БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
Известны технические решения по конструкции ТОТЭ, например, пат. РФ №2290726, в котором батарея состоит из пакета чередующихся пластин с топливными элементами прямоугольной формы, расположенных в обоймах сложного профиля, и пластин разделения газовых потоков со сквозными отверстиями подвода и отвода реагентов через каналы, образованные сочетанием пластин. Недостатками такого технического решения являются низкая объемная плотность мощности, сложная конфигурация пластин, наличие значительного количества разнородных деталей, что усложняет конструкцию и снижает ресурс работы.
Известно техническое решение (пат. РФ №2084053), принятое за прототип, в соответствие с которым батарея топливных элементов состоит из топливных ячеек, содержащих тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, вставленных в обойму с расточкой, охватывающей топливную ячейку, с токосъемниками и электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов.
Недостатками данного технического решения являются невозможность обеспечения одинаковой плотности тока и равномерного подвода реагентов по всей поверхности топливных ячеек при произвольном их размере, что снижает эффективность батареи, и сложность обеспечения равномерного температурного поля топливных ячеек, что может привести к короблению топливных ячеек и выходу их из строя. Недостатком является также необходимость изготовления двух групп топливных ячеек с разным расположением электродных покрытий, что усложняет процесс изготовления и сборки батареи.
Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является обеспечение равномерности плотности тока и подвода реагентов по всей поверхности топливных ячеек и равномерного температурного поля в пределах батареи, что обеспечивает высокую эффективность и большой ресурс работы батареи, а наличие однотипных топливных ячеек упрощает изготовление и сборку батареи.
Для достижения указанного результата предложена батарея топливных элементов, состоящая из топливных ячеек, содержащих тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, вставленных в обойму с расточкой, охватывающей топливную ячейку, с токосъемниками и электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов, причем топливные ячейки выполнены прямоугольными, плоская обойма прямоугольной формы с внутренней электродной камерой выполнена с прямоугольными расточками для топливных ячеек на внешних противоположных сторонах и нанесенными на промежутки между соседними расточками с наружной стороны обоймы токосъемниками, обеспечивающими последовательное соединение топливных ячеек, обоймы в верхней и нижней частях выполнены с каналами по ширине топливной ячейки и установлены в прямоугольные расточки верхнего и нижнего коллекторов, обеспечивающих подвод и отвод восстановительного или окислительного газообразных реагентов в электродные камеры, а коллекторы выполнены с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов, топливные ячейки прямоугольной формы установлены в расточки обоймы длинной стороной друг к другу, а электродное покрытие внутренней стороны топливной ячейки переходит на торец топливной ячейки, где подсоединено к токосъемнику предыдущей нижней расточки, а электродное покрытие внешней стороны топливной ячейки подсоединено к токосъемнику последующей верхней расточки. Кроме того, высота топливных ячеек составляет 10÷15 мм, ширина топливных ячеек превышает высоту в 6÷5 раз, а количество топливных ячеек с одной стороны обоймы составляет 8÷16 шт.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что обеспечивается равномерность плотности тока и подвода реагентов по всей поверхности топливных ячеек и равномерное температурное поле в пределах батареи, что обеспечивает высокую эффективность и большой ресурс работы батареи, а наличие однотипных топливных ячеек упрощает изготовление и сборку батареи.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемой батареи топливных элементов, где
1 - обойма,
2 - верхний коллектор,
2 - нижний коллектор,
4 - штуцера подвода и отвода реагентов.
На фиг. 2 приведен разрез батареи по А-А, где
5 - топливная ячейка.
На фиг. 3 приведен вид сбоку батареи, где
6 - токосъемники.
На фиг. 4 приведен вырыв по И батареи, где
7 - электродная камера,
8 - каналы подвода и отвода реагентов,
9 - расточка нижнего коллектора,
10 - внутренний канал коллектора.
На фиг. 5 приведен вид на обойму с топливными ячейками.
На фиг. 6 приведен разрез обоймы по Г-Г, где
11 - электродные покрытия топливной ячейки.
На фиг. 7 приведен разрез обоймы по Д-Д.
На фиг. 8 приведен разрез обоймы по Е-Е.
На фиг. 9 приведен вид обоймы без топливных ячеек, где
12 - расточка обоймы.
На фиг. 10 приведен разрез по Ж-Ж обоймы без топливных ячеек.
Предлагаемая батарея топливных элементов (фиг. 1) состоит из набора обойм 1, установленных между верхним 2 и нижним 3 коллекторами, имеющими штуцера подвода и отвода реагентов. В обоймах 1 установлены топливные ячейки 5 (фиг. 2), соединенные между собой токосъемниками 6 (фиг. 3). Обоймы выполнены с внутренними электродными камерами 7 (фиг. 4), соединенными каналами подвода и отвода реагентов 8 через расточки 9 коллектора с внутренним каналом 10 коллекторов 2 и 3.
Топливные ячейки 5 выполнены с электродными покрытиями 11 (фиг. 6), причем (фиг. 8) электродное покрытие 11 внутренней стороны топливной ячейки 5 переходит на торец топливной ячейки, где подсоединено к токосъемнику 6 предыдущей нижней расточки 12 (фиг. 9 и 10) обоймы 1, а электродное покрытие 11 внешней стороны топливной ячейки 5 подсоединено к токосъемнику 6 последующей верхней расточки 12 обоймы 1.
Предлагаемая батарея топливных элементов работает следующим образом. Окислительный и восстановительный реагенты подаются один через штуцер подвода 4, внутренний канал 10 и расточку 9 нижнего коллектора 3, каналы подвода 8 в электродные камеры 7 обойм 1 к внутренним электродным покрытиям 11 топливных ячеек 5, а второй реагент омывает обоймы 1 снаружи, реагируя на внешних электродных покрытиях 11 топливных ячеек 5. Возникающее при этом напряжение снимается токосъемниками 6, соединяющими последовательно топливные ячейки 5 с каждой стороны обоймы 1, и отводится от батареи потребителю. Продукты реакции отводятся из электродных камер 7 через каналы 8 во внутренний канал 10 верхнего коллектора 2.
Оптимизация конструктивных параметров предлагаемой батареи показала, что максимальная объемная плотность мощности достигается при высоте топливных ячеек 10÷15 мм, что обеспечивает равномерную плотность тока по поверхности топливной ячейки, ширине топливных ячеек в 6÷15 раз больше высоты и количестве топливных ячеек с одной стороны обоймы 8÷16 шт.
Таким образом, батарея топливных элементов за счет обеспечения равномерности плотности тока и подвода реагентов по поверхности топливных ячеек и равномерного температурного поля в пределах батареи обеспечивает высокую эффективность и большой ресурс работы батареи. Наличие однотипных топливных ячеек упрощает изготовление и сборку батареи.