БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Область техники
Заявленная полезная модель относится к энергетике и может быть использована при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
Уровень техники
Из уровня техники известно техническое решение по конструкции ТОТЭ (см., например, патент РФ №2290726 на изобретение, опубл.), 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 технического решения являются низкая объемная плотность мощности, сложная конфигурация пластин, наличие значительного количества разнородных деталей, что усложняет конструкцию и снижает ресурс работы.
Из уровня техники известно техническое решение (см. пат. РФ №2084053 на изобретение, опубл. 27.12.2006), 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 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.
Из уровня техники известно техническое решение, являющееся наиболее близким - прототипом (см. патент РФ №147533 на полезную модель, опубл. 10.11.2014), в соответствие с которым батарея топливных элементов состоит из верхнего и нижнего коллекторов с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов, и прямоугольными расточками для топливных ячеек с установленными в них обоймами с токосъемниками, нанесенными на наружные стороны обоймы и обеспечивающими электрическое соединение обойм в батарею, электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов и расточками с установленными в них прямоугольными топливными ячейками, содержащими тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах.
Недостатками технического решения являются сниженные удельные характеристики, возникающие за счет лишних масс и размеров обойм и ограниченной поверхности топливных ячеек в единице объема батареи.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение массы обойм за счет уменьшения их количества и увеличение количества топливных ячеек, что приводит к снижению массы и повышению мощности батареи в целом, что в совокупности приводит к существенному увеличению удельной мощности заявленной батареи топливных элементов.
Технический результат достигается тем, что батарея топливных элементов состоит из верхнего и нижнего коллекторов с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов, и прямоугольными расточками с установленными в них обоймами с токосъемниками, нанесенными на наружные части обоймы и обеспечивающими электрическое соединение обойм в батарею, электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов и прямоугольными расточками с топливными ячейками прямоугольной формы, содержащими тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, при этом топливные ячейки прямоугольной формы собраны попарно с помощью треугольных боковых стенок в треугольные сборки так, что внутреннее электродное покрытие верхней топливной ячейки соединено с внешним электродным покрытием нижней топливной ячейки, сборки топливных ячеек прямоугольной формы установлены в расточки обойм так, что внешнее электродное покрытие верхней топливной ячейки соединено с токосъемником прилегающей сверху части обоймы, а внутреннее электродное покрытие нижней топливной ячейки соединено с токосъемником прилегающей снизу части обоймы.
В предпочтительном варианте, сборки топливных ячеек прямоугольной формы расположены на противолежащих сторонах обоймы со смещением и промежутками между собой так, что в батарее сборки топливных ячеек одной обоймы расположены в промежутках между сборками соседних обойм, а угол раствора топливных ячеек в сборке α составляет 15÷45°.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленной полезной модели поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг. 1 приведена схема фронтального вида заявленной батареи топливных элементов, где:
1 - обойма;
1a - правая крайняя обойма;
1б - левая крайняя обойма;
2 - верхний коллектор;
3 - нижний коллектор;
4 - штуцера подвода и отвода реагентов;
5 - сборка топливных ячеек;
5а - верхняя сборка топливных ячеек;
5б - нижняя сборка топливных ячеек.
На фиг. 2 приведен вид сверху на нижний коллектор.
На фиг. 3 и 4 приведены разрезы нижнего коллектора по А-А и Б-Б, где:
6 - внутренний канал коллектора;
7 - расточка нижнего коллектора.
На фиг. 5 приведен вид обоймы со сборками топливных ячеек.
На фиг. 6 и 7 приведены разрезы обоймы по В-В и Г-Г, где:
8 - топливная ячейка;
8а - верхняя топливная ячейка;
8б - нижняя топливная ячейка;
9 - электродная камера;
10 - каналы подвода и отвода реагентов;
11 - токоподводы;
11а - верхний токоподвод;
11б - нижний токоподвод;
На фиг. 8 приведен вид сборки топливных ячеек, где:
12 - электродные покрытия топливной ячейки;
12а - внутреннее электродное покрытие топливной ячейки;
12б - внешнее электродное покрытие топливной ячейки;
13 - боковая стенка сборки топливных ячеек.
На фиг. 9 и 10 приведены вид Е и Д сборки топливных ячеек.
На фиг. 11 приведен вырыв из фиг. 6(Ж), поясняющий коммутацию сборок топливных ячеек в обойме.
Осуществление полезной модели
Батарея топливных элементов (см. фиг. 1) состоит из набора обойм 1, установленных между верхним 2 и нижним 3 коллекторами, имеющими штуцера 4 подвода и отвода реагентов. В обоймах 1 установлены сборки 5 топливных ячеек 8. Верхний 2 и нижний 3 коллекторы имеют внутренний канал 6 и расточки 7 (см. фиг. 2-4). Обоймы 1 установлены в расточки 7 верхнего 2 и нижнего 3 коллекторов.
Сборки 5 топливных ячеек 8, состоящие из двух топливных ячеек 8 (верхней 8а и нижней 8б), установлены в обойме 1, образуя последовательное соединение по току от верхнего 11а до нижнего 11б токоподводов 11 (см. фиг. 5-7, 11). Внутреннее пространство сборки 5 топливных ячеек 8 соединено через электродную камеру 9 с каналами подвода и отвода реагентов 10 обоймы 1. Сборка 5 топливных ячеек 8 с углом раствора α топливных ячеек 15÷45° с электродными покрытиями 12 (см. фиг. 8-10), имеет две боковые стенки 13, образующие вместе с двумя топливными ячейками 8 внутреннее пространство сборки 5. Сборки 5 топливных ячеек 8 расположены на противолежащих сторонах обоймы со смещением и промежутками между собой (см. фиг. 6) так, что в батарее сборки 5 топливных ячеек 8 одной обоймы 1 расположены в промежутках между сборками соседних обойм 1 (см. фиг. 1). Для того, чтобы между верхними 5а и нижними 5б сборками 5 топливных ячеек 8 и верхним 2 и нижним 3 коллекторами не было большого зазора, нарушающего равномерность потока реагентов, поверхность коллекторов 2 и 3 между расточками 7 (см. фиг. 3) выполнена с наклоном 7,5-22,5° от горизонтали, соответствующим наклону топливных ячеек 8. Правая крайняя 1а и левая крайняя 1б обоймы 1 в батарее (см. фиг. 1) выполнены с глухими внешними стенками, образующими совместно с коллекторами 2 и 3 внешний корпус батареи.
Электрическая коммутация сборок в обойме 1 осуществлена следующим образом: внешнее электродное покрытие 12б верхней топливной ячейки 8а (см. фиг. 11) соединено с прилегающим сверху токоподводом 11 обоймы 1, а внутреннее электродное покрытие 12а нижней топливной ячейки 8б соединено с нижележащим токоподводом 11 обоймы 1.
Заявленная батарея топливных элементов работает следующим образом.
Окислительный и восстановительный реагенты подаются один через штуцер подвода 4, внутренний канал 6 нижнего коллектора 3, канал подвода 10 обоймы 1 и электродные камеры 9 во внутреннее пространство сборки 5 к внутренним электродным покрытиям 12а топливных ячеек 8, а второй реагент, подающийся перпендикулярно фронтальной поверхности батареи омывает обоймы 1 и сборки 5 топливных ячеек 8 снаружи, реагируя на внешних электродных покрытиях 12б топливных ячеек 8. Возникающее при этом напряжение последовательно соединенных топливных ячеек 8 снимается токоподводами 11а и 11б с нижней и верхней сторон обоймы 1 и отводится от батареи потребителю. Продукты реакции отводятся через каналы отвода 10 во внутренний канал 6 верхнего коллектора 2.
Оптимизация конструктивных параметров батареи показала, что максимальная объемная плотность мощности достигается при угле раствора а топливных ячеек в сборке 15±45°.
Таким образом, у заявленной батареи топливных элементов снижена масса обойм за счет уменьшения их количества и увеличено количество топливных ячеек, что приводит к снижению массы и повышению мощности батареи в целом, что в совокупности приводит к существенному увеличению удельной мощности заявленной батареи топливных элементов.