ТЕРМИЧЕСКИ ИЗОЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО КОМПОНЕНТА СИСТЕМЫ SOFC-ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УКАЗАННОГО УСТРОЙСТВА
HEAT-INSULATING DEVICE FOR ARRANGEMENT OF, AT LEAST, ONE SOFC-FUEL ELEMENTS SYSTEM COMPONENT AND METHOD OF SAID DEVICE MAKING

Настоящее изобретение относится к устройству для размещения по меньшей мере одного компонента системы SOFC (твердооксидные топливные элементы)-топливных элементов, включающему в себя термически изолирующий внутренний контейнер и окружающий внутренний контейнер внешний контейнер, причем внутренний контейнер включает в себя дно, крышку и боковые пластины, причем внешний контейнер прилегает к дну, крышке и боковым пластинам внутреннего контейнера и сжимает их, и причем по меньшей мере один компонент может быть расположен внутри внутреннего контейнера.
Настоящее изобретение относится, кроме того, к способу изготовления указанного устройства.
Известно о размещении компонентов системы SOFC-топливных элементов, по меньшей мере, частично в так называемом «горячем контейнере», который, в частности, может вмещать, по меньшей мере, частично компоненты системы SOFC-топливных элементов, которые во время работы становятся очень горячими. Такого рода устройство для размещения, по меньшей мере, одного компонента системы SOFC-топливных элементов известно, например, из DE 102006060809 A1.
Проблематичной у такого рода конструкций является, в частности, убыль применяемого изоляционного материала, что может привести к более или менее большим или глубоким щелям или зазорам в изоляции.
В основе настоящего изобретения лежит с учетом этого задача предотвратить образование щелей/зазоров и таким путем улучшить изолирующие свойства.
Эта задача, согласно изобретению, решается посредством того, что дно, крышка и боковые пластины, по меньшей мере, частично могут иметь превышение размера, так что внутренний контейнер может быть собран способом прессовой посадки. За счет превышения размера при сжатии дна, крышки и боковых пластин, которые вместе образуют термически изолирующий внутренний контейнер, обеспечивается прессовая посадка. В частности, начальная убыль дна, крышки и/или боковых пластин вследствие давления или высокой температуры во время работы системы SOFC-топливных элементов не приводит, поэтому, к образованию щелей и/или зазоров между дном, крышкой и/или боковыми пластинами, которые вместе образуют изолирующий внутренний контейнер. Термин «превышение размера» характеризует, следовательно, размеры дна, крышки и боковых пластин относительно друг друга. По меньшей мере, некоторые из размеров дна, крышки и/или боковых пластин превышают возможные максимальные размеры внутреннего контейнера в собранном состоянии. При сборке внутреннего контейнера происходит соответственно прессовая посадка. Прессовая посадка делает возможной беззазорную/бесщелевую сборку частей внутреннего контейнера за счет необходимой для сборки механической деформации частей внутреннего контейнера. Благодаря механической деформации надежно предотвращается и после, в частности, начальной убыли материала на частях внутреннего контейнера, образование тепловых мостов вследствие образования щелей. Дно и/или крышка, и/или боковые пластины могут быть изготовлены, например, из микропористого изолирующего материала. Дно и/или крышка, и/или боковые пластины могут, например, иметь толщину стенки от 3 мм до 50 мм, преимущественно примерно 40 мм. Прилегающий к соответствующим внешним сторонам дна, крышки и боковых пластин внешний контейнер может, например, со всех сторон сжимать внутренний контейнер так сильно, что достигается желательная прессовая посадка. Дно и/или крышка, и/или боковые пластины деформируются при сборке соответственно внешним контейнером.
Предпочтительно, что внешний контейнер включает в себя внешнюю крышку, внешнее дно и внешние боковые пластины. Таким путем может быть реализован простой монтаж внешнего контейнера. Внешняя крышка и/или внешнее дно, и/или внешние боковые пластины могут, например, состоять из пластмассы, которая по сравнению с применяемым для изолирующего внутреннего контейнера изоляционным материалом имеет более высокую прочность. В частности, внешняя крышка и/или внешнее дно, и/или внешние боковые пластины могут быть изготовлены из полиамида или металла. Внешнее дно и/или внешняя крышка, и/или внешние боковые пластины могут быть изготовлены, например, способом литья под давлением. Внешнее дно и/или внешняя крышка, и/или внешние боковые пластины могут, например, иметь толщину стенки от 10 мм до 30 мм, преимущественно 20 мм.
Предпочтительно, что внешняя крышка и/или внешние боковые пластины, и/или внешнее дно фиксирующими приспособлениями могут быть соединены в окружающий внутренний контейнер внешний контейнер. Таким путем внешний контейнер может равномерно со всех сторон сжимать внутренний контейнер. Применяемыми фиксирующими приспособлениями могут быть, например, винты и/или гайки, и/или заклепки. В частности, фиксирующими приспособлениями могут быть шурупы, так что, с одной стороны, может создаваться разъемное соединение между внешней крышкой и/или внешним дном, и/или внешними боковыми пластинами и одновременно можно обойтись без нарезки резьбы для приема шурупа. При определенных условиях можно даже обойтись без отдельного создания сверленого отверстия для приема винта. Фиксирующими приспособлениями могут быть, кроме того, клеевые соединения между внешней крышкой и/или внешним дном, и/или внешними боковыми пластинами. Склеивание может быть, например, исполнено не теплостойким, чтобы сначала сделать возможным простой предварительный монтаж внешнего контейнера без дополнительных фиксирующих приспособлений. Окончательный монтаж внешнего контейнера может происходить затем, например, с использованием дополнительных легко разборных фиксирующих соединений, например винтов. За счет этого при проявлении в последующем дефекта после приведения в действие системы SOFT-топливных элементов внешний контейнер без проблем можно открыть снова, не отказываясь от необходимости облегченного предварительного монтажа.
Внешняя крышка и/или внешнее дно, и/или внешние боковые пластины исполнены в качестве жестких полых структур. Таким путем устройство в целом можно изготовить легче, поскольку может быть сэкономлен материал на внешнем контейнере, без снижения в соответствующей степени его прочности. Жесткая полая структура может быть исполнена, например, на обращенной к внутреннему контейнеру стороне и/или на обращенной от внутреннего контейнера стороне внешней крышки и/или внешнего дна и/или внешних боковых пластин посредством тонкого покровного слоя, который может быть составной частью внешней крышки и/или внешнего дна, и/или внешних боковых пластин. Этот тонкий покровный слой может на обращенной к внутреннему контейнеру стороне, способствовать, например, распределению давления. На обращенной от внутреннего контейнера стороне внешнего контейнера тонкий покровный слой может, например, улучшать изоляционное действие устройства, поскольку в жесткой полой структуре образуется изолирующая воздушная подушка.
Кроме того, может быть предусмотрено прижимное устройство с покровной пластиной и прижимной колодкой, причем прижимная колодка расположена, по меньшей мере, частично в прижимном отверстии во внешнем контейнере и сопряженном другом прижимном отверстии во внутреннем контейнере, и причем покровная пластина может фиксироваться на внешнем контейнере, так что прижимная колодка, по меньшей мере, частично вдавливается внутрь внутреннего контейнера. Благодаря наличию прижимного устройства расположенная внутри внутреннего контейнера батарея топливных элементов может отдельно сжиматься в ее предпочтительном термически обусловленном направлении продольного протяжения перпендикулярно к направлению батареи отдельных топливных элементов. Таким путем плотность расположенной во внутреннем контейнере батареи SOFT-топливных элементов может обеспечиваться и при обусловленной работой убыли обычно применяемых стеклянных уплотнителей.
Кроме того, может быть также предусмотрено, что расположенный внутри внутреннего элемента, по меньшей мере, один компонент является батареей SOFC-топливных элементов и/или топливным риформером, и/или блоком дожигателя-теплообменника. Таким путем все или, по меньшей мере, основные части системы SOFC-топливных элементов, которые во время работы нагреваются особенно сильно, могут быть расположены вместе внутри одного и того же изолирующего контейнера.
Может быть также предусмотрено, что во внешнем контейнере и во внутреннем контейнере предусмотрены сопряженные питающие отверстия, через которые могут быть проведены питающие линии, причем через питающие линии топливо и воздух могут подводиться внутрь внутреннего контейнера, и отходящий газ и выработанный ток могут отводиться изнутри внутреннего контейнера. Благодаря наличию сопряженных питающих отверстий во внешнем контейнере и во внутреннем контейнере соединительные линии могут особенно легко подводиться к расположенным внутри устройства компонентам системы SOFC-топливных элементов. В частности, таким путем можно не предусматривать в областях стенок внешнего контейнера и/или областях стенок внутреннего контейнера трудно изготовляемые и присоединяемые присоединения. Питающие линии могут легко вставляться через сопряженные питающие отверстия.
В этой связи может быть предусмотрено, что питающие отверстия во внешнем контейнере могут быть исполнены, по меньшей мере, как одна вставка, которая изготовлена из изоляционного материала, причем изоляционный материал имеет более высокую по сравнению с остальной частью внешнего контейнера прочность. Таким путем может, в частности, достигаться то, что возможно образующиеся у питающих линий тепловые мосты не повреждают внешний контейнер. Кроме того, может обеспечиваться также во время работы системы SOFC-топливных элементов надежное и точное проведение питательных линий через питающие отверстия, так что, в частности, предусмотренные во внутреннем контейнере питающие отверстия не повреждаются питающими линиями, например, не расширяются.
Внешний контейнер включает в себя, по меньшей мере, одно несущее устройство для управляющего прибора и/или для вспомогательного агрегата системы SOFC-топливных элементов, причем управляющий прибор устроен для управления, по меньшей мере, одним пригодным для расположения внутри внутреннего контейнера компонентом.
Таким путем вместе с устройством могут быть монтируемыми и при необходимости заменяемыми другие компоненты системы SOFC-топливных элементов. Кроме того, таким путем становится возможным многократное использование внешнего контейнера.
Дополнительно может быть предусмотрено что, по меньшей мере, одно несущее устройство может монтироваться на внешнем контейнере и/или изготовляться заодно с внешним контейнером. Если несущее устройство смонтировано на исполненном заодно внешнем контейнере, может достигаться разнообразное оформление внешнего контейнера, так что становится возможной индивидуализация расположения пригодных для расположения на несущем устройстве компонентов. Например, в зависимости от наличествующих пространственных условий может изменяться позиционирование отдельных компонентов. Также на заодно исполненном внешнем контейнере могут быть смонтированы разные компоненты, например, разные в отношении их производительности компоненты, которым необходимы разные несущие устройства. Если несущее устройство исполнено заодно с внешним контейнером, например, способом литья под давлением из такого же материала как остальная часть внешнего контейнера, внешний контейнер без дополнительных затрат может использоваться для монтажа компонентов на внешней стороне внешнего контейнера.
Соответствующий изобретению способ основывается на соответствующем родовому понятию способе для изготовления соответствующего изобретению устройства вследствие того, что внутренний контейнер собирается прессовой посадкой.
Изобретение поясняется единственной фигурой, на которой представлено трехмерное изображение в разборном виде устройства для размещения, по меньшей мере, одного компонента системы SOFC-топливных элементов.
Фиг. 1 показывает трехмерное изображение в разобранном виде устройства 10 для размещения, по меньшей мере, одного компонента системы SOFC-топливных элементов. Устройство 10 включает в себя внутренний контейнер 12 и внешний контейнер 14. Внешний контейнер 14 заключает в себе внутренний контейнер 12. Внутри внутреннего контейнера 12 могут быть расположены не изображенные на фигуре 1 компоненты системы SOFC-топливных элементов. Этими компонентами могут быть, например, батарея SOFC-топливных элементов и/или блок дожигателя-теплообменника. Внутренний контейнер 12 включает в себя дно 16, крышку 18 и боковые пластины 20, 22, 24 и 26. Дно 16 и/или крышка 18, и/или боковые пластины 20, 22, 24 и 26 изготовлены из термически изоляционного материала, например из микропористого изоляционного материала. Дно 16 и/или крышка 18, и/или боковые пластины 20, 22, 24 и 26 могут, как показано на фиг. 1, опционно иметь по своим краям меньшую толщину материала, чем на своей соответствующей середине, так что на их соответствующих краях могут образовываться, в частности, обегающие буртики с меньшей толщиной материала. Таким путем при соединении составных частей внутреннего контейнера 12 может предотвращаться образование сквозных зазоров, которые при материальной убыли изоляционного материала приводили бы к сквозной, ослабляющей изолирующее действие внутреннего контейнера 12 щели. Дно 16, крышка 18 и боковые пластины 20, 22, 24 и 26 изготовлены частично с превышением размера, так что полная сборка внутреннего контейнера 12 возможна лишь с применением действующего на внешние стороны внутреннего контейнера 12 давления, которое прилагается внешним контейнером 14. При сборке внутреннего контейнера 12 производится соответственно прессовая посадка. Термин «превышение размеров» характеризует, следовательно, размеры дна 16, крышки 18 и боковых пластин 20, 22, 24 и 26 относительно друг друга. По меньшей мере, некоторые из размеров дна 16, крышки 18 и/или боковых пластин 20, 22, 24 и 26 превышают возможные в собранном состоянии внутреннего контейнера 12 максимальные размеры. При сборке внутреннего контейнера 12 производится соответственно прессовая посадка. Прессовая посадка дает возможность беззазорной/бесщелевой сборки частей внутреннего контейнера 12 за счет необходимой для сборки механической деформации дна 16, крышки 18 и/или боковых пластин 20, 22, 24 и 26 внутреннего контейнера 12. Посредством механической деформации и после, в частности, начальной убыли материала частей внутреннего контейнера 12 надежно предотвращается образование тепловых мостов вследствие образования щелей.
Внешний контейнер 14 может включать в себя внешнюю крышку 28, внешнее дно 30 и внешние боковые пластины 32, 34, 36 и 38. Внешняя крышка 28, внешнее дно 30 и внешние боковые пластины 32, 34, 36 и 38 могут, например, собираться до образования внешнего контейнера 14 с помощью фиксирующих приспособлений 40. В собранном состоянии внутренние стороны внешней крышки 28, внешнего дна 30 и внешних боковых пластин 32, 34, 36 и 38 прилагают равномерные силы давления к внешним сторонам внутреннего контейнера 12, так что они собираются прессовой посадкой. Фиксирующими приспособлениями 40 могут быть, например, винты. Таким путем внешняя крышка 28, внешнее дно 30 и внешние боковые пластины 32, 34, 36 и 38 могут свинчиваться друг с другом. Как показано на фигуре 1, во внешней крышке 28, внешнем дне 30 и внешних боковых пластинах 32, 34, 36 и 38 могут быть предусмотрены отверстия для размещения исполненных в качестве винтов фиксирующих приспособлений 40. Если фиксирующие соединения 40 исполнены в качестве шурупов, может отпадать необходимость в отверстиях или, по меньшей мере, в создаваемой в отверстиях резьбе, которая взаимодействует с фиксирующими приспособлениями 40. Шурупы отверстия и/или резьбы при монтаже внешнего контейнера, то есть при ввинчивании, могут создавать сами. Для облегчения монтажа внешнего контейнера 14 может быть предусмотрено не изображенное явно клеевое соединение между внешней крышкой 28 и внешними боковыми пластинами 32, 34, 36 и 38, а также между внешним дном 30 и внешними боковыми пластинами 32, 34, 36 и 38. Это клеевое соединение может рассматриваться как составная часть фиксирующих приспособлений 40. Если предусмотрено клеевое соединение, можно, в зависимости от потребности, обойтись без других фиксирующих приспособлений, например в форме изображенных на фигуре 1 винтов. Если фиксирующее приспособление 40 включает в себя как изображенные на фигуре 1 винты, так и клеевое соединение между отдельными частями внешнего контейнера 14, для облегчения демонтажа внешнего контейнера 14 может быть предусмотрено, что применяемое клеевое соединение является не теплостойким или водорастворимым. Монтаж внешнего контейнера 14 может тогда подразделяться на предварительный монтаж и заключительный монтаж. Предварительный монтаж может включать в себя соединение внешнего контейнера 14 с помощью склеивания. Заключительный монтаж может включать в себя завершающее ввинчивание исполненных в качестве винтов других фиксирующих приспособлений 40. Таким путем во время заключительного монтажа можно уже обходиться без фиксации внешнего контейнера 14. Если применяемое клеевое соединение является не теплостойким и не водостойким, может также становиться возможным простой демонтаж внешнего контейнера 14. Внешняя крышка 28 и/или внешнее дно 30, и/или внешние боковые пластины 32, 34, 36 и 38 могут быть, как показано на фигуре 1, полой структурой 42. Полая структура 42 может быть, например, простой ячеистой структурой. Полая структура 42 делает возможной экономию материала, которая приводит к уменьшению веса, не уменьшая прочности внешнего контейнера 14. Полая структура 42 может быть покрыта тонкими пластинами, которые добавляются к внешней крышке 28, внешнему дну и внешним боковым пластинам 32, 34, 36 и 38. Таким путем, с одной стороны, может достигаться равномерное распределение действующих на внутренний контейнер 12 сил давления и, с другой стороны, улучшение изолирующего действия устройства 10 за счет заключенных в полой структуре 42 воздушных прослоек.
Устройство 10 может, кроме того, включать в себя прижимное устройство 44. Прижимное устройство 44 может, как показывает фигура 1, включать в себя покровную пластину 46, прижимную колодку 48, пластину 68 для распределения давления и эластичные элементы 66. Прижимная колодка 48 может в смонтированном состоянии прижимного устройства 44 вдавливаться через прижимное отверстие 50 и сопряженное другое прижимное отверстие 52 внутрь внутреннего контейнера 12 и при этом прижимать не изображенную на фигуре 1 батарею топливных элементов. Необходимая для этого прижимная сила может достигаться путем фиксирования покровной пластины 46 с помощью крепежных элементов 70 на внешней крышке 28, причем приложенная сила через эластичные элементы 66 и пластину 68 для распределения давления может равномерно передаваться на прижимную колодку 48. Возможно, что посредством снятия прижимного устройства 44 может выниматься расположенная внутри устройства 10 батарея топливных элементов. Кроме того, возможно, что батарея топливных элементов после сборки вставляется в устройство 10 уже после сборки внутреннего контейнера 12 и внешнего контейнера 14. Приложенная прижимным устройством 44 прижимная сила может регулироваться эластичными элементами 66 и составлять, например, от 500 H до 600 Н, преимущественно примерно 550 Н. Эластичные элементы 66 могут быть исполнены, например, как спиральные пружины.
Внешний контейнер 14 может иметь питающие отверстия 54, 56, 58 и 74. Питающие отверстия 54, 56, 58 и 74 могут проходить через внешний контейнер 14 и внутренний контейнер 12. Возможно, правда, что питающие отверстия 54, 56, 58 и 74 проходят только через внешний контейнер 14. Например, питающие отверстия 54, 56 и 58 могут быть расположены в передней внешней боковой пластине 32. Питающее отверстие 74 может быть, например, расположено во внешнем дне 30. Питающие отверстия 54, 56, 58 и 74 могут служить для подведения топлива и воздуха, а также вывода произведенной электрической энергии и отходящего газа. В частности, если питающие отверстия 54, 56, и 58 проходят через внешний контейнер 14 и внутренний контейнер 12, во внешнем контейнере 14 может быть предусмотрена вставка 60, которая состоит из теплоизоляционного материала, который имеет высокую жесткость. Таким путем могут предотвращаться тепловые мосты у проходящих через питающие отверстия 54, 56 и 58 питающих проводок, которые возможно могли бы вызвать повреждение внешнего контейнера 14 высоким нагревом. Кроме того, таким путем может предотвращаться повреждение питающих отверстий 54, 56 и 58 во внутреннем контейнере 12, например, путем расширения, так как питающие проводки вводятся через отверстия с точностью. Таким путем предотвращается образование щелей между питающими проводками и внутренним контейнером 12, которое может уменьшить изолирующее действие внутреннего контейнера 12.
На внешнем контейнере 14, например, на передней внешней боковой пластине 32, могут быть расположены несущие устройства 62, 64. На фигуре 1, например, изображено несущее устройство 62, которое изготовлено заодно с передней внешней боковой пластиной 32. Несущее устройство 62 может, например, быть исполнено в виде отверстия для размещения не изображенного на фигуре 1 монтажного приспособления на утолщении полой структуры 42. Кроме того, на фиг. 1 изображены несущие устройства 64, которые могут, например, быть смонтированы на передней внешней боковой пластине 32 и, со своей стороны, позволяют проводить монтаж дополнительных компонентов системы SOFC-топливных элементов. И несущее устройство 62 позволяет проводить монтаж дополнительных компонентов системы SOFC-топливных элементов на устройстве 10.
На внешнем дне 30 могут быть расположены, кроме того, опорные элементы 72, которые могут допускать фиксирование устройства 10, например, в не изображенном на фигуре 1 корпусе системы SOFC-топливных элементов.
Тонкое покрытие полой структуры 42 различимо, например, у внешнего дна 30. В качестве альтернативы можно исполнить внешнюю крышку 28 и/или внешнее дно 30 и/или внешние боковые пластины 32, 34, 36 и 38, то есть в частности без полой структуры 42.
Для монтажа устройства 10 сначала дно 16 накладывается на внешнее дно 30. Затем могут предварительно монтироваться на внутреннем дне 16 подлежащие размещению во внутреннем контейнере 12 компоненты системы SOFC-топливных элементов. После этого могут неплотно подводиться боковые пластины 20, 22, 24 и 26 к дну 16. Путем наложения крышки 18 боковые пластины 20, 22, 24 и 26 могут сначала удерживаться временно в этом положении. Теперь происходит монтаж внешних боковых пластин 32, 34, 36 и 38, причем преимущественно сначала закрепляются на внешнем дне 30 две расположенные одна напротив другой внешние боковые пластины, в частности передняя внешняя пластина 32 и задняя внешняя пластина 38. В завершение, внешняя крышка 28 сможет соединяться с остальными частями внешнего контейнера 14, так что как внешний контейнер 14, так и внутренний контейнер 12 являются смонтированными. Вставление прижимного устройства 44 может происходить после монтажа внешней крышки 28.
Раскрытые в приведенном выше описании, в чертежах, а также в формуле изобретения признаки изобретения для осуществления изобретения могут быть существенными как по отдельности, так и в любой комбинации.