топливных элементов. Например, для батареи на 1 кВт эксперименты подтвердили, что 2-4 таких слоя с каждого конца по меньшей мере одной батареи топливных элементов обеспечивает экономически выгодный результат минимизации перепада температур по всей высоте батареи. Это подробно описано далее в конкретных вариантах осуществления изобретения.
Таким образом, предпочтительно батарейный узел топливных элементов включает по меньшей мере один, два, три, четыре, пять или десять первых электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов. Предпочтительно батарейный узел топливных элементов включает по меньшей мере один, два, три, четыре, пять или десять вторых электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов.
Более предпочтительно батарейный узел топливных элементов включает два, три или четыре первых и вторых электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов.
Число использованных электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов зависит от требуемой выходной электрической мощности. Например, для батарейного узла топливных элементов с выходной мощностью 1 кВт батарея топливных элементов в настоящем изобретении может включать от 96 до 120 активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов в зависимости от активной площади поверхности и удельной мощности каждого топливного элемента, от 5-120 активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов, как правило, 70-110 слоев. Например, при условии 10-15 Вт на активный слой топливных элементов он может включать по меньшей мере 99, 100, 105, 110 или 115 электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов. Более предпочтительно он может включать от 99 до 115 или от 100 до 110 электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов. Более предпочтительно он может включать 99 электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов.
Приведенная здесь ссылка на выходную электрическую мощность батареи топливных элементов отличается от выходной электрической мощности системы топливных элементов и не включает мощность, потребляемую самой системой топливных элементов, например, для средств контроля и вентиляторов и т. д.
Предпочтительно батарея топливных элементов дополнительно включает первую и вторую пластины отбора мощности (отрицательная пластина отбора мощности и положительная пластина отбора мощности), также называемые конечными полюсами. Отрицательная пластина отбора мощности также называется "монополем", а положительная пластина отбора мощности также называется "конечным полюсом".
Само собой, конечные полюса находятся в электрическом контакте с по меньшей мере одним по меньшей мере одного электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов.
Первая пластина отбора мощности (т.е. первый конечный полюс) может быть расположена на первом конце батареи топливных элементов. Она может быть расположена между первым концом батареи топливных элементов и смежным концом (т.е. первым концом) набора электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов, т.е. между первым концом батареи топливных элементов и ближайшим электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов. Предпочтительно первая пластина отбора мощности расположена на первом конце набора электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов.
Вторая пластина отбора мощности (т.е. второй конечным полюс) может быть расположена на втором конце батареи топливных элементов. Она может быть расположена между вторым концом батареи топливных элементов и смежным концом (т.е. вторым концом) набора электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов, т.е. между вторым концом батареи топливных элементов и ближайшим электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов. Предпочтительно вторая пластина отбора мощности расположена на втором конце набора электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов.
Предпочтительно первая пластина отбора мощности (т.е. конечный полюс) расположена между электрохимически неактивным повторяющимся слоем батареи топливных элементов или их набором (т.е. первым по меньшей мере одним электрохимически неактивным повторяющимся слоем батареи топливных элементов) и набором электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов (т.е. по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов), например, на первом конце набора электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов. Предпочтительно вторая пластина отбора мощности расположена между электрохимически неактивным повторяющимся слоем батареи топливных элементов или их набором (т.е. вторым по меньшей мере одним электрохимически неактивным повторяющимся слоем батареи топливных элементов) и набором электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов, т.е. на втором конце набора электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов. Таким образом, общее электрическое сопротивление электрической цепи снижено, поскольку не требуется пропускать электрический ток через первый и второй набор электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов. Эта структура предпочтительна, поскольку она устраняет потерю мощности в результате прохождения тока в батарее через неактивные элементы.
Пропускание электрического тока через один и более электрохимически неактивных повторяющихся слоя батареи топливных элементов требует, чтобы электрический ток проходил через точки контакта между повторяющимися слоями батареи топливных элементов, и электрическое сопротивление особенно характерно, например, для оксидных слоев, образующихся на металлических контактных поверхностях.
Кроме того, отбор мощности от структуры батареи топливных элементов на базовой пластине и концевой пластине (т.е. концевых пластинах) приводит к риску отказа или схеме, обеспечивающей электропроводность по концам структуры батареи. В схеме батареи, в которой концевые пластины металлические и система отвода газов металлическая, любой отказ схемы приведет к немедленному короткому замыканию. Расположение конечных полюсов внутри схемы многослойной батареи (т.е. внутри по меньшей мере одной батареи топливных элементов):
(i) защищает схему батареи от некоторых видов отказа, которые бы привели к травмам физических лиц или отказу системы;
(ii) позволяет использовать электропроводный материал системы отвода газов (что снижает стоимость по сравнению с подходящими неэлектропроводными материалами для системы отвода газов); и
(iii) уменьшает связанные с наличием контактов электрические потери в схеме батареи.
В зависимости от расположения конечных полюсов не требуется электропроводности некоторых или всех контактов в неактивных слоях для обеспечения электрического контакта между конечными полюсами и по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов. Таким образом, в случае когда набор электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов включает ряд повторяющихся слоев, как только происходит отбор мощности (т.е. конечный полюс в направлении от по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов до по меньшей мере одного электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов достигнута), контакт между неактивными слоями необязательно должен быть электропроводным.
Предпочтительно электрические соединения предусмотрены между первой и второй пластинами отбора мощности (т.е. торцевые плиты) и внешняя цепь питания для батарейного узла среднетемпературных твердооксидных топливных элементов для обеспечения полезной электрической работы, т.е. нагрузки на данную сеть.
В определенных вариантах осуществления первая и вторая пластины отбора мощности (т.е. конечные полюсы) включают участки, продолжающиеся до базовой пластины и стыкующиеся с частями базовой пластины или ее выступами (например, охватываемые или охватывающие детали, патрубки, отверстия или гнезда), что обеспечивает генерирование электрического тока батареей топливных элементов, подаваемого в цепь электропитания. Само собой, при базовой пластине, изготовленной, как правило, из металла (т.е. электропроводной), и электропроводных первой и второй пластинах отбора мощности необходимо обеспечить электроизолирующие компоненты либо в базовой пластине, либо в первой и второй пластинах отбора мощности во избежание коротких замыканий с базовой пластиной и/или между пластинами отбора мощности, и подходящие компоненты очевидны экспертам в данной области техники.
Таким образом, предпочтительно батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов дополнительно включает по меньшей мере:
(a) конечный полюс, расположенный либо на указанном первом по меньшем мере одном электрохимически неактивном повторяющемся слое батареи топливных элементов, либо на указанном по меньшем мере одном электрохимически активном повторяющемся слое батареи топливных элементов, либо между ними; и
(b) конечный полюс, расположенный либо на указанном втором по меньшем мере одном электрохимически неактивном повторяющемся слое батареи топливных элементов, либо на указанном по меньшем мере одном электрохимически активном повторяющемся слое батареи топливных элементов, либо между ними.
Конечные полюса могут принимать ряд физических форм. Например, в некоторых вариантах осуществления они могут иметь форму физических пластин, отделенных/отличных от повторяющихся слоев батареи топливных элементов. В некоторых вариантах осуществления они могут быть электрическими разъемами, соединенными с повторяющимися слоями батареи топливных элементов, например, деталью, такой как рукав от повторяющегося слоя батареи топливных элементов, например, от металлической соединительной пластины повторяющегося слоя или металлической подложки. Само собой, могут быть использованы, по необходимости, различные формы конечных полюсов.
В некоторых вариантах осуществления пластины отбора мощности (т.е. конечного полюса) и/или электрические соединения между ними и внешняя цепь спроектированы так, что первый отбор мощности происходит через базовую пластину, а второй отбор мощности происходит через концевую пластину. Компоненты, отвечающие за гермоввод электропитания, могут быть предусмотрены по мере необходимости в соответствующих компонентах, например, в базовой пластине и в концевой пластине. Другие структуры/конфигурации отбора мощности очевидны для экспертов в данной области техники.
Таким образом, предпочтительно батарейный узел топливных элементов дополнительно включает первый и второй конечный полюс (т.е. пластины отбора мощности) в электрическом контакте с по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов, а базовая пластина и концевая пластина электрически изолированы от по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов. Предпочтительно конечные полюса находятся в физическом контакте или продолжаются от повторяющихся слоев батареи топливных элементов. Предпочтительно конечные полюса сплавляют с повторяющимися слоями батареи топливных элементов.
Предпочтительно по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов включает электропроводный материал, смонтированный на металлической подложке, предпочтительно в положении, соответствующем структуре анод-электролит-катод, смонтированной на металлической подложке по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов. Это также можно описать как катодную сторону или сторону окислителя, т.е. на пути потока текучей среды между входным отверстием для окислителя и выходным отверстием для отработанного окислителя.
Предпочтительно электропроводный материал электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов обладает низкой теплопроводностью.
Предпочтительно толщина электропроводного материала такая же, как и толщина слоев анода, электролита и катода электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов. Это означает, что такие же токосъемы можно использовать в по меньшей мере одном электрохимически неактивном повторяющемся слое батареи топливных элементов, что и в по меньшей мере одном электрохимически активном повторяющемся слое батареи топливных элементов. В то же время материал обеспечивает теплоизоляцию всего электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов, т.е. способствует термической защите/созданию терморазрыва.
Это позволяет обеспечить эффективную передачу сжимающего усилия через всю батарею топливных элементов (включая электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов), так чтобы достигался эффективный электрический контакт от электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов до электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов.
В некоторых вариантах осуществления электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов, в котором отсутствует пористая область в металлической подложке, электропроводный материал по меньшей мере одного электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов - это катодный материал. Катодный материал - это предпочтительно тот же катодный материал, что и использованный в электрохимически активном повторяющемся слое батареи топливных элементов; более предпочтительно тот же катодный насыпной материал, что и использованный в электрохимически активном повторяющемся слое батареи топливных элементов.
В альтернативных вариантах осуществления электропроводный материал по меньшей мере одного электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов - это слои анода, электролита и катода.
Как уже обсуждалось далее, в случае когда по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов включает пористый металлическая подложка топливного элемента, он также может включать указанный электропроводный материал со стороны электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов с низкой теплопроводностью и толщиной, равной толщине слоев анода, электролита и катода указанных электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов.
Предпочтительно металлические компоненты повторяющегося слоя батареи топливных элементов, находящиеся в электрическом контакте друг с другом, сплавлены вместе, например, сварены. Например, металлическая соединительная пластина и металлическая подложка повторяющихся слоев батареи топливных элементов могут быть сплавлены вместе, или же металлическая соединительная пластина, металлический разделитель и металлическая подложка могут быть сплавлены вместе. Таким образом, межповерхностные контактные омические потери между ними отсутствуют; поток электронов между ними прежде всего проходит через шов/спай.
Предпочтительно указанная по меньшей мере одна батарея среднетемпературных твердооксидных топливных элементов - это планарная батарея топливных элементов.
Предпочтительно батарейный узел топливных элементов дополнительно включает систему отвода газов, охватывающую по меньшей мере одну батарею среднетемпературных твердооксидных топливных элементов. Таким образом, предпочтительно указанный батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов дополнительно содержит колпак, определяющий объем системы отвода газов, включающей указанную по меньшей мере одну батарею среднетемпературных твердооксидных топливных элементов. Схемы систем отвода газов приведены, например, в международном патенте WO2008/104760. Предпочтительно объем системы отвода газов ограничен базовой пластиной, концевой пластиной и колпаком.
Предпочтительно колпак герметично закреплен на базовой пластине и определяет объем указанной системы отвода газов между базовой пластиной и колпаком. Предпочтительно колпак дополнительно герметично закреплен на концевой пластине и определяет объем указанной системы отвода газов между базовой пластиной, концевой пластиной и колпаком.
Предпочтительно базовая пластина и/или концевая пластина оснащены такими особенностями, как выступы или юбка по их периферии, на которых может быть закреплен, смонтирован или к которым может примыкать колпак, и формируется газовый затвор между колпаком и базовой пластиной (например, при помощи сварного спая для герметизации).
Предпочтительно колпак электропроводный. Более предпочтительно колпак - это металлический колпак. Это особенно полезно, поскольку это позволяет обеспечить простое и удобное закрепление базовой пластины на колпаке при помощи известных способов соединения металлов и герметизации, включая сварку. Это подчеркивает преимущество электроизоляции базовой пластины от по меньшей мере одной указанной выше батареи топливных элементов: если бы она не была электрически изолирована от по меньшей мере одной батареи топливных элементов, то было бы невозможно использовать металлический колпак, поскольку он бы находился в электрическом контакте с (находящейся под напряжением) по меньшей мере одной батареей топливных элементов и представляла бы значительную угрозу безопасности вследствие его большой открытой площади поверхности и риска прикосновения людей и контакта и закорачивания других компонентов. Даже в случае схемы, в которой либо базовая пластина, либо концевая пластина находятся под напряжением, тогда любой электропроводный компонент, контактирующий с деталью под напряжением, сам окажется под напряжением. При электроизоляции активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов от базовой пластины, концевой пластины и колпака, она, с одной стороны, защищает любое лицо, выполняющее ремонт или техобслуживание в отношении или рядом с рабочей батареей топливных элементов, а с другой стороны, обеспечивает простое заземление компонентов в продукте.
Предпочтительно базовая пластина и колпак предназначены для минимизации площади поверхности и объема базовой пластины внутри системы отвода газов и, таким образом, минимизации возможности теплопереноса между текучими средами в объеме между колпаком и базовой пластиной. Предпочтительно главным образом только верхняя поверхность базовой пластины находится внутри системы отвода газов. Предпочтительно боковые стенки базовой пластины не находятся внутри системы отвода газов, и поток текучей среды (т.е. поток газа) внутри системы отвода газа не распространяется на боковые стенки. Если не полностью подавляется поток текучей среды к боковым стенкам базовой пластины, тогда предпочтительно он ограничен или ограничен другим способом, например, близостью колпака к боковым стенкам базовой пластины.
Например, сварной спай для герметизации может быть выполнен между колпаком и базовой пластиной в месте, где колпак примыкает к выступу или юбке и т. д. базовой пластины. Такие юбка или выступ могут быть в нижней части базовой пластины, т.е. вдали от верхней поверхности, на которой смонтирована по меньшей мере одна батарея топливных элементов. При закрывающем колпаке вдоль боковой стенки базовой пластины может быть выполнен дополнительный сварной спай для герметизации между базовой пластиной и колпаком в сторону верхней поверхности базовой пластины, так, чтобы предотвратить поток газа между боковой стенкой базовой пластины и колпаком. В другом случае, может случиться так, что фрикционная посадка между базовой пластиной и колпаком будет считаться достаточной для предотвращения или минимизации потока газа между боковой стенкой базовой пластины и колпаком.
Та же схема может быть осуществлена в отношении концевой пластины для минимизации площади поверхности и объема базовой пластины внутри системы отвода газов и, таким образом, минимизации возможности теплопереноса между текучими средами в объеме между колпаком и базовой пластиной.
Результат этого заключается в том, что как базовая пластина, так и концевая пластина, таким образом, не "соприкасаются с" рабочей температурой в объеме системы отвода газа, и базовая пластина и концевая пластина находятся в целом в более прохладной окружающей среде. Это может способствовать повышению производительности батареи топливных элементов на всех стадиях, включая стационарное состояние, запуск и выключение.
В частности, такое снижение рабочей температуры частей базовой пластины и концевой пластины может быть особенно полезно в случае средств зажима. В случае, когда, например, средства зажима включают соединительные стержни, прикрепленные к базовой пластине и концевой пластине, соединительные стержни требуется только смонтировать на базовой пластине и концевой пластине. Таким образом, средства монтажа, такие как, например, винтовая нарезка, не испытывают более высокой рабочей температуры в объеме системы отвода газа и, таким образом, работают в более холодной среде. Эта более холодная среда может, например, быть при более низкой температуре, чем предел текучести материала соединительного стержня. Соединительные стержни могут быть разработаны так, чтобы работать термомеханически с той же скоростью расширения и сжатия, что и по меньшей мере одна батарея топливных элементов в направлении сбора; таким образом поддерживается натяжение соединительного стержня и, соответственно, сжатие по меньшей мере одной батареи топливных элементов, во всем рабочем диапазоне батарейного узла среднетемпературных твердооксидных топливных элементов.
При работе каждый повторяющийся слой батареи топливных элементов генерирует электрический ток, а также тепло. Как указано здесь, температура окружающей среды влияет на генерирование мощности элементов, и концевые активные элементы повторяющихся слоев обеспечивают меньшую температуру окружающей среды, чем элементы повторяющихся слоев в центре батареи.
Как описано выше, электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов приспособлены для обеспечения потока текучей среды окислителя (например, воздуха) и/или топлива через неактивные повторяющиеся слои, что обеспечивает поток тепловой энергии. При этом данные неактивные повторяющиеся слои действуют как тепловая защита (т.е. терморазрыв) в конце активных слоев.
Предпочтительно при запуске поступающие окислитель (воздух) и/или топливо проходят через подогреватель до попадания в батарейный узел топливных элементов, в результате чего подогретый воздух и/или топливо проходят вдоль пути (путей) потока текучей среды сквозь неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов, что, в свою очередь, приводит к их нагреванию и обеспечивает термическую защиту в конце электрохимически активных слоев.
Таким образом, предпочтительно батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов дополнительно включает подогреватель. Аналогично, может быть оборудован по меньшей мере один теплообменник для осуществления нагрева поступающего окислителя, и такой нагрев может производиться на любой стадии работы, т.е. при запуске, в стационарном режиме и/или при выключении. Подходящие подогреватели, теплообменники, горелки, горелки для отходящих газов, камеры сгорания и другие устройства хорошо известны в данной области техники и описаны, например, в международном патенте WO2008/104760.
Так, например, батарейный узел может дополнительно включать по меньшей мере один теплообменник, приспособленный или предназначенный для теплообмена между потоком отработанного глаза и входным потоком газа. Поток отработанного газа может быть, например, потоком отработанного окислителя, потоком отработанного топлива или отработанным потоком от горелки или камеры сгорания, например, отработанным потоком отработанных газов от горелки. Таким образом, по меньшей мере один теплообменник может быть расположен или установлен между входным отверстием для окислителя или топлива, например, и выходным отверстием для отработанного окислителя, выходным отверстием для отработанного топлива или выходным отверстием горелки.
Во время запуска электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов отделяют динамически теплоемкие элементы на основе металла от более теплоемкой концевой пластины, что обеспечивает более быстрый запуск. Таким образом, обеспечение наличия электрохимически неактивных слоев между электрохимически активными слоями и базовой пластиной/концевой пластиной способствует нарушению термической связи между ними, т.е. пропадает связь между большой теплоемкостью базовой пластины и концевой пластины с их соответствующей более высокой тепловой инерцией и низкой теплоемкостью топливных элементов и электрохимически активных повторяющихся слоев. В особенности эта ситуация имеет место в случае, когда имеется дополнительный источник тепла в форме тепла от подогревателя. Так, не только снижаются потери тепла от электрохимически активных повторяющихся слоев, смежных или ближайших к по меньшей мере одному электрохимически неактивному повторяющемуся слою батареи топливных элементов, но также подаваемый поток подогретого окислителя или топлива может дополнительно вызывать нагревание по меньшей мере одного электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов и, таким образом, нагревать смежные или ближайшие электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов.
Ослабление эффекта запаздывания теплоемкости базовой пластины и концевой пластины позволяет температуре электрохимически активных элементов быстрее превышать уровень, требуемый для обеспечения работы топливного элемента без повреждения материала топливного элемента или риска осаждения углерода или соответствующих взаимодействий с углеродом. Это может быть полезно в случае, когда требуется более быстрый запуск, или когда требуется значительный ступенчатый рост мощности. Тот же эффект компенсации может быть полезен при выключении, когда может потребоваться температура активных слоев топливных элементов ниже некоторой заданной температуры во избежание повреждения элемента.
Электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов также уменьшают общий охлаждающий эффект в батарее во время запуска и динамической работы, снижая разницу температур рабочей среды между активными повторяющимися слоями в центре батареи и слоями в конце батареи. Падение рабочей температуры активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов может влиять на эксплуатационные характеристики элемента, что можно измерить по снижению рабочего напряжения активных повторяющихся слоев. Как подробно описано ниже в экспериментах, в отсутствие пассивных слоев (электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов), разница может достигать 345 мВ, однако в присутствии пассивных слоев она может снизиться до значений менее 75 мВ.
Экспериментальные данные далее получены при помощи сравнительных батарей топливных элементов, содержащих 99 электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов: одной батареи без электрохимически неактивных повторяющихся слоев и одной батареи с тремя электрохимически неактивными повторяющимися слоями с каждого конца активной батареи. Для одинакового номинального стационарного рабочего режима с выходной мощностью 0.5 кВт батарея с электрохимически неактивными повторяющимися слоями демонстрировала (по сравнению с батареей без электрохимически активных повторяющихся слоев) демонстрировала на 6% большее среднее напряжение на батарее со значительным снижением стандартного отклонения напряжения на элементе от 70 до 8 мВ и падением напряжения на элементе, снизившимся от 345 до 71 мВ.
Как описано в конкретных вариантах осуществления ниже, батарейный узел топливных элементов в настоящем изобретении может обеспечивать прирост среднего напряжения в электрохимически активных повторяющихся слоях топливных элементов, повышенное максимальное напряжение, значительно повышенное минимальное напряжение и пониженное стандартное отклонение.
Предпочтительно батарейный узел топливных элементов включает по меньшей мере одну электроизолирующую (т.е. непроводящую) прокладку, расположенную между базовой пластиной и первым концом по меньшей мере одной батареи топливных элементов. Предпочтительно батарейный узел топливных элементов включает по меньшей мере одну электроизолирующую прокладку, расположенную между вторым концом по меньшей мере одной батареи топливных элементов и концевой пластиной.
Предпочтительно по меньшей мере одна электроизолирующая прокладка является теплоизолирующей. Предпочтительно по меньшей мере одна электроизолирующая прокладка является также газонепроницаемой прокладкой. Таким образом, предпочтительно по меньшей мере одна электроизолирующая прокладка - это электроизолирующая и теплоизолирующая газонепроницаемая прокладка.
Предпочтительно электроизолирующая прокладка химически стабильна, обладает низким или пренебрежимо малым дрейфом при температурах работы батареи (конкретнее в диапазоне температур от 450 до 650°C) и является теплоизолирующей, а также деформируемая и обеспечивает ограниченный допуск на размеры частей компонентов батареи топливных элементов.
В некоторых вариантах осуществления батарейный узел топливных элементов включает по меньшей мере две, три, четыре или пять электроизолирующих прокладок, расположенных между базовой пластиной и первым концом по меньшей мере одной батареи топливных элементов.
В некоторых вариантах осуществления батарейный узел топливных элементов включает по меньшей мере две, три, четыре или пять электроизолирующих прокладок, расположенных между вторым концом по меньшей мере одной батареи топливных элементов и концевой пластиной.
Подходящие материалы для электроизолирующих прокладок включают вермикулит и слюду, предпочтительно слюду. Поставщики включают компании Flexitallic (www.flexitallic.com; Flexitallic Ltd., Великобритания) и Garlock (www.garlock.com;.EnPro Industries, Inc., NC, США).
Предпочтительно концевая пластина обладает плоской поверхностью с одной стороны, повернутой к базовой пластине (т.е. в сторону повторяющихся слоев батареи топливных элементов). Предпочтительно концевая пластина спроектирована так, чтобы обеспечивать надежный, жесткий конец для осуществления сжатия.
В некоторых вариантах осуществления на базовой пластине монтируют многочисленные батареи топливных элементов, каждая из которых снабжена концевой пластиной. В некоторых вариантах осуществления на базовой пластине монтируют многочисленные батареи топливных элементов, обладающие общей концевой пластиной. В некоторых вариантах осуществления применяют смесь таких многочисленных батарей топливных элементов и концевых пластин.
Предпочтительно батарейный узел СТ-ТОТЭ дополнительно включает электрические соединения и электрическую нагрузку между по меньшей мере одним первым концом батареи топливных элементов и по меньшей мере одним вторым концом батареи топливных элементов, что составляет электрическую цепь. Например, электрические соединения и электрическая нагрузка могут находиться между пластинами отбора мощности (конечными полюсами).
Предпочтительно батарейный узел топливных элементов дополнительно включает один из следующих компонентов: составное уплотнение с топливной стороны, составное уплотнение со стороны окислителя, изоляцию батареи топливных элементов и электрические и регулировочные/контрольные соединения.
Используемый здесь термин "система батарейного узла топливных элементов" означает батарейный узел топливных элементов совместно с системной электроникой. Другие возможные компоненты включают риформер (если требуется риформинг поступающего топлива), систему утилизации воды, парогенератор, по меньшей мере один теплообменник, который в некоторых случаях может использовать фазовый переход одного из потоков в теплообменнике, системную электронику и устройства для контроля системы, теплоизоляцию, пусковую горелку, камеру сгорания отходящих газов и совмещенную горелку для запуска и для отходящих газов. Дополнительный компонент включает совмещенную горелку для запуска и отходящих газов. Другие дополнительные компоненты включают: по меньшей мере один вентилятор для окислителя, по меньшей мере один вентилятор для топлива, подогреватель для окислителя и подогреватель для топлива.
Предпочтительно батарейный узел топливных элементов, конкретнее по меньшей мере одна батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов , теплоизолирована от любого смежного риформера, горелки или камеры сгорания, например, пусковой горелки или камеры сгорания для отходящих газов. Конечно, будет происходить теплоперенос от таких компонентов путем потока текучей среды (газа), нагреваемого такими компонентами. Однако батарейный узел топливных элементов, конкретнее по меньшей мере одна батарея среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, может быть теплоизолирован для снижения прямого теплопереноса от них.
Таким образом, в соответствии настоящим изобретением представлена также система батарейного узла топливных элементов, включающая батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению.
В ином случае батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению может дополнительно включать по меньшей мере один из указанных компонентов системы батарейного узла топливных элементов.
Также в настоящем изобретении представлен способ работы батарейного узла среднетемпературных твердооксидных топливных элементов согласно настоящему изобретению, где данный метод включает стадии:
(a) подачи топлива и окислителя на соответствующие входные отверстия для топлива и окислителя в батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов; и
(b) функционирования указанной батарейного узла среднетемпературных твердооксидных топливных элементов для окисления указанного топлива указанным окислителем и генерирования электричества.
Предпочтительно указанный окислитель нагревается. Более предпочтительно указанный окислитель нагревается при запуске при помощи пусковой горелки, подогревателя или камеры сгорания.
Определения:
Термин "системная электроника" включает управляющую электронику и/или любую силовую электронику, которая может включать по меньшей мере одну электронную плату и/или устройство, помещенные в некоторых случаях вместе или по отдельности, внутри или рядом с батарейным узлом топливных элементов.
Термин "устройства для контроля системы" включает регулировочные клапаны и насосы для газа и текучих сред, воздуходувку и предохранительные устройства.
Если из контекста не следует иное, слова "включает", "содержит", "состоит из" и т. д. следует понимать во включительном, а не исчерпывающем смысле, т.е. в смысле "включает без ограничения". Данные термины не включают вариантов осуществления, в которых отсутствуют другие компоненты.
"Выходное отверстие для отработанного окислителя" и окислитель, проходящий через него, также можно называть "катодным отходящим газом". Аналогично "выходное отверстие для отработанного топлива" и проходящее через него отработанное топливо можно называть "анодным отходящим газом"
Конкретные и предпочтительные особенности изобретения представлены в сопутствующих независимых пунктах формулы изобретения. Сочетания признаков из зависимых пунктов формулы изобретения можно сочетать с признаками независимых пунктов формулы изобретения, при желании и при необходимости, и не только в виде, явно изложенном в формуле изобретения.
Достаточное раскрытие настоящего изобретения, включая его лучший режим, для экспертов в данной области техники более конкретно изложено в остальной части технического описания. Теперь будет подробно представлена ссылка на варианты осуществления настоящего изобретения, из которых один или более примеров приведены ниже. Каждый пример приведен для объяснения изобретения и не является ограничением изобретения. На чертежах:
На фиг. 1 показано изображение в разобранном виде батарейного узла топливных элементов;
На фиг. 2 показано изображение в разобранном виде батарейного узла топливных элементов с фиг. 1 совместно с колпаком;
На фиг. 3 показано изометрическое изображение сверху батарейного узла топливных элементов с фиг. 2;
На фиг. 4 показано изометрическое изображение снизу батарейного узла топливных элементов с фиг. 2;
На фиг. 5 показано изображение в разобранном виде электрохимически активного слоя батареи топливных элементов;
На фиг. 6 показано изображение в разобранном виде электрохимически неактивного слоя батареи топливных элементов;
На фиг. 7 показано изображение в разобранном виде альтернативного электрохимически неактивного слоя батареи топливных элементов;
На фиг. 8 показано изображение в разобранном виде батарейного узла топливных элементов согласно Варианту осуществления 3;
На фиг. 9 показано сравнение напряжений на элементах в батарее с 99 слоями (A) с тремя электрохимически неактивными "пассивными" повторяющимися слоями сверху и снизу от электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов и (B) без каких-либо электрохимически неактивных "пассивных" повторяющихся слоев сверху или снизу от электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов. По оси X отложен номер слоя элементов, а по оси Y - напряжение на ячейке (мВ). Толстая сплошная черная линия (начинающаяся примерно при 790 мВ) соответствует "с пассивными неактивными слоями". Толстая пунктирная черная линия (начинающаяся примерно при 600 мВ) соответствует "без пассивных неактивных слоев". Черная пунктирная линия (начинающаяся примерно при 180 мВ) -это "Разность". Тонкая сплошная черная линия (начинающаяся примерно при 840 мВ) соответствует "Среднему с пассивными неактивными слоями". Тонкая пунктирная черная линия (начинающаяся примерно при 810 мВ) соответствует "Среднему без пассивных неактивных слоев".
На фиг. 10 показан типичный вид в поперечном разрезе батарейного узла среднетемпературного твердооксидного топливного элемента согласно Варианту осуществления 1 и фиг. 1;
На фиг. 11 показан типичный вид в поперечном разрезе батарейного узла среднетемпературного твердооксидного топливного элемента согласно Варианту осуществления 3 и фиг. 8;
На фиг. 12 показан типичный вид в поперечном разрезе электрохимически активного слоя батареи топливных элементов;
На фиг. 13 показан типичный вид в поперечном разрезе электрохимически неактивного слоя батареи топливных элементов; и
На фиг. 14 показан типичный вид в поперечном разрезе электрохимически неактивного слоя батареи топливных элементов.
Список используемых в настоящем документе ссылочных позиций приведен в конце конкретных вариантов изобретений. Повторно использованные ссылочные позиции в настоящем техническом описании и на чертежах предположительно соответствуют тем же или аналогичным признакам или элементам.
Для экспертов в данной области техники очевидно, что различные модификации и изменения можно внести в настоящее изобретение без отклонения от объема изобретения. Например, признаки, описанные как часть одного варианта изобретения, можно использовать в другом варианте осуществления изобретения и соответствуют еще одному варианту осуществления изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает такие модификации и изменения, которые попадают в область прилагаемой формулы изобретений и их эквиваленты.
Только в качестве иллюстрации на чертежах может быть показан только один топливный элемент или единственный повторяющийся слой батареи топливных элементов. В различных вариантах осуществления изобретений (не показано) представлены многочисленные топливные элементы. В различных вариантах осуществления изобретений (не показано) представлены многочисленные повторяемые слои батареи топливных элементов. В прочих вариантах осуществления изобретений (не показано) представлены многочисленные батареи топливных элементов, а в других вариантах осуществления изобретений представлены многочисленные батареи топливных элементов, каждая из которых содержит многочисленные топливные элементы. Следует понимать, что входные отверстия для анода и катода, выходные отверстия (отработанные газы), система каналов, распределительная система и температурные датчики и их конфигурация в таких вариантах осуществления изменении по мере необходимости, что очевидно эксперту в данной области техники.
В следующих вариантах осуществления изобретения в качестве окислителя используется воздух. Любую ссылку на "окислитель" где-либо еще таким образом можно рассматривать как ссылку на "воздух" в следующих вариантах осуществления и наоборот.
Вариант осуществления 1
В настоящем варианте осуществления изобретения использована модифицированная система компрессии на основе международного патента WO20007/085863 и модифицированная схема колпака и топливного элемента и схема распределительной системы на основе международного патента WO2008/104760. Подогреватель/пусковая горелка и теплообменники обычно такие же, как описанные в международном патенте WO2008/104760.
Как показано на фиг. 1, батарейный узел 10 среднетемпературных твердооксидных топливных элементов содержит:
(i) базовую пластину 20;
(ii) батарею 30 среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, смонтированную на базовой пластине 20;
(iii) концевую пластину 40; и
(iv) средства зажима 50, предназначенные для прикладывания сжимающего усилия к батарее 30 топливных элементов между базовой пластиной 20 и концевой пластиной 40.
Базовая пластина 20 и концевая пластина 40 изготовлены из нержавеющей стали 3CR12.
Батарея 30 топливных элементов обладает первым и вторым концами 31, 32 и смонтирована между базовой пластиной 20 и концевой пластиной 40 и содержит следующие компоненты, расположенные в направлении от базовой пластины 200 к концевой пластине 40:
(a) первый набор 60 из трех электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70;
(b) набор 80 электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 90; и
(c) второй набор 100 из трех электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70.
Каждый электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов 90 включает один топливный элемент 91 (в других вариантах осуществления (не показано) каждый электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов 90 включает множество топливных элементов 91). Каждый топливный элемент 91 включает анод 120, электролит 130 и катод 140, смонтированные на металлической подложке 110 и закрывающие металлическую пористую область 110A, которая окружена непористой областью 110B металлической подложки. Металлическая подложка 110 смонтирован на электропроводной металлической соединительной пластине 150 и работает распределительной системой для потока топлива.
Каждый повторяющийся слой батареи топливных элементов 70, 90 также включает электроизолирующие газонепроницаемые прокладки 430, 440.
Непосредственный электрический контакт между металлической подложкой 110 первого повторяющегося слоя батареи топливных элементов 90 или 70 и смежной соединительной пластиной 150 (например, второго смежного повторяющегося слоя батареи топливных элементов 90 или 70) предупреждают путем применения электроизолирующих прокладок 430, 440. Путь потока окислителя 160 проходит между металлической подложкой 110 каждого первого повторяющегося слоя батареи топливных элементов 90, 70 и металлической соединительной пластиной 150 (например, второго смежного повторяющегося слоя батареи топливных элементов 90 или 70), от открытого входного отверстия открытой распределительной системы 170 для окислителя до выходного отверстия внутренней распределительной системы 180 для отработанного окислителя.
Путь потока топлива 190 расположен между металлической подложкой 110 и металлической соединительной пластиной 150 от входного отверстия внутренней распределительной системы для топлива 200 до выходного отверстия внутренней распределительной системы для отработанного топлива 210.
Каждый электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов 70 изготовлен так, чтобы он был неспособен выполнять электрохимические функции, и включает металлическую подложку 220 и металлическую соединительную пластину 150, а также определять путь потока окислителя 160 от входного отверстия для окислителя 170 до выходного отверстия для отработанного окислителя 180.
Базовая пластина 20 включает входное отверстие для окислителя 260, входное отверстие для топлива, выходное отверстие для отработанного окислителя 280 и выходное отверстие для отработанного топлива 290. Базовая пластина 20 также включает набор из четырех отверстий с резьбой 300, которые предназначены для резьбовых концов 310A, 310B (резьба не показана) соединительных стержней 310.
Соединительные стержни 310 изготовлены компанией Hastelloy (RTM) C-276 (Haynes International, Inc., www.haynesintl.com), и на них нанесено электроизолирующее покрытие для предотвращения короткого замыкания. Другие подходящие материалы для соединительных стержней 310 включают справ 718 Inconel (RTM) (Special Metals Corporation; www.specialmetals.com).
Резьбовые концы 310A соединительных стержней 310 ввинчивают в отверстия с резьбой 300 в базовой пластине 20. Соединительные стержни 310 перпендикулярны базовой пластине 20 и выполняют роль направляющих при сборке батареи 30 топливных элементов.
Для защиты компонентов батареи 30 топливных элементов от повреждения во время сборки по мере их проскальзывания вдоль соединительных стержней 310 (в частности через резьбовые концы 310B соединительных стержней 310) предохранительные устройства с резьбой ("штепсельные предохранительные устройства с резьбой") 420 надевают на резьбовые концы 310B соединительных стержней 310, что позволяет просто пропускать компоненты батареи 30 топливных элементов (например, повторяющиеся слои 70 и 90) по соединительным стержням 310 во время сборки батареи 30 топливных элементов.
Как подробно описано далее, батарейный узел 10 топливных элементов включает 99 электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 90, а также 6 электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70 (в виде первого набора 60 из трех электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов и второго набора 100 из трех электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов) и может стабильно обеспечивать выходную электрическую мощность порядка 1 кВт. В других вариантах осуществления (не показано) с батареей топливных элементов с меньшим числом повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70, 90 (например, с менее чем 20 электрохимически активными повторяющимися слоями батареи топливных элементов 90) подходящие материалы также могут включать соединительные стержни Inconel (RTM; Special Metals Corporation, США), покрытые Apticote 800 (Poeton Industries Ltd, Великобритания; www.poeton.co.uk) или аналогичными покрытиями на основе оксида алюминия.
Базовая пластина 20, как правило, обладает в целом плоской верхней поверхностью 20A, на которой монтируется батарея 30 топливных элементов. Электроизолирующая и теплоизолирующая прокладка 320 на основе слюды закрепляется на верхней поверхности 20A базовой плиты 20 и обеспечивает электроизоляцию и теплоизоляцию между базовой пластиной 20 и слоями батареи топливных элементов, установленных поверх нее.
Первый набор 60 из трех электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70 затем помещается поверх электроизолирующей и теплоизолирующей прокладки 320. Как подробно описано выше, каждый из электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70 включает металлическую подложку 220, металлическую соединительную пластину 150 и неактивный разделитель 151 топливного элемента между ними. Также включены электроизолирующие газонепроницаемые прокладки 430, 440.
Как подробно описано выше, путь потока окислителя 230 проходит от входного отверстия 240 для окислителя до выходного отверстия 250 для отработанного окислителя.
Неактивная прокладка 151 топливного элемента не включает входное отверстие 200 для топлива (которое бы позволило обеспечить поток топлива сквозь пустое пространство 220A между металлической подложкой 220 и соединительной пластиной 150 в сторону выходного отверстия 210 для отработанного топлива). Вместо этого, она включает распределительную систему для потока топливного газа 200A, который предотвращает попадание потока газа в пустое пространство 200A, допуская при этом поток топлива в сторону и в направлении от смежных компонентов (подложка 220 и соединительная пластина 150) электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов 70.
В отличие от металлической подложки 110 электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов 90 металлическая подложка 220 электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70 не содержит пористой области 110A и включает топливного элемента 91 со слоями анода 120, электролита 130 и катода 140.
Затем помещают отрицательную пластину отбора мощности 330 поверх первого набора 60 электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70 и от нее отходят отрицательные провода для отбора мощности 331, соединенные с гермовводом электропитания 340 базовой пластины в базовой пластине 20.
Отрицательная пластина отбора мощности 330 изготовлена из ферритной нержавеющей стали, такой как сталь марки 441. Толщина составляет 200 мкм.
Подходящие металлы, годящиеся для работы СТ-ТОТЭ сразу очевидны для эксперта в данной области техники.
В других вариантах осуществления пластины отбора мощности имеют толщину 200-500 мкм.
Электроизолирующие газонепроницаемые прокладки 430, 440 помещают поверх отрицательной пластины отбора мощности 330 для обеспечения достаточного пространства для выступов токосъема с нижней стороны 150A металлической соединительной пластины 150 последующих повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70, 90.
Набор 80 из 99 электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 90 затем помещают поверх монополя 330. Каждый электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов 90 включает металлическую соединительную пластину 150, электрохимически активный разделитель 152 топливного элемента, металлическую подложку 110, топливный элемент 91 со слоями анода, электролита и катода (120, 130, 140, соответственно), смонтированный на металлической подложке 110.
Путь потока топлива 160 проходит от входного отверстия 170 для топлива до выходного отверстия 180 для отработанного топлива.
Электрохимически активная прокладка 152 топливного элемента включает входное отверстие 200 для топлива, которое позволяет обеспечить поток топлива сквозь пустое пространство 220A между металлической подложкой 220 и металлической соединительной пластиной 150 в сторону выходного отверстия 210 для отработанного топлива. Таким образом, путь потока топлива 190 проходит от входного отверстия 200 для топлива до выходного отверстия 210 для отработанного топлива.
Затем помещают конечный полюс 350 поверх набора 80 электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 90 и от нее отходят отрицательные провода для отбора мощности 351, соединенные с гермовводом электропитания 340 базовой пластины в базовой пластине 20.
Затем поверх конечного полюса 350 помещают второй набор 100 из трех электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70 350, который образует второй конец батареи топливных элементов 32.
Затем поверх второго конца 32 батареи топливных элементов помещают электроизолирующую и теплоизолирующую прокладку 370. Электроизолирующая и теплоизолирующая прокладка 370 такая же, как и электроизолирующая и теплоизолирующая прокладка 320, и обеспечивает как электроизоляцию, так и теплоизоляцию (т.е. обладает ограниченной теплопроводностью).
Затем помещают колпак 400 поверх батареи 30 топливных элементов так, чтобы он примыкал к юбке 20B, выходящей из базовой пластины 20 и проходящей по ее периферии.
Концевую пластину 40 помещают поверх электроизолирующей и теплоизолирующей прокладки 370.
Контролируемый одноосный пресс (не показан) применяется для приложения при желании сжимающего усилия между концевой пластиной 40 и базовой пластиной 20 на батарее 30 топливных элементов и, таким образом, обеспечения требуемой газонепроницаемости и электропроводности между компонентами. В таком состоянии достигается высота в сжатом состоянии (т.е. расстояние от базовой пластины 20 до концевой пластины 40) батарейного узла 10 топливных элементов.
По достижении желательного сжатия оно поддерживается при помощи контролируемого одноосного пресса; штепсельные предохранительные устройства с резьбой 420 удаляют с резьбовых концов 310B соединительных стержней 310 и на резьбовые концы 310B соединительных стержней 310 помещают закрепляющие глухие гайки 390 и подкладные кольца 380. Закрепляющие глухие гайки 390 затягивают для поддержания высоты в сжатом состоянии. Затем убирают сжатие, сгенерированное при помощи одноосного пресса.
Если требуется проверить плотность затяжки закрепляющих глухих гаек 390 для корректировки любой исходной релаксации растяжения, сгенерированной сначала при приложении сжимающего усилия посредством средств зажима 50, сжимающее усилие можно приложить повторно при помощи одноосного пресса и осуществления любых необходимых измерений/изменений.
Соединительные стержни 310 проходят через концевую пластину 40, и на резьбовые концы соединительных стержней затем помещают подкладные кольца 380 и закрепляющие глухие гайки 390. Закрепляющие глухие гайки 390 затягивают для прикладывания сжимающего усилия.
Таким образом, средства зажима 50 включают отверстия 300 с резьбой в базовой пластине 20, соединительный стержень 310 и закрепляющую глухую гайку 390.
Концевая пластина 40 также включает юбку 40A, отходящую от концевой пластины 40 т проходящую по ее периферии. При помещении концевой пластины 40 поверх электроизолирующей и теплоизолирующей прокладки 370 и приложении сжимающего усилия к батарее топливных элементов 30 при помощи средства для зажима 50 колпак 400 примыкает к юбке 40A.
Колпак 400 приваривают к базовой пластине 20 и концевой пластине 40 для обеспечения газонепроницаемости. Объем системы отвода газа 410 ограничен базовой пластиной 20, концевой пластиной 40 и колпаком 400.
Отрицательный провод для отбора мощности 331 и положительный провод для отбора мощности 351 проходят через базовую пластину 20 так, чтобы отсутствовал электрический контакт между ними и базовой пластиной 20. Этого достигают путем применения электроизолирующих вставок (не показаны). Эти вставки газонепроницаемы и химически инертны во всем диапазоне рабочих температур батареи топливных элементов.
На этой стадии изготовления производят проверку электросхемы и газового потока в батарейном узле 10 топливных элементов для проверки соответствия сборки.
Как можно понять из описания выше, электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов 70 не определяют путь потока топлива от входного отверстия для топлива до выходного отверстия для отработанного топлива, и, таким образом, между ними не может быть потока топлива. Это, в свою очередь, означает, что вне зависимости от присутствия любых других компонентов или структур в электрохимически активных повторяющихся слоях батареи топливных элементов 90 повторяющиеся слои батареи топливных элементов 70 электрохимически неактивны.
Электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов 70 в этом документе также обозначены как "пассивные элементы".
Во время работы при запуске применяется подогреватель (не показан) для нагрева поступающего окислителя, проходящего как к электрохимически неактивным повторяющимся слоям 70, так и к электрохимически активным повторяющимся слоям 90, обеспечивая их нагревание для доведения электрохимически активных повторяющихся слоев 90 до рабочей температуры, а также для снижения теплоотдачи от электрохимически активных повторяющихся слоев 90.
Теплообменники (не показаны) осуществляют теплопередачу от отработанных текучих сред/газов к вводимым текучим средам/газам. В частности происходит теплообмен между отработанными газами и поступающим окислителем, что приводит к введению нагретого окислителя в входное отверстие 170 для окислителя.
Вариант осуществления 2
В данном конкретном варианте осуществления изобретения общая батарейный узел 10 топливных элементов соответствует Примеру 1. Однако электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов 70 второго набора электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 100 модифицируют так, чтобы предотвратить протекание в них какого-либо потока топлива.
В этом варианте осуществления неактивную прокладку 151 топливного элемента заменяют неактивной прокладкой 151A топливного элемента.
Как можно видеть на фиг. 7, электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов 151A не включает какой-либо распределительной системы для топлива, т.е. не включает распределительной системы для потока для топливных газов 200A и не включает выходного отверстия 210 для отработанного топлива.
Поскольку эти повторяющиеся слои 151A находятся вне второго конца набора электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 80B, не требуется, чтобы топливо протекало мимо или сквозь них к электрохимически активным повторяющимся слоям батареи топливных элементов. Таким образом, отсутствие в них распределительной системы для топлива не оказывает негативного влияния на производительность батарейного узла 10 топливных элементов.
Вариант осуществления 3
В данном конкретном варианте осуществления изобретения составляющие части обычно соответствуют Варианту осуществления 1. Однако, как показано на фиг. 8, отрицательная пластина отбора мощности 330 и положительная пластина отбора мощности 350 расположены, соответственно, между первым концом батареи топливных элементов 31 и электроизолирующей и теплоизолирующей прокладкой 320 и между вторым концом батареи топливных элементов 32 и электроизолирующей и теплоизолирующей прокладкой 370.
Вариант осуществления 4
В этом конкретном варианте осуществления составляющие части соответствуют Варианту осуществления 1 (а также может соответствовать Примерам 2 или 3), а на батарею 30 топливных элементов помещают колпак 400 и герметично закрепляют его на базовой пластине 20 и концевой пластине 40 после фиксации закрепляющих глухих гаек 390. Особенности базовой пластины 20 и концевой пластины 40 и/или размеры и особенности колпака 400 соответствующим образом модифицированы. Герметизацию обеспечивают, как и в предыдущих вариантах осуществления, при помощи герметичной сварки с соответствующими краевыми особенностями базовой пластины 20 и концевой пластины 40.
Различные варианты осуществления
На фиг. 12 показан типовой вид электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов. На фиг. 13 показан типичный вид электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов с неактивной распределяющей пластиной топливного элемента 151. На фиг. 14 представлен типичный вид альтернативного электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов, где металлическая подложка 110 не содержит пористой области 110A и отсутствует топливный элемент 91 (с слоями анода, электролита и катода 120, 130, 140). Подключение к другим повторяющимся слоям батареи топливных элементов не показано.
В различных вариантах осуществления металлическая подложка 220 электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 70 снабжен слоем объемного катодного материала той же толщины, что и слои анода, электролита и катода 120, 130, 140 электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов 90.
Пример 1
Для определения эффекта введения электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов в батарейный узел топливных элементов были получены сравнительные данные от первой и второй батарее среднетемпературных твердооксидных топливных элементов.
Первый батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (обозначенная как "с пассивными неактивными слоями") - это батарейный узел топливных элементов согласно Варианту осуществления 1 (выше).
Второй батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (обозначенная как "без пассивных неактивных слоев") идентична первой батарее среднетемпературных твердооксидных топливных элементов за исключением того, что она не включает каких-либо электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов, т.е. не включает первый набор электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов и не включает второй набор электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов.
В экспериментах обе батареи помещали в одинаковые стационарные условия на высоком испытательном стенде для батарей с одинаковым вспомогательным оборудованием и одинаковым тестирующим/измерительным оборудованием. Подача топлива и окислителя к обеим батареям была одинаковой, а топливо представляло собой природный газ, подвергнутый паровому риформингу. Внешняя электрическая нагрузка на батарее топливных элементов составляла 0,5 кВт.
После стандартной процедуры запуска обе батареи работали в стационарном состоянии в течение 48 ч в номинальном тестовом режиме на 0,5 кВт. Напряжения на батареях контролировали в течение всего периода тестирования.
Суммарные стационарные результаты приведены ниже в таблице 1. Подробные стационарные результаты показаны на фиг.9.
Как можно видеть по результатам, имеет место значительный рост среднего напряжения на повторяющемся слое. Максимальное напряжение на повторяющемся слое также значительно повышается, в то время как имеет место чрезвычайно значимый и значительный рост минимального напряжения на повторяющемся слое и соответствующее сужение диапазона напряжений на повторяющихся слоях. Стандартное отклонение в напряжении на повторяющихся слоях соответственно снижается.
В целом это соответствует очень значительному улучшению в КПД батареи топливных элементов.
В частности топливные элементы повторяющихся слоев на концах батареи топливных элементов работают лучше, они способны потреблять большее количество топлива, что приводит к меньшим количествам неиспользованного топлива, выходящего из батареи, и соответствующему повышению электрического КПД батареи топливных элементов на 1-2%, что улучшает общий КПД системы.
Была использована конфигурация тестовой системы для батареи топливных элементов без пассивных повторяющихся слоев с номинальной контрольной точкой с выходной мощностью, равной 0.5 кВт, с работой при фиксированной токовой нагрузкой и контролем напряжения на батарее и элементах. Идентичная конфигурация системы (включая идентичную фиксированную токовую нагрузку) была использована для батареи топливных элементов с пассивными повторяющимися слоями, и были определены изменения в выходной мощности как функция измененного напряжения на элементе в той же точке измерения тока. Результаты показывают повышение общей выходной мощности приблизительно на 3.5% для батарей топливных элементов с пассивными повторяющимися слоями.
Те же эксперименты повторяли при номинальной контрольной точке с выходным напряжением 1 кВт, и результаты (не показаны) заключались в том, что рост общего выходного напряжения составил приблизительно 6% для батареи топливных элементов с пассивными повторяющимися слоями.
Таблица 1
Ссылочные позиции включены в формулу изобретений единственно для облегчения понимания и не ограничивают объема изобретения. Настоящее изобретение не ограничено только приведенными выше вариантами осуществления изобретения, и эксперту в данной области техники будут очевидны другие варианты осуществления изобретения без отклонения от объема прилагаемой формулы изобретения.
Ссылочные позиции:
10 - батарейный узел топливных элементов
20 - базовая плита
20A - верхняя поверхность базовой плиты
20B - юбка
30 - батарея топливных элементов
31 - первый конец батареи топливных элементов
32 - второй конец батареи топливных элементов
40 - концевая пластина
40A - юбка
50 - средства зажима
60 - первый набор из электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов
70 - электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов
80 - набор из электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов
80A - первый конец набора электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов
80B - второй конец набора электрохимически активных повторяющихся слоев батареи топливных элементов
90 - электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов
91 - топливный элемент
100 - второй набор из электрохимически неактивных повторяющихся слоев батареи топливных элементов
110 - металлическая подложка
110A - пористая область металлической подложки
110B - непористая область металлической подложки
120 - слой анода
130 - слой электролита
140 - слой катода
150 - металлическая соединительная пластина
150A - выступы токосъема
151 - неактивная распределительная пластина топливного элемента
151A - неактивная распределительная пластина топливного элемента
152 - электрохимически активная распределительная пластина топливного элемента
160 - путь потока окислителя
170 - входное отверстие для окислителя
180 - выходное отверстие для отработанного окислителя
190 - путь потока топлива
200 - входное отверстие для топлива
200A - распределительная система для потока топливного газа
210 - выходное отверстие для отработанного топлива
220 - металлическая подложка [электрохимически неактивного повторяющегося слоя топливного элемента]
220A - пустое пространство
260 - входное отверстие для окислителя
270 - входное отверстие для топлива
280 - выходное отверстие для отработанного окислителя
290 - выходное отверстие для отработанного топлива
300 - отверстие с резьбой
310 - соединительный стержень
310A - резьбовой конец
310B - резьбовой конец
320 - электроизолирующая и теплоизолирующая прокладка
330 - отрицательная пластина отбора мощности
331 - отрицательный провод отбора мощности
340 - гермоввод электропитания базовой пластины
350 - положительная пластина отбора мощности
351 - положительный провод отбора мощности
360 - гермоввод электропитания базовой пластины
370 - электроизолирующая и теплоизолирующая прокладка
380 - подкладное кольцо
390 - закрепляющая глухая гайка
400 - колпак
410 - объем системы отвода газа
420 - штепсельное предохранительное устройство с резьбой
430 - электроизолирующая газонепроницаемая прокладка
440 - электроизолирующая газонепроницаемая прокладка
Изобретение относится к области электротехники, а именно к улучшенному устройству батарейного узла среднетемпературного топливного элемента, рабочая температура которого, как правило, составляет 450-650°C, и может быть использовано при изготовлении батарейных узлов, в которых имеется значительная разница между рабочими напряжениями элементов при данном рабочем режиме батареи, для предотвращения повреждения батареи топливных элементов. В предложенном батарейном узле предусмотрены электрохимически неактивные повторяющиеся слои батареи топливных элементов, неспособные осуществлять предусмотренную электрохимическую реакцию в ТОТЭ, при этом указанные слои обеспечивают снижение перепада рабочего напряжения между центральными и концевыми элементами в процессе работы батарейного узла топливных элементов. Материалы для изготовления неактивных повторяющихся слоев батареи включают, без ограничения, нержавеющую сталь 3CR12. Повышение стабильности выходной мощности топливного элемента за счет снижения разности удельной теплоемкости между компонентами батареи топливного элемента является техническим результатом изобретения. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.
1. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, включающий в себя:
(i) базовую пластину;
(ii) по меньшей мере одну батарею среднетемпературных твердооксидных топливных элементов, смонтированную на базовой пластине;
(iii) концевую пластину; и
(iv) зажимы, выполненные с возможностью оказания сжимающей нагрузки на указанную по меньшей мере одну батарею топливных элементов между базовой пластиной и концевой пластиной,
причем каждая батарея топливных элементов имеет первый и второй концы, причем каждая батарея топливных элементов расположена между базовой пластиной и концевой пластиной и включает в себя по меньшей мере один электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов и по меньшей мере один из следующих признаков:
(a) по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов, расположенный между базовой пластиной и указанным по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов; и
(b) по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов, расположенный между концевой пластиной и указанным по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов;
при этом каждый электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов включает в себя металлическую подложку, слои анода, электролита и катода, выполненные на металлической подложке, и металлическую соединительную пластину, причем между металлической подложкой и металлической соединительной пластиной расположен металлический разделитель, и определяет путь потока окислителя от входа для окислителя до выхода для отработанного окислителя и путь потока топлива от входа для топлива до выхода для отработанного топлива,
при этом каждый электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов выполнен так, что он неспособен осуществлять электрохимическую функцию, включает в себя металлическую подложку и металлическую соединительную пластину, причем между металлической подложкой и металлической соединительной пластиной расположен металлический разделитель, и определяет путь потока окислителя от входа для окислителя до выхода для отработанного окислителя.
2. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по п.1, в котором каждая батарея топливных элементов включает в себя по меньшей мере один электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов и оба признака:
(a) по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов, расположенный между базовой пластиной и указанным по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов; и
(b) по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов, расположенный между концевой пластиной и указанным по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов.
3. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по п.2, в котором каждая батарея топливных элементов содержит в направлении от базовой пластины до концевой пластины:
(A) первый по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов;
(B) указанный по меньшей мере один электрохимически активный повторяющийся слой батареи топливных элементов; и
(C) второй по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов.
4. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, в котором металлическая подложка сформирована из листа или фольги.
5. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по п.4, в котором по меньшей мере один электрохимически неактивный повторяющийся слой батареи топливных элементов включает в себя металлический разделитель, выполненный с возможностью блокировки потока топлива от входа для топлива до выхода для отработанного топлива.
6. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере один повторяющийся слой батареи топливных элементов имеет смежный повторяющийся слой батареи топливных элементов, причем указанный про меньшей мере один повторяющийся слой батареи топливных элементов дополнительно включает в себя по меньшей мере одну электроизолирующую прокладку между ним и указанным смежным повторяющимся слоем батареи топливных элементов.
7. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по п.6, в котором каждый повторяющийся слой батареи топливных элементов имеет по меньшей мере один смежный повторяющийся слой батареи топливных элементов, дополнительно включающий в себя по меньшей мере одну электроизолирующую прокладку между каждым повторяющимся слоем батареи топливных элементов и указанным по меньшей мере одним смежным повторяющимся слоем батареи топливных элементов.
8. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, дополнительно включающий в себя по меньшей мере один из следующего:
(a) концевой полюс, расположенный между указанным первым по меньшем мере одним электрохимически неактивным повторяющимся слоем батареи топливных элементов и указанным по меньшем мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов; и
(b) концевой полюс, расположенный между указанным вторым по меньшем мере одним электрохимически неактивным повторяющимся слоем батареи топливных элементов и указанным по меньшем мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов.
9. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, в котором указанная по меньшей мере одна батарея среднетемпературных твердооксидных топливных элементов является планарной батареей топливных элементов.
10. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий колпак, определяющий объем системы отвода газов, включающей указанную по меньшей мере одну батарею среднетемпературных твердооксидных топливных элементов.
11. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по п.10, в котором колпак герметично закреплен на базовой пластине и задает объем системы отвода газа между базовой пластиной и колпаком.
12. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по п.11, в котором колпак дополнительно герметично закреплен на концевой пластине и задает объем системы отвода газа между базовой пластиной, концевой пластиной и колпаком.
13. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, дополнительно включающий теплоизолирующую и электроизолирующую прокладку, смонтированную по меньшей мере на одном из следующего:
(a) базовой пластине и указанной по меньшей мере одной батарее топливных элементов; и
(b) концевой пластине и указанной по меньшей мере одной батарее топливных элементов.
14. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, в котором базовая пластина и концевая пластина электрически изолированы от указанного по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов.
15. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, дополнительно включающий в себя первый и второй концевые полюса, находящиеся в электрическом контакте с указанным по меньшей мере одним электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов, причем базовая пластина и концевая пластина электрически изолированы от указанного по меньшей мере одного электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов.
16. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по п.15, в котором первая концевая пластина является частью электрохимически активного повторяющегося слоя батареи топливных элементов, ближайшего к базовой пластине.
17. Батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по п.15 или 16, в котором второй концевой полюс является частью электрохимически неактивного повторяющегося слоя батареи топливных элементов, смежного с электрохимически активным повторяющимся слоем батареи топливных элементов, ближайшим к концевой пластине.
18. Способ эксплуатации батарейного узла среднетемпературных твердооксидных топливных элементов по любому из предыдущих пунктов, причем способ включает следующие стадии:
(a) подают топливо и окислитель на соответствующие входы для топлива и окислителя в батарейный узел среднетемпературных твердооксидных топливных элементов; и
(b) обеспечивают работу батарейного узла среднетемпературных твердооксидных топливных элементов для окисления топлива окислителем и генерирования электричества.
| WO 2007085863 A1, 02.08.2007 | |||
| WO 2008104760 A1, 04.09.2008 | |||
| US 2009004532 A1, 01.01.2009 | |||
| ЭМУЛЬСОЛ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМОЙ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ | 2009 |
|
RU2426772C2 |
| УСТАНОВКА РЕФОРМИНГА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РЕАГЕНТА В ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РЕФОРМИНГА | 1997 |
|
RU2175799C2 |
| ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДАННОЙ СИСТЕМОЙ (ВАРИАНТЫ) | 1999 |
|
RU2227348C2 |
