КОНФИГУРАЦИИ БАТАРЕЙ ТРУБЧАТЫХ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
CONFIGURATIONS OF BATTERIES OF TUBULAR SOLID-OXIDE FUEL ELEMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к конфигурациям батарей трубчатых твердооксидных топливных элементов (ТТОТЭ), более конкретно к конфигурациям батарей ТТОТЭ, имеющих металлические опорные трубки с расположенными внутри них мембранами топливных элементов.
Уровень техники, предшествующий изобретению
[0002] Устройства, обычно известные как топливные элементы, содержат пластины или трубки, которые непосредственно преобразуют в электричество энергию, высвобождающуюся при окислении водорода. Топливные элементы предоставляют потенциальную возможность реализации чистых, бесшумных и эффективных источников питания для портативной генерации электроэнергии. Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), особенно трубчатые твердооксидные топливные элементы (ТТОТЭ), являются особенно привлекательными кандидатами для применения при распределенном или централизованном снабжении электроэнергией.
[0003] Технология ТОТЭ обладает потенциальной возможностью обеспечения высоких плотностей мощности, продолжительных сроков службы со стабильными рабочими характеристиками и способности к использованию разнообразных источников топлива без дорогостоящего реформинга или очистки газа, а также обеспечивает высокую эффективность системы в широком диапазоне выработки электроэнергии для транспортировки.
[0004] Критические ограничения текущего состояния технологии ТОТЭ, такие как длительное время запуска (обычно от нескольких минут до часов) и высокая стоимость материалов для их изготовления, имеют большое значение при оценке их применения в автомобилях.
Задачи изобретения
[0005] Соответственно задачи настоящего изобретения включают: предоставление конфигураций ТОТЭ, которые минимизируют использование дорогостоящих материалов, минимизируют производственные затраты, минимизируют время запуска и максимизируют эффективность выработки электроэнергии. Дополнительные и другие задачи настоящего изобретения станут очевидными из представленного здесь описания.
Сущность изобретения
[0006] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения вышеуказанные и другие задачи решаются посредством блока топливных элементов, который включает в себя набор трубок твердооксидных топливных элементов, имеющих пористые металлические внешние поверхности, внутренние слои топливных элементов и внутренние поверхности, причем каждая из этих трубок имеет по меньшей мере один открытый конец. С этим набором трубок твердооксидных топливных элементов сообщается при работе по меньшей мере один коллектор, который включает в себя структуру для направления первого реакционного газа в соприкосновение с пористыми металлическими внешними поверхностями и структуру для направления второго реакционного газа в соприкосновение с внутренними поверхностями. Коллектор также включает в себя по меньшей мере одну электропроводную шину, расположенную в электрическом контакте с по меньшей мере одной поверхностью, выбранной из группы, состоящей из пористых металлических внешних поверхностей и внутренних поверхностей.
Краткое описание чертежей
[0007] Фиг.1 представляет собой вид в перспективе сборки топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением.
[0008] Фиг.2a представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей сборки топливных элементов с плотно упакованной конфигурацией в соответствии с настоящим изобретением.
[0009] Фиг.2b представляет собой схематический местный вид с торца сборки трубок топливных элементов с плотно упакованной конфигурацией в соответствии с настоящим изобретением.
[0010] Фиг.2c представляет собой схематический местный вид с торца сборки трубок топливных элементов с плотно упакованной конфигурацией в соответствии с настоящим изобретением.
[0011] Фиг.3 представляет собой местный вид в перспективе с пространственным разделением деталей сборки топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением.
[0012] Фиг.4 представляет собой местный вид в перспективе с разрезом сборки топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением.
[0013] Фиг.5 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей сборки топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением, в которой трубки объединены в батарею с неплотно упакованной конфигурацией.
[0014] Фиг.6 представляет собой местный вид в перспективе с пространственным разделением деталей сборки топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением, в которой трубки объединены в батарею с неплотно упакованной конфигурацией.
[0015] Фиг.7 представляет собой местный вид в перспективе с разрезом сборки топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением, в которой трубки объединены в батарею с неплотно упакованной конфигурацией.
[0016] Фиг.8 представляет собой вид в перспективе не в масштабе трубки топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
[0017] Фиг.9 представляет собой схематический вид с торца сборки трубок топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением, в которой трубки объединены в батарею с полуплотно упакованной конфигурацией.
[0018] Фиг.10 представляет собой местный вид в перспективе с пространственным разделением деталей сборки топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением, в которой трубки объединены в батарею с полуплотно упакованной конфигурацией.
[0019] Фиг.11 представляет собой местный вид в перспективе с пространственным разделением деталей сборки топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением, в которой трубки объединены в батарею с полуплотно упакованной конфигурацией и соединены последовательно.
[0020] Фиг.12 представляет собой местный вид в перспективе с пространственным разделением деталей другого конца сборки топливных элементов, показанной на Фиг.11.
[0021] Фиг.13 представляет собой местный вид сверху в сечениях A на Фиг. 11 и B на Фиг.12.
[0022] Фиг.14 представляет вид в перспективе коллектора в соответствии с настоящим изобретением, в котором трубки объединены в батарею с неплотно упакованной конфигурацией и соединены последовательно.
[0023] Фиг.15 представляет собой вид в перспективе другой стороны коллектора, показанного на Фиг.14.
[0024] Фиг.16 представляет собой вид в перспективе коллектора на другом конце сборки топливных элементов, противоположного коллектору, показанному на Фиг.14.
[0025] Фиг.17 представляет собой вид в перспективе другой стороны коллектора, показанного на Фиг.16.
[0026] Фиг.18 представляет собой местный вид осевого сечения одного из отверстий в коллекторе, показанном на Фиг.14.
[0027] Эквивалентные элементы на фигурах обозначены сходными номерами.
[0028] Для лучшего понимания настоящего изобретения вместе с его другими и дополнительными задачами, преимуществами и возможностями в приведенном ниже описании и в прилагаемой формуле изобретения делаются ссылки на вышеописанные чертежи.
Подробное описание изобретения
[0029]
2
3
2
3
[0030] Настоящее изобретение усовершенствует ТТОТЭ посредством использования комбинации внешней, предпочтительно металлической, опорной структуры и внутренних мембран в уникальной конфигурации батареи. Обращаясь к Фиг.8, там показан пример трубки 18 ТТОТЭ, имеющей круглое поперечное сечение. Трубка 18 открыта на обоих концах. Пористая металлическая опорная трубка 111 с внешними поверхностями 116 покрыта с внутренней стороны пористым анодом 112, таким как, например, Ni-Ni стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония (YSZ). Анод 112 покрыт с внутренней стороны плотным электролитом 113, таким как, например, YO-ZrO. Плотный электролит 113 покрыт с внутренней стороны пористым катодом 114, таким как, например, LaMnO. Пористый катод 114 обеспечивает внутренние поверхности 118. Составы, используемые для изготовления трубок ТТОТЭ, не критичны для настоящего изобретения. Более того, расположение слоев анода и катода может быть изменено на обратное, так что анод располагается радиально изнутри катода.
[0031] На Фиг.1 показан блок 1 ТТОТЭ в сборе, который содержит корпус (кожух) 2 и торцевые крышки 4, 10. Впускная торцевая крышка 4 имеет отверстия 6 для проникновения воздуха в блок 1, впуск 8 топлива и гнездо 9 с фланцем для «внутреннего» электрического вывода 14, причем фланец обеспечивает уплотнение и/или электрическую изоляцию. Выпускная торцевая крышка 10 имеет отверстие 12 для выпуска топлива и отверстия для выпуска воздуха, подобные показанным отверстиям 6. Кожух 2 может иметь гнездо 3 с фланцем для «внешнего» токосъемника 16, причем фланец обеспечивает уплотнение и/или электрическую изоляцию. Впускная торцевая крышка 4 и выпускная торцевая крышка 10 идентичны одна другой, за исключением размещения внутреннего электрического вывода 14, который может быть расположен в любом удобном для этого месте, например на одной или обеих торцевых крышках 4, 10.
[0032] На Фиг. 2a-4 представлены варианты осуществления изобретения, в которых трубки 18 объединены в батарею с плотно упакованной конфигурацией при взаимном соприкосновении внешних металлических поверхностей (пористых металлических опорных трубок 111) трубок 18. На Фиг. 2b и 2c представлены соответственно прямоугольная 17 и сотовая 17' плотно упакованные конфигурации сборок топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением. Также показаны соответствующие пустоты 19, 19'.
[0033] В такой плотно упакованной конфигурации может быть использована одна или более металлических лент 22, способствующих поддержке батареи 15 трубок 18. Ленты 22 электрически изолированы от кожуха 2; такая изоляция может быть обеспечена обычными средствами, такими как воздушный зазор или электрическая изоляция, прикрепленная к лентам 22 и/или кожуху 2. Кроме того, батарея может быть обернута электрической изоляцией.
[0034] Поскольку все металлические внешние поверхности трубок 18 находятся в осевом контакте с каждой соседней трубкой 18, то трубки 18 обеспечивают непрерывное протекание тока через батарею 15. Ленты 22 и/или пластина-токосъемник 20 обеспечивают обычное электрическое соединение (шину) с «внешним» электрическим выводом 16. «Внешний» электрический вывод 16 вытянут через отверстие 3 в кожух 2 и электрически изолирован от него изолятором 24.
[0035] Батарея 15 также поддерживается на каждом конце различными функциональными компонентами. Первый такой компонент представляет собой теплоизолятор 30, такой как оксид алюминия или другой выдерживающий высокие температуры материал, который предотвращает соприкосновение концов трубок 18 с коллектором 28. В теплоизоляторе 30 сформирован первый набор отверстий 40, которые обеспечивают проход к внутренним пространствам трубок 18, и второй набор отверстий 42, которые обеспечивают проход к пустотам 19. В данном варианте осуществления изобретения пустоты 19 включают в себя пространство вокруг внешней стороны батареи 15 и внутри кожуха 2.
[0036] Вторым компонентом является электропроводный коллектор 28, который имеет две выполненные за одно установочные пластины 44, 46, разделенные топливной камерой 48. Внешняя установочная пластина 44 обращена к впускной торцевой крышке 4; промежуток между ними представляет собой воздушную камеру 54. Внутренняя установочная пластина 46 обращена к изолятору 30. Коллектор также имеет сквозные проходы 50, которые обеспечивают сообщение текучей средой между воздушной камерой 54 и внутренними пространствами всех трубок 18. Топливная камера 48 взаимосоединяет все пустоты 19 через отверстия 52 во внутренней установочной пластине 46, которые расположены соосно отверстиям 42 второго набора в изоляторе. Сквозные проходы 50 имеют удлинения 56, которые выступают из внутренней установочной пластины 46 и вставляются в трубки 18, контактируя с их внутренней поверхностью.
[0037] Коллектор 28 служит в качестве внутренней шины или поддерживает внутреннюю шину и включает в себя внутренний электрический вывод 14, который предпочтительно выполнен за одно с коллектором 28, однако может быть отдельным компонентом. Удлинения 56 являются токосъемниками.
[0038] Коллектор 28 является важным для изобретения, направляя воздух в трубки 18, направляя топливо вокруг трубок 18 и обеспечивая электрические соединения с внутренними сторонами трубок 18. В описанной выше конфигурации внешние стороны трубок 18 омываются топливом (водородом), что предотвращает окисление их металлических компонентов. Внутренние стороны трубок 18 омываются воздухом. Электрохимическая реакция для выработки электроэнергии является результатом переноса кислорода через мембрану трубки 18 (топливного элемента) и реакции кислорода с водородом на границе раздела мембраны с топливной стороны трубки 18.
[0039] Третий компонент представляет собой изолятор 32, который предотвращает электрический контакт коллектора 28 с кожухом 2 и торцевой крышкой 4. Изолятор 32 включает в себя удлинение 62 для внутреннего электрического вывода 14 и топливного отверстия 64. Данный изолятор также герметизирует топливную камеру 48.
[0040] Четвертым компонентом является торцевая крышка 4, которая включает в себя отверстия 6 для проникновения воздуха в блок 1, впуск 8 топлива, гнездо 9 для внутреннего электрического вывода 14 и уплотняющее соединение с кожухом 2, такое как канавка 68. Если торцевая крышка 4 изготовлена из изолирующего материала, то торцевая крышка 4 и изолятор 32 могут быть выполнены за одно и/или крышка может служить изолятором. Опорное средство также включает в себя кожух 2.
[0041] На Фиг. 5-7 показан вариант осуществления изобретения, в котором трубки 18 объединены в батарею с неплотно упакованной конфигурацией. В такой батарее 120 с неплотно упакованной конфигурацией внешние металлические поверхности трубок 18 отделены и не соприкасаются одна с другой. Трубки 18 удерживаются в соответствующих положениях в батарее 120 упомянутыми компонентами на обоих их концах. Батарея 120 закрыта кожухом 122.
[0042] Батарея 120 закрыта на обоих концах опорным средством, которое может включать в себя различные функциональные компоненты. Первым таким компонентом является внешняя шина 124, которая находится в электрическом соединении с внешними металлическими компонентами трубок 18. Внешняя шина 124 имеет отверстия 126, которые расположены соосно трубкам 18 для обеспечения возможности проникновения через них воздуха. Внешняя шина 124 может иметь столбиковые выводы, крылья, фланцы или другие виды удлинений 125, которые связаны с отверстиями 126, проходят поверх трубок 18 и контактируют с их внешними поверхностями для обеспечения электрического соединения с ними. Внешняя шина 124 может быть припаяна, приварена, припрессована или иным образом прочно закреплена на каждой трубке 18 для того, чтобы удерживать батарею 120 в скрепленном состоянии и/или обеспечивать надежное электрическое соединение. Для поддержки трубок между их концами могут быть использованы другие пластины (не показаны), подобные по форме внешней шине 124 и являющиеся электропроводными или неэлектропроводными. Внешняя шина 124 может иметь выполненный за одно вывод 127, такой как, например, перемычка, штырь или столбиковый вывод.
[0043] Следующим компонентом является изолятор 128 с отверстиями 130, которые расположены соосно трубкам 18 для обеспечения возможности проникновения через них воздуха. Изолятор 128 плотно прижимается к внешней шине 124.
[0044] Следующим компонентом является внутренняя шина 132 с отверстиями 134, которые расположены соосно трубкам 18 для обеспечения возможности проникновения через них воздуха. Внутренняя шина 132 плотно прижимается к изолятору 128, который предотвращает электрический контакт между внешней шиной 124 и внутренней шиной 132. Внутренняя шина 132 имеет столбиковые выводы, крылья, фланцы или другие виды удлинений 136, которые связаны с отверстиями 134, проходят в трубки 18 и контактируют с их внутренними поверхностями для обеспечения электрического соединения с ними. Внутренняя шина 132 может быть припаяна, приварена, припрессована или иным образом прочно закреплена внутри каждой трубки 18 для того, чтобы удерживать батарею 120 в скрепленном состоянии и/или обеспечивать надежное электрическое соединение. Внутренняя шина 132 может иметь выполненный за одно вывод 137, такой как, например, перемычка, штырь или столбиковый вывод.
[0045] Следующим компонентом является торцевая крышка 138, которая либо является изолирующей, либо включает в себя изолирующую (т.е. электроизолирующую) внутреннюю облицовку для предотвращения электрического контакта и, соответственно, короткого замыкания шин 124, 132. Может быть использован компонент, подобный изолятору 32, описанному выше. Торцевая крышка 138 может иметь те же самые или сходные признаки, что и торцевая крышка 4, описанная выше. Торцевая крышка 138 может иметь изолирующую опору 139 выводов для размещения электрических выводов 127, 137. Изолирующая опора 139 выводов может быть втулкой, взаимозамыкающимся соединителем или любой другой структурой, которая обеспечивает по меньшей мере одно из простоты сборки, опоры выводов, изоляции, упрочнения и закрепления.
[0046] Внешняя шина 124, изолятор 128 и внутренняя шина 132 могут быть выполнены за одно в виде одного компонента, имеющего множество слоев. Изолятор может служить в качестве опоры для трубок и может иметь электропроводные (например, металлические) покрытия на каждой стороне, служащие в качестве шин 124, 132.
[0047] На Фиг. 9, 10 представлен вариант осуществления изобретения, в котором трубки 18 объединены в батарею с полуплотно упакованной конфигурацией при соприкосновении внешних металлических поверхностей трубок 18 одной с другой в подбатареях 210, разделенных зазорами 212. Подбатареи 210 могут действовать как параллельные резисторы, приводя к протеканию большего тока через блок. За исключением более широкого профиля с тем, чтобы вместить зазоры 212, функциональные торцевые компоненты могут быть по существу такими же, что и описанные выше для плотно упакованной конфигурации, включая изолятор 30', коллектор 28', изолятор 32' и торцевую крышку 4'.
[0048] На Фиг. 11-13 представлен вариант осуществления изобретения, в котором трубки 18 объединены в батарею с полуплотно упакованной конфигурацией, подобной той, что описана выше, но в которой подбатареи 210 соединены последовательно для обеспечения усиленного регулирования полного напряжения и силы тока, выдаваемых блоком. Число трубок 18 в каждой подбатарее 210 определяет достижимую силу тока, выдаваемого блоком, а число подбатарей 210, соединенных последовательно, определяет достижимое полное напряжение, выдаваемое блоком.
[0049] Внешняя шина содержит множество компонентов для обеспечения последовательных соединений. Могут быть использованы любые подходящие средства последовательного соединения; в качестве примера показаны перемычки 220, припаянные мягким или твердым припоем. Другие подходящие средства соединения включают в себя, однако не ограничиваются ими, проволоки, полоски, пластинки, стержни, накладки, вставки и т.п. Внешний электрический вывод 16' может быть соединен с одним из концов последовательности подбатарей 210 непосредственно или при помощи любого подходящего средства соединения, такого как припаянная мягким или твердым припоем перемычка 222, как показано на чертеже.
[0050] Внутренняя шина содержит множество электропроводных компонентов для обеспечения последовательных соединений. Могут быть использованы любые подходящие средства последовательного соединения; в качестве примера показаны электропроводные вставки 224, 228, которые выполнены за одно с изолирующим коллектором 28', 29. Свободные концы первой и последней подбатарей 210 могут быть соединены параллельно однорядными вставками 224, одна из которых имеет расширение 226, которое соединяется с «внутренним» электрическим выводом 14'. Подбатареи 210 соединены последовательно двухрядными вставками 228, которые также обеспечивают параллельные соединения в каждой подбатарее 210. Электропроводные компоненты 224, 228 могут содержать любые подходящие структуры. Другие примеры электропроводных компонентов включают в себя, однако не ограничиваются ими, перемычки, проволоки, полоски, пластинки, стержни, накладки и т.п. Другие функциональные торцевые компоненты могут быть по существу такими же, что и описанные выше для полуплотно упакованной конфигурации, включая соответствующие изоляторы 30', коллекторы 28', 29, изоляторы 32", 33 и торцевые крышки 4', 10'.
[0051] В другом варианте осуществления изобретения неплотно упакованная конфигурация, показанная на Фиг. 5-7, может быть соединена последовательно посредством модификаций, сходных с непосредственно предшествующим вариантом осуществления. Опытному специалисту будет понятно, что имеется большое число возможных вариантов и комбинаций для соединения трубок топливных элементов параллельным и последовательным образом, поскольку отдельные трубки могут быть соединены последовательно или параллельно во всей батарее.
[0052] Например, обращаясь к Фиг. 14-18, последовательное соединение неплотно упакованной конфигурации может быть реализовано при использовании жестких изолирующих опорных пластин 302, 352, чтобы поддерживать трубки на одном конце батареи. Одна из этих изолирующих опорных пластин также включает приспособление для электрического вывода; в показанном примере используется выводная перемычка 308.
[0053] Трубки 18 плотно входят в раззенкованные отверстия 304, которые имеют упорные заплечики 306, чтобы изолировать концы трубок. Внешние шины 310 и внутренние шины 312 размещены плотно прилегающими на соответствующих сторонах опорных пластин 302, 352 в рисунках с зазорами 322, как показано, которые соединяют трубки 18 последовательно и параллельно желательным образом. Показанные рисунки соединяют трубки 18 в параллельные вертикальные батареи, которые последовательно соединены горизонтально. Кроме того, горизонтальное разделение шин 310, 312 приведет к меньшему числу параллельных соединений и большему числу последовательных соединений. Внешние шины 310 и внутренние шины 312 проходят по соответствующим сторонам выводной перемычки 308, чтобы обеспечить внешние электрические соединения с ответной частью соединителя (не показана).
[0054] Для прикрепления внешних шин 310 к внешним сторонам трубок 18 и обеспечения электрического соединения с ними могут быть использованы паяные швы. Для прохождения через отверстия 304 и обеспечения электрического соединения с внутренними сторонами трубок 18 могут быть использованы полые штыри, такие как заклепки 320. Для прикрепления заклепок 320 к внутренним шинам 312 могут быть использованы паяные швы 316.
[0055] Опытному специалисту будет понятно, что описанные выше впуски топлива и воздуха являются типичными по конструкции и могут иметь любые подходящие размер, форму, конфигурацию и/или расположение на блоке. Кроме того, опытному специалисту будет понятно, что электрические выводы, описанные во всех вариантах осуществления выше, являются типичными и общепринятыми по конструкции и могут иметь любые подходящие размер, форму, конфигурацию и/или расположение на блоке. Эти выводы могут быть столбиковыми выводами батареи или могут быть встроены в один(одну) или более электрических вилок, разъемов, розеток и/или т.п. Выводы могут быть соединены с токосъемниками любыми подходящими обычными средствами, такими как, например, проволоки, пластинки, полоски и т.п.
[0056] Признаки настоящего изобретения обеспечивают преимущества уплотнения, поскольку металлическая опора допускает использование паяных и сварных швов.
[0057] Хотя выше было показано и описано то, что в настоящее время считается предпочтительными вариантами осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в них могут быть сделаны различные изменения и модификации без отклонения от объема изобретения, охарактеризованного прилагаемой формулой изобретения.