КОМПРЕССИОННЫЙ КОРПУС ДЛЯ НАБОРА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPRESSION BODY FOR SET OF FUEL ELEMENTS AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Изобретение касается сжатия набора элементов, более конкретно - компрессионного корпуса для набора топливных элементов или батарей электролитических элементов, и изготовления таких компрессионных корпусов, в частности, для наборов твердооксидных топливных элементов (SOFC, т.е. Solid Oxide Fuel Cell) или для наборов твердооксидных электролитических элементов (SOEC, т.е. Solid Oxide Electrolysis Cell).
В дальнейшем изобретение будет объяснено применительно к наборам SOFC. Однако, согласно изобретению, компрессионный корпус может быть также применен с другими видами топливных элементов, таких как полимерные электролитные топливные элементы (РЕМС, т.е. Polymer Electrolyte Fuel Cells) или прямые метанольные топливные элементы (DMFC, т.е. Direct Methanol Fuel Cells). Дополнительно изобретение может быть применено для электролитных элементов, например твердооксидных электролитных элементов, и наборов таких элементов.
Электрохимические реакции и функционирование топливного элемента или электролитического элемента не являются сущностью настоящего изобретения, таким образом, не рассматриваются подробно, но предполагаются известными специалистам в данной области техники.
С целью повышения вырабатываемого SOFC напряжения элементы собирают с образованием набора, и элементы соединяют вместе с помощью внутренних связей. Данные слои элементов герметизируют вместе по некоторым или по всем краям с помощью газонепроницаемого и термостойкого уплотнителя, например стекла. Внутренние связи служат газовым барьером для разделения анода (топливо) и катода (воздух/окислитель) соседних элементных блоков, и в то же время они способны, для процесса восстановления, осуществлять электропроводимость между соседними элементами, т.е., между анодом одного элемента с избытком электронов и катодом нуждающегося в них соседнего элемента. Электропроводность между внутренней связью и ее соседними электродами осуществляется через множество контактных точек по площади внутренней связи. Контактные точки могут быть выполнены в виде выступов по обеим сторонам внутренней связи. Эффективность набора топливных элементов зависит от хорошего контакта в каждой из этих точек и, следовательно, крайне важно, чтобы к набору топливных элементов было приложено соответствующее компрессионное усилие. Данное компрессионное усилие должно быть достаточно большим и для гарантирования электрического контакта равномерно распределено по площади топливного элемента, но не настолько большим, чтобы оно приводило к нарушениям электролита, электродов, внутренней связи или блокированию течения газа по топливному элементу. Компрессия топливного элемента также чрезвычайно необходима для изоляции между слоями батареи, чтобы сохранять газонепроницаемость батареи.
Решение данной проблемы предложено в публикации международной заявки WO 2008089977, где раскрыт набор топливных элементов, имеющий термостойки изолирующие концевые блоки с одной прямоугольной планарной боковой стороной, обращенной к набору, и с противоположной стороной выпуклой формы. Пружины прижимают гибкий лист к выпуклой лицевой стороне концевых блоков, в результате чего усилие пружин равномерно распределяется по концевым площадям набора.
В патенте Германии DE 10250345 раскрыт корпус, вмещающий в себя SOFC, при этом предусмотрен сжимающийся мат, расположенный между батареей и корпусом и обеспечивающий компрессионное усилие элементов как радиально, так в осевых направлениях.
В публикации международной заявки WO 2006012844 описан способ растяжения набора с помощью пружин, при этом растяжение создается, например, распределяющими давление элементами, расположенными по полусфере, напротив теплоизолирующих элементов, которые затем оказывают дополнительно давление на набор.
В публикации международной заявки WO 2008003286 набор сжимают теплоизолирующими элементами, на которые оказывают давление гибким упругим рукавом. Рукав может быть выполнен, например, из силикона или натурального каучука.
Еще один способ компрессии набора показан в патенте Германии DE 19645111.
Несмотря на известные в настоящее время решения по проблеме компрессии набора топливных элементов, все они имеют некоторые, свойственные им, проблемы, а именно:
- чем больше компонентов, задействованных в компрессионном устройстве, тем больше затрат на его работу и выше стоимость материалов. Дополнительно с увеличением числа компонентов, как правило, возрастает риск технического сбоя;
- надежность металлических пружин, применяемых для компрессии набора, повышает стоимость, и особенно под действием нагрева металлические пружины проявляют склонность к ползучести и тем самым со временем меняется характеристика пружин и, следовательно, компрессионное усилие;
- решение использования каучука в качестве генератора давления может потребовать дополнительно стационарного корпуса, выполненного, например, из металла, допускающего механическое и технологическое соединение с окружающими устройствами, и защищающего компрессионное устройство;
- решения без выпуклых силовых распределительных элементов несут в себе опасность возникновения неравномерного давления по площади набора и, следовательно, опасность недостаточного электрического контакта и расслаивания компонентов набора топливных элементов;
- компрессионные решения, которые не являются газонепроницаемыми, потребуют применения нестандартных компонентов, которые являются дорогостоящими и чувствительными для соединения, и это усложнит устройство топливных элементов, особенно при необходимости соединения нескольких наборов последовательно и/или параллельно;
- решения без прочной и защищенной наружной поверхности слабо защищены от повреждений при транспортировке, обслуживании и работе.
Задачей данного изобретения является решение отмеченных выше проблем путем предоставления нового компрессионного корпусного узла для одной или большего количества наборов элементов.
В частности, задачей настоящего изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который позволил бы избежать применение металлических пружинах для сжатия набора элементов.
Задачей изобретения является также обеспечение компрессионного корпусного узла, который образовал бы стойкий к давлению контейнер, способный выдерживать давления, существующие, например, в турбинных устройствах.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который смог бы выдержать высокие окружающие температуры.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который обеспечивал бы по существу газонепроницаемое ограждение по меньшей мере четырех сторон набора элементов.
Другой дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который обеспечивал бы по существу газонепроницаемое разделение двух противоположных сторон набора элементов, при этом в одном варианте осуществления изобретения разделение сторон впуска оксидного газа и выпуска оксидного газа набора элементов.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который обеспечивал бы равномерное распределение давления, или строго определенное распределение давления по площади топливных или электролитических элементов набора.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который осуществлял бы термоизоляцию набора элементов.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который обеспечивал бы понижение и защиту от вибрации набора элементов.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который состоял бы из небольшого количества надежных компонентов.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение надежного, устойчивого и допускающего сварку компрессионного корпусного узла, который защищал бы топливные элементы, обеспечивал бы простое обслуживание и монтаж, поскольку компрессионная система и коллекторы интегрированы в узел.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который создал бы возможность простого, компактного и устойчивого, последовательного и параллельного соединения катодного тока двух или более наборов.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного корпусного узла, который по существу предусматривал бы простые подключения для добавочного введения технологических газов или текучих сред.
Как описано ниже, изобретением решены вышеупомянутые и другие задачи.
Соответственно, предлагается компрессионный корпусный узел, который предназначен для набора, в частности, с твердооксидными топливными элементами или твердооксидными электролитными элементами, но также как уже отмечалось выше, возможное его применение для других известных типов элементов. В дальнейшем набор топливных элементов будет рассматриваться как «черный ящик», поскольку предметом данного изобретения является компрессионный корпусный узел, а не электрохимические реакции, проходящие внутри элементов. Таким образом, в случае с топливными элементами, «черный ящик» при подаче оксидного газа и/или топливного газа вырабатывает электричество и тепло. В случае с электролитическими элементами, «черный ящик» при подаче электричества вырабатывает оксидный газ и топливный газ, в зависимости от электрической нагрузки «черный ящик» или вырабатывает тепло, или потребляет тепло. Функционирование и внутренние компоненты набора с топливными или электролитическими элементами предполагаются известными и не являются предметом данного изобретения.
Наборы топливных или электролитических элементов физически могут иметь много форм, не ограничивающих данное изобретение, но для удобства раскрытия изобретения, последующего разъяснения и примеров, в качестве отправной точки принят набор элементов коробчатой формы, т.е. набор имеет шесть прямоугольных сторон, восемь углов и двенадцать краев (кромок), размещенных, по существу, в прямоугольном соединении три на три. В дальнейшем набор элементов будет характеризоваться как имеющая верхнюю лицевую сторону, нижнюю лицевую сторону и множество боковых лицевых сторон. Предварительным условием данного изобретения является соответственно то, что по меньшей мере верхняя лицевая сторона и нижняя лицевая сторона нужны для компрессионного усилия, так что верхняя лицевая сторона сжимается к нижней лицевой стороне. Возможно, необходимы дополнительно две противоположные боковые лицевые стороны набора для компрессионного прижатия друг к другу и в некоторых случаях дополнительно две противоположные боковые лицевые стороны для компрессионного прижатия друг к другу.
Для распределения компрессионного усилия и возможно также для обеспечения термоизоляции, напротив верхней лицевой стороны размещен жесткий силовой распределительный элемент с одной планарной и одной выпуклой формой, и такой же размещен напротив нижней лицевой стороны батареи. Возможно, также к двум, или более, боковым лицевым сторонам могут быть приложены силовые распределительные элементы. Вокруг устройства батареи и силовых распределительных элементов уложен гибкий компрессионный силовой мат, который имеет характеристики, позволяющие ему сжиматься под действием компрессионного усилия. Величина деформации сжатия связана с величиной компрессионного усилия, таким образом, необходимая величина компрессионного усилия, которая должна быть приложена к силовым распределительным элементам, и далее к набору, может быть достигнута сжатием мата на соответствующую величину деформации. Сжатие мата осуществляется применением жесткого фиксирующего опорного кольца вокруг набора элементов, силовых распределительных элементов и компрессионного силового мата. В данном контексте "жесткое" означает жесткость к растягивающему усилию, поэтому тонкий металлический лист может быть достаточно жестким к растягивающему усилию, чтобы обеспечить необходимую фиксацию. Фиксирующее опорное кольцо затягивают вокруг компрессионного мата до тех пор, пока не будет достигнута требуемая величина компрессионного сжатия или соответствующее компрессионное усилие, после чего опорное кольцо фиксируется в данном затянутом положении. Фиксирующее опорное кольцо может содержать одну или более секций, которые все зафиксированы вместе.
1. Компрессионный корпусный узел для по меньшей мере одного набора элементов, выполненного из множества топливных элементов или электролитических элементов, при этом по меньшей мере один набор элементов содержит:
- верхнюю лицевую сторону;
- нижнюю лицевую сторону;
- множество боковых лицевых сторон;
- впускное отверстие и выпускное отверстие для топливного газа, пригодные для сообщения с коллекторами впуска и выпуска топливного газа;
- впускное отверстие и выпускное отверстие для оксидного газа, пригодные для сообщения с коллекторами впуска и выпуска оксидного газа;
при этом упомянутый компрессионный корпусный узел содержит по меньшей мере один жесткий силовой распределительный элемент, по меньшей мере один гибкий компрессионный силовой мат и по меньшей мере одно жесткое фиксирующее опорное кольцо, содержащее внутреннюю поверхность, наружную поверхность и первый и второй боковые края, при этом по меньшей мере один силовой распределительный элемент содержит:
- верхнюю часть, имеющую первую планарную поверхность, обращенную к верхней лицевой стороне набора элементов, и изначально выпуклую по форме вторую поверхность, противоположную упомянутой первой планарной поверхности, обращенной в направлении внутренней поверхности фиксирующего опорного кольца;
- нижнюю часть, имеющую первую планарную поверхность, обращенную к нижней лицевой стороне набора элементов, и изначально выпуклую по форме вторую поверхность, противоположную упомянутой первой планарной поверхности, обращенной в направлении внутренней поверхности фиксирующего опорного кольца;
в котором упомянутое фиксирующее опорное кольцо окружает по меньшей мере один набор элементов, по меньшей мере один силовой распределительный элемент и по меньшей мере один гибкий компрессионный силовой мат на по меньшей мере упомянутой верхней лицевой стороне, упомянутой нижней лицевой стороне и двух упомянутых боковых лицевых сторонах, при этом жесткое фиксирующее опорное кольцо предварительно затянуто, в результате чего компрессионные усилия, перпендикулярные охватывающему жесткому фиксирующему опорному кольцу, передаются посредством по меньшей мере одного гибкого компрессионного силового мата и по меньшей мере одного силового распределительного элемента к по меньшей мере одному набору элементов в направлениях, главным образом перпендикулярных упомянутой верхней лицевой стороне, упомянутой нижней лицевой стороне и упомянутым двум боковым лицевым сторонам, и, таким образом, изначально выпуклая по форме вторая поверхность упомянутых верхней и нижней частей по меньшей мере одного силового распределительного элемента обеспечивает равномерно распределенное по поверхности давление на по меньшей мере верхней лицевой стороне и нижней лицевой стороне по меньшей мере одного набора элементов.
2. Компрессионный корпусный узел по признаку 1, в котором упомянутый по меньшей мере один силовой распределительный элемент и упомянутый по меньшей мере один компрессионный силовой мат образуют по существу газонепроницаемое уплотнение между упомянутыми верхней, нижней и двумя боковыми лицевыми сторонами по меньшей мере одного набора элементов и внутренней поверхностью упомянутого жесткого фиксирующего опорного кольца в по меньшей мере части осевого продолжения опорного кольца.
3. Компрессионный корпусный узел по признаку 2, в котором первая концевая пластина прикреплена к упомянутому опорному кольцу в непосредственной близости к упомянутому первому боковому краю, а упомянутая вторая концевая пластина прикреплена к упомянутому опорному кольцу в непосредственной близости к упомянутому второму боковому краю, в результате чего опорное кольцо, а также первая и вторая концевые пластины образуют газонепроницаемый и стойкий к давлению контейнер.
4. Компрессионный корпусный узел по признаку 3, в котором объем, капсулированный упомянутой первой концевой пластиной, в сочетании с первой краевой зоной опорного кольца образует первый газовый боковой коллектор и снабжен первым газовым отверстием, а упомянутая вторая концевая пластина в сочетании со второй краевой зоной опорного кольца образует второй газовый боковой коллектор и снабжен вторым газовым отверстием для по меньшей мере одного набора элементов.
5. Компрессионный корпусный узел по признаку 3, в котором упомянутая первая концевая пластина снабжена первым газовым отверстием и образует первый газовый боковой коллектор, а упомянутая вторая концевая пластина снабжена вторым газовым отверстием и образует второй газовый боковой коллектор для по меньшей мере одного набора элементов.
6. Компрессионный корпусный узел по любому из предыдущих признаков, в котором упомянутое опорное кольцо выполнено из тонкого металлического листа, предпочтительно ферритной или аустенитной нержавеющей стали, или никелевого сплава, предпочтительно инконеля.
7. Компрессионный корпусный узел по любому из предыдущих признаков, в котором упомянутые концевые пластины прикреплены к упомянутому опорному кольцу посредством сварки, резьбового соединения, хомутного соединения, заклепок, развальцовки, клеевого или фланцевого соединения.
8. Компрессионный корпусный узел по любому из предыдущих признаков, в котором два или большее количество упомянутых наборов элементов расположены бок о бок и/или нижняя лицевая сторона к верхней лицевой стороне по матричной схеме.
9. Компрессионный корпусный узел по любому из предыдущих признаков, в котором два или большее количество упомянутых узлов соединены последовательно путем подсоединения упомянутого второго бокового края предыдущего узла к первому боковому краю последующего узла.
10. Компрессионный корпусный узел по п.9, в котором предусмотрены отверстия для впуска продувочного газа, топлива и/или хладагента, при этом указанные отверстия выполнены в соединенных краевых зонах между соединенными последовательно узлами.
11. Компрессионный корпусный узел по любому из предыдущих признаков, в котором упомянутый по меньшей мере один силовой распределительный элемент термоизолирован и изготовлен из керамики, стекла, металла, или сочетания указанных материалов, предпочтительно пористого силиката кальция или стекловолокна, усиленного силикатом кальция.
12. Компрессионный корпусный узел по любому из предыдущих признаков, в котором упомянутый по меньшей мере один гибкий компрессионный силовой мат изготовлен из виброизоляционного материала.
13. Компрессионный корпусный узел по любому из предыдущих признаков, в котором упомянутый по меньшей мере один материал гибкого компрессионного силового мата содержит огнеупорное керамическое волокно или стекловолокно, предпочтительно оксидомагниевое кварцевое волокно, волокно из оксида алюминия, содержащее кварц, низкощелочные алюминосиликатные составы, содержащие один или большее количество следующих оксидов: циркония, хрома или диоксида титана, или вермикулита.
14. Компрессионный корпусный узел по любому из предыдущих признаков, в котором упомянутый узел имеет силовые распределительные элементы, приложенные к верхней лицевой стороне, нижней лицевой стороне и двум боковым лицевым сторонам набора, и он имеет изначально круглое поперечное сечение, или упомянутый узел имеет силовые распределительные элементы, приложенные к верхней лицевой стороне и нижней лицевой стороне набора, и он имеет изначально овальное, эллиптическое или овальное с линейными промежутками поперечное сечение.
15. Способ изготовления по меньшей мере одного узла по любому из признаков 1-14, предусматривающий следующие этапы:
- обеспечение по меньшей мере одного набора элементов, содержащего множество топливных элементов или электролитических элементов;
- обеспечение по меньшей мере одного жесткого силового распределительного элемента и по меньшей мере одного гибкого компрессионного мата;
- окружение упомянутого набора, силовых распределительных элементов и силового мата жестким фиксирующим опорным кольцом по меньшей мере по верхней лицевой стороне, нижней лицевой стороне и двум боковым лицевым сторонам набора;
- затягивание упомянутого опорного кольца для сжатия упомянутого мата и, таким образом, приложения компрессионного усилия к набору;
- фиксацию упомянутого опорного кольца в затянутом положении.
16. Способ по признаку 15, дополнительно предусматривающий нижеследующие этапы:
- обеспечение первой и второй концевых пластин;
- прикрепление упомянутой первой концевой пластины к опорному кольцу в непосредственной близости от первого бокового края опорного кольца, и прикрепление упомянутой второй концевой пластины к опорному кольцу в непосредственной близости от второго бокового края опорного кольца.
17. Способ по признаку 15, дополнительно предусматривающий нижеследующие этапы:
- обеспечение двух или большего количества упомянутых узлов;
- последовательное соединение узлов путем прикрепления второго бокового края предыдущего узла к первому боковому краю последующего узла.
18. Применение компрессионного корпусного узла, выполненного в соответствии с любым из признаков 1-14, для демпфирования вибраций и защиты по меньшей мере одного набора топливных элементов или набора электролитических элементов.
Далее изобретение иллюстрируется прилагаемыми чертежами, представляющими примеры вариантов осуществления изобретения.
Фиг.1 представляет собой разрез в виде сбоку компрессионного корпусного узла, включающего в себя установленный в корпусе пакет элементов, согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.2 представляет собой разрез в виде сбоку компрессионного корпусного узла, включающего в себя установленный в корпусе пакет элементов, согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.3 представляет собой разрез в виде с торца компрессионного корпусного узла, включающего в себя установленный в корпусе пакет элементов, согласно другому варианту осуществления изобретения.
Фиг.4 представляет вид в изометрии компрессионного корпусного узла, оснащенного концевыми плитами в качестве газовых коллекторов, радиально проходящих топливных газовых труб и аксиальных проходящих труб оксидного газа.
Фиг.5 представляет вид в изометрии компрессионного корпусного узла, оснащенного концевыми плитами в качестве газовых коллекторов, радиально проходящих топливных газовых труб и радиально проходящих труб оксидного газа.
Фиг.6 представляет вид в изометрии компрессионного корпусного узла, оснащенного концевыми плитами в качестве газовых коллекторов, аксиально проходящих топливных газовых труб и аксиально проходящих труб оксидного газа.
Фиг.7 представляет разрез в виде сбоку компрессионного корпусного узла с двумя пакетами, соединенными последовательно в катодный поток соединением встык двух фиксирующих опорных колец.
Фиг.8 представляет собой разрез в виде с торца компрессионного корпусного узла с четырьмя пакетами, соединенными в параллельный катодный поток.
Общее описание позиций:
101, 201, 301, 401,
501, 601, 701, 801:
жесткое фиксирующее опорное кольцо;
102,202, 302, 702,802:
верхний жесткий силовой распределительный элемент;
103,203,303, 703,803:
нижний жесткий силовой распределительный элемент;
104, 804:
первый боковой жесткий силовой распределительный элемент;
105, 805:
второй боковой жесткий силовой распределительный элемент;
106, 206, 306, 706, 806:
гибкий компрессионный мат;
109, 209, 309, 709, 809:
пакет элементов, коробчатая форма;
210, 410, 510, 610, 710:
впускной коллектор оксидного газа;
211, 411, 511, 611, 711:
впускной трубопровод оксидного газа;
212, 712, 812:
выпускной коллектор оксидного газа;
213, 413, 513,613,713:
выпускной трубопровод оксидного газа;
421, 521, 621:
впускной трубопровод топливного газа;
422, 522, 622:
выпускной трубопровод топливного газа;
731:
промежуточный коллектор оксидного газа.
Со ссылкой на Фиг.1, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения подлежащий компрессии пакет 109 элементов выполнен коробчатой формы и представляет собой укомплектованный набор из внутренних и внешних элементов. Топливный газ подают в элементы и удаляют из них через внутренние коллекторы, соединенные с топливными трубами (не показано). Оксидирующий газ подается на один край элементов (топливные элементы или электролитические элементы, как это было пояснено ранее), далее газ протекает через зоны элементов и удаляется далее с другого края элементов. Когда элементы собраны в пакет, то упомянутые параллельные края образуют две боковых стороны пакетов, которые затем должны быть соединены с двумя наружными опорными кольцами. На Фиг.1 набор 109 элементов коробчатой формы виден со стороны впуска оксидирующего газа. В данном варианте осуществления изобретения к четырем сторонам набора элементов применены жесткие и теплоизолирующие силовые распределительные элементы 102, 103, 104, 105: верхняя и нижняя стороны, а так же две стороны без отверстий для оксидирующего газа.
Как это показано на Фиг.1, каждый из четырех силовых распределительных элементов выполнен планарным по поверхности, которая имеет контакт с набором элементов, в то время как противоположная поверхность каждого из силовых распределительных элементов имеет выпуклую форму в одном измерении и линейную форму в направлении, параллельном оси выпуклой кривой. Выпуклая кривая силовых распределительных элементов в данном варианте осуществления-изобретения имеет форму дуги окружности, в частности арки в четверть окружности. Вследствие этого, когда четыре силовых распределительных элемента установлены каждый на своей соответствующей стороне набора, то четыре имеющие выпуклую форму поверхности вместе образуют цилиндрическую форму, по существу без каких-либо промежутков между силовыми распределительными элементами и набором. Силовые распределительные элементы могут быть выполнены, в зависимости от конкретных требований (термостойкая изоляция, газонепроницаемость, жесткость, дополнительные функции), и из широкого диапазона материалов. Примерами материалов для силовых распределительных элементов являются: керамика, стекло, металл или сочетание из них, пористый силикат кальция или стекловолокно, усиленное силикатом кальция. В некоторых применениях теплоизоляция является желательной характеристикой силовых распределительных элементов, в то время как в других применениях она не желательна. Силовые распределительные элементы могут даже выполнять роль активных компонентов, например анодных теплообменников.
Гибкий компрессионный мат расположен вокруг узла из пакета элементов и четырех силовых распределительных элементов. Гибкий компрессионный мат крепко охватывает узел, а концы мата прочно подогнаны друг к другу, например, торцевым скреплением концов, или в виде шпунтового соединения. Компрессионный мат имеет характеристики, которые очень хорошо подходят для сжатия SOFC в условиях высокой температуры. Он является, по существу, газонепроницаемым, он устойчив к температуре, и является сжимающимся, поэтому чем на большее расстояние его сжимают, тем большее компрессионное усилие он оказывает в обратном сжатию направлении. Компрессионный мат избавляет от необходимости применения металлических компрессионных пружин, поскольку он, при сжатии на соответствующее расстояние, оказывает компрессионное давление на набор элементов. Данное "соответствующее расстояние" может быть определено либо по известному модулю упругости компрессионного мата, либо просто экспериментально методом последовательных приближений. Предварительным условием является потребность сжатия наборов, которая устанавливается экспериментально и которая является конкретной для рассматриваемого набора элементов. Компрессионное усилие на набор создают стягиванием с заданным усилием компрессионного мата вокруг набора. Другим способом определения подходящего компрессионного расстояния компрессионного мата является приложение устройства измерения сил между поверхностями корпуса набора и силовыми распределительными элементами, и последующее сжатие охватывающего мата до достижения заданного компрессионного усилия, воздействующего на набор и определяемого по устройствам измерения сил. Сразу после завершения данного эксперимента, на основании данных замеров на компрессионных матах, могут быть изготовлены дополнительные компрессионные устройства с аналогичными характеристиками. Необходимые характеристики компрессионного мата могут быть получены для диапазона известных специалистам в данной области техники материалов, некоторыми из которых являются: огнеупорное керамическое волокно или стекловолокно, оксидо-магниевое кварцевое волокно, волокно из оксида алюминия, содержащее дозу кварца, низкощелочные алюминосиликатные составы, содержащие один, или более следующих окислов: диоксид циркония, хром или диоксид титана, или вермикулит.
Узел компрессионного корпуса дополняется жестким фиксирующим опорным кольцом, которое охватывает набор, силовые распределительные элементы и компрессионный мат. Фиксирующее опорное кольцо служит нескольким целям, наиболее важной из которых является фиксация компрессионного мата в заданном сжатом состоянии, которое необходимо для оказания требуемого компрессионного усилия на набор. Фиксирующее опорное кольцо может быть изготовлено из широкого набора материалов, таких, как металлы, пластики, композитные материалы, стекловолокно, углеродное волокно или другие материалы, известные специалистам в данной области техники. Например, если фиксирующее опорное кольцо изготовлено из стали, то оно может быть в виде охватывающего узел тонколистового материала, затянутого с заданным компрессионным усилием натяжными хомутами, или чем-то подобным. При достижении заданного размера, лист может быть заварен вдоль краев, образуя, таким образом, затянутое фиксирующее цилиндрическое опорное кольцо вокруг компрессионного мата, силовых распределительных элементов и набора. Фиксирующее опорное кольцо дополнительно служит в качестве защитного ограждения набора элементов. При описанной «упаковке» набора, он защищен термически, защищен от ударов и вибрации гибким компрессионным матом и хорошо защищен опорным кольцом от механических повреждений, царапин и тому подобного.
Опорное кольцо может дополнительно служить в качестве части впускного и выпускного коллектора оксидного газа. При строго подобранных допусках компрессионный мат и фиксирующее опорное кольцо образуют, по существу, газонепроницаемый барьер между стороной впуска оксидного газа и стороной выпуска оксидного газа набора. Даже если небольшой дозе оксидного газа удастся пройти через компрессионное устройство от входной стороны до выпускной стороны, то она окажет лишь небольшое влияние на работоспособность набора.
По Фиг.2 можно видеть, что если фиксирующий замок имеет более крупный размер, является более широким, чем набор 206 топливных элементов (или батарея электролитических элементов), и окружающих его силовых распределительных элементов 202, 203 и компрессионного мата 206, то устройство снабжено ограничивающим опорным кольцом как на стороне впуска оксидного газа, так и на стороне выпуска оксидного газа. Когда данное опорное кольцо снабжено крышкой, то очень просто обеспечивается впускной коллектор 210 и выпускной коллектор 212. Крышка может быть изготовлена из того же самого стального материала, что и фиксирующее опорное кольцо, и оба могут быть совместно сварены, что обеспечивает газонепроницаемый и очень жесткий коллектор по сравнению с известными наружными коллекторами, которым требуется подгонка индивидуальных уплотнителей и устройств крепления. Благодаря этому устройство компрессионного корпуса выполнено в виде контейнера давления, который может быть легко рассчитан по размерам, чтобы выдерживать существенное избыточное давление, что имеет место, например, в устройствах турбин. Очень большим дополнительным преимуществом является то, что эксплуатация наборов топливных элементов при таком повышенном давлении поднимает потенциал Нернста, что значительно увеличивает электрический КПД набора топливных элементов. Оксидный газ подают во впускной коллектор по впускной трубе 211 оксидного газа и удаляют из выпускного коллектора по выпускной трубе 213. Топливный газ подают и удаляют из набора по внутренним коллекторам, известным в данной области техники (не показаны), а впускная и выпускная топливные трубы (не показаны) обеспечивают подачу к внутренним коллекторам в набор через отверстия в фиксирующем опорном кольце, компрессионном мате и далее через силовые распределительные элементы (не показаны). Трубы топливного газа могут быть герметизированы в фиксирующем опорном кольце, компрессионном мате и силовых распределительных элементах с помощью известных технологий и материалов, например, сваркой или припаиванием, при помощи иных аналогичных технологий
В дополнительном варианте осуществления изобретения, не показанном, компрессионный корпусный узел, включающий один или большее количество наборов, может быть надежно и просто закреплен на боковом коллекторе, даже если опорное кольцо выполнено не шире набора, силовых распределительных элементов и узла компрессионного мата. Если опорное кольцо имеет, по существу, ту же самую ширину, что и остальное в упомянутом устройстве, все равно концевая пластина может быть легко закреплена на опорном кольце по любой соответствующей технологии. Если концевая пластина задана слегка выпуклой формы, то коллекторный объем будет выполнен для распределения оксидного газа между элементами, а концевая пластина, в случае применения металла, может быть просто приварена, прикреплена, припаяна к опорному кольцу или развальцована на нем аналогично решению на Фиг.2 и, таким образом, образовать газонепроницаемое, стойкое к давлению и очень надежное устройство.
Компрессионный корпусный узел, показанный на Фиг.2, образует, таким образом, простой, газонепроницаемый, стабильный и надежный блок набора элементов.
Для повышения эффективности топливных элементов предпочтительным может быть последовательное соединение наборов. Как показано на Фиг.7, настоящий узел очень хорошо подходит для данной цели, поскольку выпускной коллектор 712 первичных наборов 709 и последующий впускной коллектор 710 упомянутых наборов 709 могут быть пропущены, а два фиксирующих опорных кольца затем просто сварены вместе.
Таким образом, объем промежуточного коллектора 731 увеличивается между двумя последовательно соединенными наборами, если охватывающее фиксирующее опорное кольцо 701 выполнено более широкими, чем наборы. Трубы могут быть соединены с промежуточным коллектором, обеспечивая возможность введения дополнительного оксидного газа, пара, тонкораспыленной воды или других технологических газов, или текучих сред. Кроме этого устройство данного компрессионного корпусного узла представляет собой прочный и простой блок, который адаптирован к простому, прочному, стойкому к давлению и газонепроницаемому последовательному соединению ряда наборов топливных элементов.
Как это видно на Фиг.8, согласно данному изобретению также достижимо параллельное соединение наборов топливных элементов или наборов электролитических элементов. Два, или более, набора 809 могут быть размещены один над другим или бок о бок. Не имеет значения, какие или как много наборов размещено параллельно, силовые распределительный элементы 802, 803, 804, 805 могут быть закреплены вокруг наборов, а компрессионные маты 806 могут быть размещены между наборами, чтобы заполнить пустоты и сравнять неровности. При таком выравнивании параллельно размещенных двух, или более, наборов, может быть получен простой, прочный, стойкий к давлению и газонепроницаемый компрессионный корпусный узел.
На Фиг.3 показан вариант осуществления изобретения, согласно которому только к верху и низу набора 309 элементов применены силовые распределительный элементы 302, 303. Боковые стенки набора применены только с компрессионным матом 306 не с целью сжатия, а единственно для обеспечения газонепроницаемого ограждения набора. Данный вариант использует тот факт, что набору элементов в основном требуется сжатие сверху на дно, в то время как боковое сжатие является менее важным для устойчивости и эффективности набора. Таким образом, данный вариант осуществления изобретения не только сохраняет боковые силовые распределительные элементы, но также значительное пространство.
Фиг 4, 5 и 6 показывают, каким образом топливный впуск 421, 521, 621 и выпускные трубы 422, 522, 622 могут быть соединены с упакованным набором топливных элементов или наборов электролитических элементов. Трубы проходят по опорному кольцу 401, 501, 601 и далее по компрессионному силовому мату и силовым распределительным элементам (не видимым на Фиг.4, 5 и 6), и к внутреннему коллектору набора элементов. В варианте осуществления трубы могут быть изготовлены из материала, например стали, который может быть приварен или припаян к опорному кольцу с получением надежного и газонепроницаемого набора элементов. Устройство на Фиг.4 является аналогом вариантов осуществления изобретения по Фиг.1 и Фиг.2, иное решение показано на Фиг.5, где трубы 511, 513 оксидного газа смонтированы на цилиндрической стороне опорного кольца с, по существу, ортогональным продолжением до центральной оси цилиндра. Данный вариант осуществления изобретения может быть предпочтительным, когда труба предусмотрена только на одной боковой стороне набора элементов. На Фиг.6 показан вариант осуществления, в котором как трубы 611, 613 оксидного газа, так и трубы 621, 622 топливного газа проходят, по существу, параллельно оси цилиндра, проходящей через коллекторы оксидного газа.