БЛОК ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
SOLID OXIDE FUEL CELL UNIT

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к усовершенствованному блоку твердооксидного топливного элемента на металлической подложке, батареям топливных элементов, сборкам батарей топливных элементов и способам их изготовления.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технические решения топливных элементов, узлов батарей топливных элементов и систем теплообменника, устройств и способов хорошо известны специалистам в данной области техники и, в частности, включают WO02/35628, WO03/07582, WO2004/089848, WO2005/078843, WO2006/079800, WO2006/106334, WO2007/085863, WO2007/110587, WO2008/001119, WO2008/003976, WO2008/015461, WO2008/053213, WO2008/104760, WO2008/132493, WO2009/090419, WO2010/020797, WO2010/061190, WO2015/004419, WO2015/136295, WO2016/124929, WO2016/124928, WO2016/128721 и WO2016/083780. Все указанные здесь публикации и их ссылки включены сюда посредством ссылки во всей их полноте. Определение используемых здесь терминов можно найти, при необходимости, в вышеуказанных публикациях.
Батареи топливных элементов, сборки батарей топливных элементов, блоки топливного элемента (включая слои батареи топливных элементов) и расположение топливных элементов в батарее топливных элементов и слое батареи топливных элементов хорошо известны.
Настоящее изобретение стремится улучшить предшествующий уровень техники. Настоящее изобретение направлено на улучшение распределения топлива и течения топлива внутри отдельных блоков топливного элемента (слоев батареи топливных элементов). В частности, оно направлено на выполнение одного или более из следующих: увеличение скорости топлива в блоках топливного элемента, сокращение времени пребывания топлива, улучшение распределения топлива и уменьшение перепада давления топлива по блокам топливного элемента.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается блок твердооксидного топливного элемента на металлической подложке, содержащий:
a) металлическую подложку, образующую первую и вторую противоположные поверхности, причем на упомянутой второй поверхности упомянутой металлической подложки расположен по меньшей мере один твердооксидный топливный элемент;
b) металлическую прокладку, которая образует первую и вторую противоположные поверхности, причем упомянутая металлическая прокладка содержит:
(i) внешний периметр,
(ii) внутренний периметр по меньшей мере одного впуска топлива, образующий проем впуска топлива,
(iii) внутренний периметр по меньшей мере одного выреза, образующий вырез, и
(iv) внутренний периметр по меньшей мере одного выпуска топлива, образующий проем выпуска топлива,
причем упомянутая первая поверхность упомянутой металлической подложки прикреплена к упомянутой второй поверхности упомянутой металлической прокладки; и
c) металлическую соединительную пластину, которая образует первую и вторую противоположные поверхности, причем упомянутая вторая поверхность упомянутой металлической соединительной пластины герметично прикреплена к упомянутой первой поверхности упомянутой металлической прокладки,
при этом:
между упомянутой первой поверхностью упомянутой металлической подложки, каждым внутренним периметром по меньшей мере одного впуска топлива упомянутой металлической прокладки и упомянутой второй поверхностью упомянутой металлической соединительной пластины образован объем проема впуска топлива,
между упомянутой первой поверхностью упомянутой металлической подложки, упомянутым внутренним периметром по меньшей мере одного выреза упомянутой металлической прокладки и упомянутой второй поверхностью упомянутой металлической соединительной пластины образован объем выреза, и
между упомянутой первой поверхностью упомянутой металлической подложки, каждым внутренним периметром по меньшей мере одного выпуска топлива упомянутой металлической прокладки и упомянутой второй поверхностью упомянутой металлической соединительной пластины образован объем проема выпуска топлива,
при этом упомянутая металлическая соединительная пластина содержит множество мостиковых участков, образующих путь потока текучей среды от упомянутого объема проема по меньшей мере одного впуска топлива к упомянутому объему по меньшей мере одного выреза до упомянутого объема проема по меньшей мере одного выпуска топлива.
Таким образом, в вариантах осуществления, содержащих множество внутренних периметров впуска топлива, образующих проемы впуска топлива, имеется множество объемов проемов впуска топлива.
Таким образом, в вариантах осуществления, содержащих множество внутренних периметров выреза, образующих вырезы, имеется множество объемов вырезов.
Таким образом, в вариантах осуществления, содержащих множество внутренних периметров проемов выпуска, образующих проемы выпуска топлива, имеется множество объемов проемов выпуска топлива.
Таким образом, каждый проем впуска топлива, каждый вырез и каждый проем выпуска топлива, образованные в металлической прокладке, являются отдельными друг от друга, то есть разделены друг с другом. Таким образом, внутренние периметры образуют между собой разделители в металлической прокладке. Они также могут быть описаны как отделенные друг от друга и прерывистые. Предпочтительно, проход для потока текучей среды не образован в металлической подложке между любыми из проемов впуска топлива, вырезов и проемов выпуска топлива.
Предпочтительно, металлическая прокладка является в целом плоской, то есть в целом планарной. Предпочтительно, металлическая подложка является в целом плоской, то есть в целом планарной.
Мостиковые участки служат для образования мостика или канала для потока текучей среды (то есть пути потока текучей седы) между смежными объемами, например (a) между объемами проема впуска топлива и объемами смежных вырезов, (b) между объемами смежных вырезов и (c) между объемами вырезов и объемами проема выпуска топлива. Таким образом, путь потока текучей среды образован от по меньшей мере одного проема впуска топлива к по меньшей мере одному вырезу до по меньшей мере одного проема выпуска топлива с помощью мостиковых участков.
Предпочтительно, имеется множество мостиковых участков между смежными объемами. Предпочтительно, имеется по меньшей мере три мостиковых участка, более предпочтительно – по меньшей мере четыре, между смежными объемами, более конкретно, между смежными объемами в направлении от проема впуска топлива к проему выпуска топлива. Предпочтительно, имеется множество мостиковых участков между объемом проема впуска топлива и объемом выреза, более предпочтительно – между каждым. Предпочтительно, имеется множество мостиковых участков между объемом выреза и объемом проема выпуска топлива, более предпочтительно – между каждым. Предпочтительно, имеется множество мостиковых участков между смежными объемами вырезов, более предпочтительно – между каждым. Более предпочтительно, имеется множество мостиковых участков между смежными вырезами на пути от объема проема впуска топлива к объему проема выпуска топлива, более конкретно – между смежными вырезами в направлении от проема впуска топлива к проему выпуска топлива, или по прямому или кратчайшему пути.
Наличие мостиковых участков в металлической соединительной пластине вместе с внутренними периметрами впуска топлива в металлической прокладке делает возможным наличие сложных проемов впуска и выпуска топлива, которые могут обеспечить управляемое распределение потока текучей среды из по меньшей мере одного проема впуска топлива в по меньшей мере один вырез и из по меньшей мере одного выреза к по меньшей мере одному проему выпуска топлива. Это может, например, обеспечить более равномерное распределение топлива внутри блока топливного элемента и, таким образом, помочь оптимизировать работу блока топливного элемента.
Предпочтительно, мостиковые участки выходят наружу из первой поверхности металлической соединительной пластины, от второй поверхности металлической соединительной пластины. Более предпочтительно, мостиковые участки содержат выступ из первой поверхности металлической соединительной пластины. Более предпочтительно, мостиковые участки содержат выемку на второй поверхности металлической соединительной пластины и соответствующий выступ из первой поверхности металлической соединительной пластины. Более предпочтительно, мостиковые участки содержат углубление. Более предпочтительно, мостиковые участки содержат удлиненное углубление. Таким образом, мостиковые участки могут, например, иметь форму ромба. Другие формы будут очевидны специалисту в данной области техники.
Предпочтительно, мостиковые участки образуют объем между первой поверхностью металлической прокладки и второй поверхностью металлической соединительной пластины.
Предпочтительно, металлическая соединительная пластина содержит по меньшей мере один мостиковый участок впуска топлива, образующий канал для потока текучей среды между объемом проема впуска топлива и объемом выреза, и по меньшей мере один мостиковый участок выпуска топлива, образующий канал для потока текучей среды между объемом выреза и объемом проема выпуска топлива. В вариантах осуществления, содержащих множество вырезов, предпочтительно, металлическая соединительная пластина содержит по меньшей мере один мостиковый участок выреза, образующий канал для потока текучей среды между смежными вырезами.
Предпочтительно, металлическая прокладка содержит внутренние периметры по меньшей мере двух впусков топлива, образующие по меньшей мере два проема впуска топлива. Предпочтительно, металлическая прокладка содержит внутренние периметры по меньшей мере двух вырезов, образующие по меньшей мере два выреза. Предпочтительно, металлическая прокладка содержит внутренние периметры по меньшей мере двух выпусков топлива, образующие по меньшей мере два проема выпуска топлива.
Предпочтительно, каждый топливный проем металлической прокладки (каждый проем впуска топлива и каждый проем выпуска топлива) содержит область топливопровода, множество областей топливной горловины и соответствующее множество областей распределяющего топливо канала (то есть каждая область топливной горловины ведет к области распределяющего топливо канала). Предпочтительно, области топливопровода топливных проемов металлической прокладки совмещены с топливными проемами металлической подложки и металлической соединительной пластины.
Наличие множества областей топливной горловины и областей распределяющего топливо канала также снижает риск нехватки топлива из-за закупорки.
Предпочтительно, между каждой областью распределяющего топливо канала и смежным вырезом имеется по меньшей мере один мостиковый участок.
Анализ расчетной гидродинамики (РГД) показывает, что (сравните, например, фигуры 16B (уровень техники) и 16C (настоящее изобретение)) скорость топлива в блоке топливного элемента (в частности, через объем по меньшей мере через одного выреза) остается более постоянной в предложенной конструкции по сравнению с изделиями уровня техники, с меньшими областями дефицита топлива в углу топливного элемента и более равномерным распределением топлива по упомянутому элементу, что улучшает химическую реакцию, которая протекает внутри топливного элемента.
Анализ РГД также показывает, что нормализованное время пребывания топлива уменьшается по сравнению с устройствами уровня техники (сравните, например, фигуры 17А (уровень техники) и 17В (настоящее изобретение)). Это означает, что для химической реакции в топливном элементе требуется более низкая концентрация водорода. То есть для того, чтобы в топливном элементе протекала химическая реакция, требуется меньше топлива, и поэтому настоящее изобретение более эффективно, чем устройства уровня техники.
Анализ РГД также показывает улучшенное распределение потока по активной области топливного элемента по сравнению с устройствами уровня техники. Анализ РГД также показывает, что перепад давления между проемами впуска и выпуска меньше (то есть улучшен) с настоящим изобретением по сравнению с устройствами уровня техники. Минимизация перепада давления на топливном элементе полезна для поддержания сжатия по батарее.
Множество топливных горловин выполнено с такими размерами, чтобы ограничить (т.е. контролировать) поток текучей среды из области топливопровода. Предпочтительно, каждая область распределяющего топливо канала шире (то есть имеет большее поперечное сечение), чем у соответствующей ей топливной горловины. Предпочтительно, топливная горловина определяет ось потока текучей среды, и ширина (сечение) топливной горловины, перпендикулярная(ое) оси потока текучей среды, меньше ширины (сечения) соответствующего распределяющего топливо канала, перпендикулярного оси потока текучей среды.
Предпочтительно, каждая область топливной горловины имеет постоянную ширину «W» между областью топливопровода и соответствующей областью распределяющего топливо канала. При применении это позволяет топливу перемещаться с высокой скоростью (то есть на высокой скорости) из области топливопровода в соответствующую область распределяющего топливо канала, и это снижает риск нехватки топлива.
В определенных вариантах осуществления все области топливной горловины имеют одинаковую ширину.
a
b
c
a
b
c
Предпочтительно, каждая область распределяющего топливо канала имеет ширину, которая увеличивается от распределяющего топливо канала, проксимального (ближайшего) к области топливной горловины, к концу распределяющего топливо канала, проксимального к внутреннему периметру смежного выреза. Предпочтительно, каждая область распределяющего топливо канала имеет изогнутую форму, составляющую ширину упомянутой области распределяющего топливо канала. Более предпочтительно, она увеличивается, начиная с ширины «W» области топливной горловины и заканчиваясь шириной, равной расстоянию (d, d, d), составляющей (d ˂ d ˂ d).
Предпочтительно, каждый внутренний периметр выреза (и каждый образованный им вырез) имеет множество угловых областей. Известно, что поток топлива в угловые области топливных элементов затруднен - очень желательно оптимизировать поток топлива в эти угловые области. Предпочтительно, при топливном канале металлической прокладки, содержащем множество топливных горловин и соответствующие области распределяющего топливо канала, область распределяющего топливо канала, ближайшая к (то есть смежная с или проксимальная к) угловой области (или углу), имеет меньшую конечную ширину (ширину в точке, ближайшей или проксимальной к внутреннему периметру смежного выреза), чем в других областях распределяющего топливо канала. Более предпочтительно, при множестве областей распределяющего топливо канала, расположенных в следующем порядке:
от области распределяющего топливо канала, ближайшей к угловой области (т.е. углу), к
области распределяющего топливо канала, наиболее удаленной от угловой области (т.е. угла),
каждая область распределяющего топливо канала имеет большую конечную ширину, чем ширина предыдущей области распределяющего топливо канала.
Предпочтительно, ширина (или расстояние) d на краю области распределяющего топливо канала, примыкающей к внутреннему периметру смежного выреза, больше (то есть длиннее) в зонах, близких к центру элемента, для способствования равномерному продвижению топлива вдоль средней области элемента, улучшая распределение топлива в предыдущих конструкциях, в которых были проблемы дефицита топлива в упомянутой центральной области.
Предпочтительно, каждая область топливной горловины имеет длину («L»). Более предпочтительно, в батареях топливных элементов и сборках батарей топливных элементов по настоящему изобретению (ниже) область 44b топливной горловины связана с размером сжимающихся уплотнительных прокладок, расположенных в промежутке между межсоединением одного блока твердооксидного топливного элемента и слоем подложки следующего блока твердооксидного топливного элемента. Более предпочтительно, уплотняющие прокладки имеют форму тороида, окружающего проем межсоединения. Длина «L» области топливной горловины предпочтительно совпадает с (соответствует, соотносится с) внешним радиусом минус внутренний радиус сжимающейся уплотнительной прокладки. Такие компоновки могут помочь уменьшить или минимизировать перепад давления.
Предпочтительно, топливо, используемое в изделиях по настоящему изобретению, представляет собой углеводородное топливо. Подходящие углеводородные топлива включают обессеренное углеводородное топливо, риформат (т.е. продукт риформинга) или риформат, смешанный с отходящим анодным газом (т.е. отработавшим на анодной стороне газом со стороны выпуска топлива блока топливного элемента). Аналогичным образом, используемое топливо может представлять собой пусковые или остановочные газы из блока топливного элемента, более конкретно, пусковой или остановочный отходящий анодный газ (т.е. отработавший на анодной стороне газ со стороны выпуска топлива блока топливного элемента).
Термины «расположенный на» и «прикрепленный к» используются здесь взаимозаменяемо.
Предпочтительно, блок твердооксидного топливного элемента на металлической подложке является слоем батареи топливных элементов, более предпочтительно – слоем батареи твердооксидных топливных элементов на металлической подложке. Таким образом, множество блоков твердооксидного топливного элемента может быть собрано с образованием батареи твердооксидных топливных элементов.
Предпочтительно, металлическая подложка (или в тех вариантах осуществления, где металлическая прокладка содержит по меньшей мере одну металлическую пластину прокладки), каждая пластина металлической подложки (также называемая «пластиной топливного элемента») содержит по меньшей мере одну пористую область. Предпочтительно, эта по меньшей мере одна пористая область окружена непористой областью. Более предпочтительно, каждая металлическая подложка или каждая пластина металлической подложки содержит одну пористую область. Более предпочтительно, каждая пористая область окружена непористой областью. Более предпочтительно, упомянутая или каждая пористая область представляет собой перфорированную область. Предпочтительно, она содержит (то есть образована) множеством перфораций, проходящих от первой поверхности ко второй поверхности (то есть между первой поверхностью и второй поверхностью). Более предпочтительно, перфорации представляют собой просверленные лазером перфорации. Предпочтительно, упомянутая по меньшей мере одна непористая область металлической прокладки или каждой пластины металлической подложки прикреплена к металлической прокладке. Предпочтительно, каждый внутренний периметр по меньшей мере одного выреза полностью перекрывается упомянутой металлической подложкой.
Предпочтительно, упомянутая по меньшей мере одна пористая область совпадает с (то есть проходит до или перекрывается) соответствующим внутренним периметром выреза металлической подложки, то есть проходит до границы внутреннего периметра выреза. Это особенно предпочтительно в тех вариантах осуществления, где пластина металлической подложки содержит одну единственную пористую область.
Предпочтительно, каждый твердооксидный топливный элемент, расположенный на пластине металлической подложки, содержит слой анода, нанесенный поверх пористой области металлической подложки (связанный с ней), слой электролита, нанесенный поверх слоя анода (связанный с ним), и слой катода, нанесенный поверх слоя электролита. Предпочтительно, слой электролита проходит поверх анода с герметичным прикреплением к неперфорированной области пластины металлической подложки, окружающей анод.
В определенных вариантах осуществления металлическая подложка выполнена в виде единой детали. В других вариантах осуществления металлическая подложка выполнена в виде множества отдельных деталей.
В определенных вариантах осуществления металлическая подложка содержит по меньшей мере одну пластину металлической подложки (более предпочтительно – по меньшей мере две пластины металлической подложки) и по меньшей мере две вырубные пластины, причем каждая пластина металлической подложки образует первую и вторую противоположные поверхности, и каждая вырубная пластина образует первую и вторую противоположные поверхности, при этом по меньшей мере один твердооксидный топливный элемент расположен на упомянутой второй поверхности каждой пластины металлической подложки, и при этом упомянутая первая поверхность каждой пластины металлической подложки и упомянутая первая поверхность каждой вырубной пластины прикреплены к упомянутой второй поверхности упомянутой металлической прокладки, причем каждый внутренний периметр по меньшей мере одного выреза упомянутой металлической прокладки полностью перекрывается пластиной металлической подложки.
Таким образом, множество пластин металлической подложки, прикрепленных к металлической прокладке, вместе образуют металлическую подложку (также называемую «слоем подложки» или «слоем металлической подложки»), прикрепленную к металлической прокладке. Таким образом, каждый блок топливного элемента содержит металлическую подложку, металлическую прокладку и металлическую соединительную пластину.
Пластины металлической подложки предпочтительно расположены между вырубными пластинами и в одной плоскости с ними. Вырубные пластины предпочтительно имеют в целом прямоугольную форму. Предпочтительно, каждая вырубная пластина содержит по меньшей мере один внутренний периметр, образующий топливный проем, т.е. образует по меньшей мере один топливный проем. Более предпочтительно, каждая вырубная пластина образует два топливных проема.
Предпочтительно, пластины металлической подложки и вырубные пластины не соприкасаются друг с другом, то есть не примыкают друг к другу. Таким образом, предпочтительно, вырубная пластина (такая как первая вырубная пластина) не примыкает к и не контактирует со смежной пластиной металлической подложки (такой как первая пластина металлической подложки). Таким образом, предпочтительно, смежные пластины металлической подложки не примыкают друг к другу и не контактируют друг с другом. Таким образом, предпочтительно, вторая вырубная пластина не примыкает к смежной, второй пластине металлической подложки или не контактирует с ней.
Наличие вырубных пластин и пластин металлической подложки, прикрепленных к металлической прокладке, и отсутствие их примыкания или контакта друг с другом позволяет образовываться между ними «зазору на допуск» и обеспечивает изменчивость позиционирования деталей во время производственного процесса. Это обеспечивает значительное техническое преимущество с точки зрения производственного процесса и может, например, способствовать увеличению скорости производственного процесса, снижению стоимости, повышению надежности блока топливного элемента и/или увеличению срока службы блока топливного элемента.
Предпочтительно, вырубные пластины представляют собой металлические вырубные пластины. Более предпочтительно, вырубные пластины изготовлены из того же металла, что и пластины металлической подложки. Предпочтительно, вырубные пластины имеют толщину, равную толщине пластин металлической подложки.
Предпочтительно, металлическая прокладка содержит по меньшей мере два внутренних периметра, каждый из которых образует топливный проем. Более предпочтительно, каждая металлическая прокладка образует два топливных проема на первом конце (предпочтительно, конце впуска топлива, то есть образует по меньшей мере два проема впуска топлива) и два топливных проема на втором конце (предпочтительно, конце выпуска топлива, то есть образует по меньшей мере два проема выпуска топлива). Внутренние периметры выреза, образующие вырезы, могут рассматриваться как первый набор внутренних периметров, а внутренние периметры, образующие топливные проемы, могут рассматриваться как второй набор внутренних периметров.
Каждая пластина металлической подложки прикреплена, полностью перекрывая внутренний периметр выреза, т.е. на вырезе и поверх выреза. Таким образом, каждая пластина металлической подложки покрывает вырез. Каждая пластина металлической подложки прикреплена к металлической прокладке между по меньшей мере одним внутренним периметром, образующим вырез, и внешним периметром металлической прокладки.
Предпочтительно, металлическая подложка прикреплена (или по меньшей мере две вырубные пластины и по меньшей мере одна пластина металлической подложки прикреплены) к металлической прокладке сваркой, более предпочтительно, прямошовной сваркой.
Предпочтительно, каждая пластина металлической подложки прикреплена к металлической прокладке между по меньшей мере одним внутренним периметром выреза, образующим вырез, и внешним периметром металлической прокладки. Более предпочтительно, каждая пластина металлической подложки прикреплена к металлической прокладке между внутренним периметром выреза, образующим вырез, и внешним периметром металлической прокладки.
Предпочтительно, металлическая соединительная пластина герметично прикреплена к металлической прокладке сваркой.
Предпочтительно, металлическая соединительная пластина герметично прикреплена к металлической прокладке по линии, расположенной между (a) внешним периметром металлической прокладки и (b) внутренним периметром по меньшей мере одного выреза металлической прокладки. Предпочтительно, эта линия проксимальна внешнему периметру металлической прокладки. Более предпочтительно, эта линия смежна с внешним периметром металлической прокладки. Более предпочтительно, эта линия находится в пределах 10 мм, более предпочтительно в пределах 5 мм, более предпочтительно в пределах 4 мм, более предпочтительно в пределах 3 мм, более предпочтительно в пределах 2 мм, от внешнего периметра металлической прокладки.
Более предпочтительно, сварной(ые) шов (швы), прикрепляющие металлическую подложку (или упомянутые по меньшей мере две вырубные пластины и упомянутую по меньшей мере одну пластину металлической подложки) к металлической прокладке, и сварной шов, герметично прикрепляющий металлическую соединительную пластину к металлической прокладке, не перекрываются.
Предпочтительно, первая поверхность каждой пластины металлической подложки и первая поверхность каждой вырубной пластины расположены на и прикреплены ко второй поверхности металлической прокладки.
Предпочтительно, вторая поверхность металлической соединительной пластины расположена на и герметично прикреплена к первой поверхности металлической прокладки.
Предпочтительно, имеется всего две вырубные пластины.
Предпочтительно, металлическая соединительная пластина содержит множество углублений, выходящих наружу из первой поверхности, от второй поверхности. Предпочтительно, металлическая соединительная пластина содержит множество углублений, выходящих наружу из первой поверхности, от второй поверхности, и множество углублений, проходящих от первой поверхности, наружу из второй поверхности. Предпочтительно, эти углубления чередуются. Таким образом, предпочтительно, углубления чередуются между проходящими от первой поверхности и от второй поверхности металлической соединительной пластины.
Предпочтительно, блок топливного элемента содержит по меньшей мере одну объединенную пластину металлической подложки, причем каждая объединенная пластина металлической подложки содержит (объединенную) вырубную пластину и по меньшей мере одну пластину металлической подложки. Таким образом, пластина-основа и по меньшей мере одна пластина металлической подложки прикреплены друг к другу, образуя единую деталь (объединенную пластину металлической подложки), или же с самого начала выполнены заодно, как единая деталь, до того как объединенная пластина металлической подложки будет прикреплена к металлической прокладке. Более предпочтительно, блок топливного элемента содержит две объединенные пластины металлической подложки. Более предпочтительно, блок топливного элемента содержит объединенную пластину металлической подложки, по меньшей мере одну пластину металлической подложки и вырубную пластину. Как вариант, блок топливного элемента содержит две объединенные пластины металлической подложки и по меньшей мере одну пластину металлической подложки.
В вариантах осуществления, включающих по меньшей мере одну объединенную пластину металлической подложки, объединенная пластина металлической подложки предпочтительно не примыкает к и не контактирует со смежной пластиной металлической подложки или объединенной пластиной металлической подложки.
Как и выполнение пластин металлической подложки в последовательном расположении 2×1 (линейный ряд) между вырубными пластинами, также могут быть предусмотрены другие компоновки и количества пластин металлической подложки. Например, пластины металлической подложки могут быть расположены в компоновке 1×2 (параллельно) между вырубными пластинами. Как вариант, пластины металлической подложки могут быть расположены в компоновке 2×2, 3×2 или 4×2, и одни и те же вырубные пластины могут использоваться с этими различными компоновками. Аналогично, блоки топливного элемента могут быть снабжены пластинами металлической подложки в компоновках 2×3, 3×3 или 4×3 с использованием одинаковых вырубных пластин. Другие компоновки будут легко очевидны.
Использование множества пластин металлической подложки позволяет модульно комбинировать пластины металлической подложки с получением диапазона размеров блока топливного элемента и диапазона выходной мощности по желанию, включая, например, больший размер блока топливного элемента и, следовательно, большую выходную мощность. Прикрепление пластин металлической подложки к металлической прокладке также может снизить вероятность изгиба топливных элементов в блоке топливного элемента, а поэтому уменьшается риск снижения электропроводности и снижения герметичности для газов, которые могут возникнуть при изгибе топливного элемента. Использование пластин металлической подложки также означает, что некая данная пластина металлической подложки может быть изготовлена и использована в ряде различных изделий с блоком топливного элемента. Таким образом, например, ее можно использовать в блоке топливного элемента, который содержит только две пластины металлической подложки. Как вариант, ее можно использовать в более крупном блоке топливного элемента, таком как блок, имеющий 4, 6, 8, 9, 10 или 12 пластин металлической подложки. Это может способствовать снижению стоимости и увеличению скорости, качества и надежности изготовления пластины металлической подложки (и ее по меньшей мере одного топливного элемента).
В различных вариантах осуществления предусмотрены две вырубные пластины, расположенные (при прикреплении к металлической прокладке) по одной на каждом конце металлической подложки, то есть одна на первом конце металлической подложки, а другая – на втором конце металлической подложки. В других вариантах осуществления вырубные пластины могут быть разделены на первую и вторую части, то есть первую часть вырубной пластины и вторую часть вырубной пластины. Таким образом, первая вырубная пластина может содержать первую часть вырубной пластины и вторую часть вырубной пластины. Аналогично, вторая вырубная пластина может содержать первую часть вырубной пластины и вторую часть вырубной пластины, причем каждая часть вырубной пластины прикреплена к металлической прокладке.
Блок топливного элемента имеет внутренний топливный коллектор. Когда множество блоков топливного элемента собраны в батарею, между (a) первой поверхностью металлической соединительной пластины первого блока топливного элемента и (b) вторыми поверхностями металлической подложки (или упомянутыми по меньшей мере двумя вырубными пластинами и упомянутой по меньшей мере одной пластиной металлической подложки) смежного второго блока топливного элемента образуется проход для потока окислителя (воздуха) с открытым коллектором. Предпочтительно, металлическая соединительная пластина содержит множество углублений, выходящих наружу из первой поверхности, от второй поверхности. Предпочтительно, углубления первого блока топливного элемента примыкают к слою катода по меньшей мере одного твердооксидного топливного элемента соседнего второго блока топливного элемента и действуют в качестве токоотвода.
Вышеуказанные необязательные и предпочтительные признаки в равной степени применимы к другим аспектам настоящего изобретения, подробно описанным ниже.
В соответствии с настоящим изобретением также предлагается батарея твердооксидных топливных элементов, содержащая множество блоков твердооксидного топливного элемента на металлической подложке в соответствии с настоящим изобретением.
Предпочтительно, блоки твердооксидного топливного элемента отделены друг от друга сжимающимися уплотнительными прокладками.
В соответствии с настоящим изобретением также предусмотрена сборка батареи твердооксидных топливных элементов, содержащая: пластину-основу, концевую пластину, батарею твердооксидных топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением, расположенную между пластиной-основой и концевой пластиной, и рубашку, прикрепленную к пластине-основе и концевой пластине и образующую объем между рубашкой, пластиной-основой и концевой пластиной, внутри которого содержится батарея топливных элементов.
Согласно настоящему изобретению также предложен способ сборки блока твердооксидного топливного элемента на металлической подложке, причем блок твердооксидного топливного элемента на металлической подложке содержит:
a) металлическую подложку, образующую первую и вторую противоположные поверхности, причем на упомянутой второй поверхности упомянутой металлической подложки расположен по меньшей мере один твердооксидный топливный элемент;
b) металлическую прокладку, которая образует первую и вторую противоположные поверхности, причем упомянутая металлическая прокладка содержит:
(i) внешний периметр,
(ii) внутренний периметр по меньшей мере одного впуска топлива, образующий проем впуска топлива,
(iii) внутренний периметр по меньшей мере одного выреза, образующий вырез, и
(iv) внутренний периметр по меньшей мере одного выпуска топлива, образующий проем выпуска топлива; и
c) металлическую соединительную пластину, которая образует первую и вторую противоположные поверхности,
при этом упомянутый способ сборки включает этапы, на которых:
(i) прикрепляют упомянутую первую поверхность упомянутой металлической подложки к упомянутой второй поверхности упомянутой металлической прокладки; и
(ii) герметично прикрепляют упомянутую вторую поверхность упомянутой металлической соединительной пластины к упомянутой первой поверхности упомянутой металлической прокладки,
при этом:
между упомянутой первой поверхностью упомянутой металлической подложки, каждым внутренним периметром по меньшей мере одного впуска топлива упомянутой металлической прокладки и упомянутой второй поверхностью упомянутой металлической соединительной пластины образуется объем проема впуска топлива,
между упомянутой первой поверхностью упомянутой металлической подложки, каждым внутренним периметром по меньшей мере одного выреза упомянутой металлической прокладки и упомянутой второй поверхностью упомянутой металлической соединительной пластины образуется объем выреза, и
между упомянутой первой поверхностью упомянутой металлической подложки, каждым внутренним периметром по меньшей мере одного выпуска топлива упомянутой металлической прокладки и упомянутой второй поверхностью упомянутой металлической соединительной пластины образуется объем проема выпуска топлива,
при этом упомянутая металлическая соединительная пластина содержит множество мостиковых участков, образующих путь потока текучей среды от упомянутого объема проема по меньшей мере одного впуска топлива до упомянутого объема по меньшей мере одного выреза к упомянутому объему по меньшей мере одного проема выпуска топлива.
В тех вариантах осуществления, где металлическая подложка содержит по меньшей мере две вырубные пластины и по меньшей мере одну пластину металлической подложки (предпочтительно, множество пластин металлической подложки), предпочтительно, этап (i) включает прижимание металлической прокладки к упомянутым по меньшей мере двум вырубным пластинам и упомянутой по меньшей мере одной пластине металлической подложки и прикрепление металлической прокладки к упомянутым по меньшей мере двум вырубным пластинам и упомянутой по меньшей мере одной пластине металлической подложки.
Предпочтительно, этап (ii) включает прижимание металлической соединительной пластины к металлической прокладке и прикрепление металлической соединительной пластины к металлической прокладке.
Предпочтительно, по меньшей мере один из этапа (i) и этапа (ii) включает прикрепление сваркой. Более предпочтительно, оба этапа (i) и (ii) включают прикрепление сваркой.
Предпочтительно, упомянутую по меньшей мере одну пластину металлической подложки и множество вырубных пластин совмещают с металлической прокладкой и совмещают с металлической соединительной пластиной.
Предпочтительно, используют установочные средства (также называемые средствами позиционирования) для задания местоположения различных деталей в процессе сборки. Подходящие установочные средства включают базовые кромки, фиксированные штыри и подпружиненные штыри. Другие установочные средства будут очевидны специалисту в данной области.
Предпочтительно, блок твердооксидного топливного элемента собирают путем прикрепления металлической подложки (или упомянутых по меньшей мере одной пластины металлической подложки и вырубных пластин) к металлической прокладке так, чтобы металлическая подложка (или упомянутая по меньшей мере одна пластина металлической подложки) была прикреплена поверх упомянутого по меньшей мере одного выреза в металлической прокладке. Металлическую подложку (или упомянутые по меньшей мере две вырубные пластины и упомянутую по меньшей мере одну пластину металлической подложки) и металлическую прокладку предпочтительно зажимают вместе с помощью первой зажимной пластины. Предпочтительно, металлическую подложку (или упомянутые по меньшей мере две вырубные пластины и упомянутую по меньшей мере одну пластину металлической подложки) располагают на пластине-основе, а сверху располагают пластину металлической прокладки. Предпочтительно, поверх металлической прокладки располагают первую зажимную пластину. Более предпочтительно, зажимное средство зажимает металлическую подложку (или упомянутые по меньшей мере две вырубные пластины и упомянутую по меньшей мере одну пластину металлической подложки) и металлическую прокладку между пластиной-основой и первой зажимной пластиной. Более предпочтительно, первая зажимная пластина образует сварочные пазы, через которые металлическую подложку (или упомянутые по меньшей мере две вырубные пластины и упомянутую по меньшей мере одну пластину металлической подложки) приваривают к металлической прокладке.
Предпочтительно, металлическую соединительную пластину прикрепляют к металлической прокладке сваркой. Предпочтительно, металлическую соединительную пластину размещают поверх металлической прокладки, к которой уже прикреплена металлическая подложка (или уже прикреплены упомянутые по меньшей мере одна металлическая подложка и вырубные пластины). Предпочтительно, поверх металлической соединительной пластины располагают вторую зажимную пластину. Более предпочтительно, зажимное средство зажимает металлическую подложку (или упомянутые по меньшей мере две вырубные пластины и упомянутую по меньшей мере одну пластину металлической подложки), металлическую прокладку и металлическую соединительную пластину между пластиной-основой и второй зажимной пластиной. Предпочтительно, второе зажимное средство образует отверстие. Более предпочтительно, металлическую соединительную пластину приваривают к металлической подложке через это отверстие. Предпочтительно, сварка происходит между внешними периметрами металлической подложки и металлической соединительной пластины и внутренними периметрами металлической прокладки. Более предпочтительно, сварка проходит через металлическую соединительную пластину, металлическую прокладку и насквозь до металлической подложки (или упомянутых по меньшей мере двух вырубных пластин и упомянутой по меньшей мере одной пластины металлической подложки).
Упомянутые по меньшей мере две вырубные пластины и упомянутая по меньшей мере одна пластина металлической подложки, прикрепленные к металлической прокладке, вместе образуют металлическую подложку.
Предпочтительно, металлическую подложку (или упомянутые по меньшей мере две вырубные пластины, упомянутую по меньшей мере одну пластину металлической подложки), металлическую прокладку и металлическую соединительную пластину совмещают при сборке посредством базовой кромки.
Далее приведено раскрытие настоящего изобретения, поясняющее его сущность специалисту в данной области техники. Теперь обратимся подробнее к вариантам осуществления изобретения, один или более примеров которых изложены ниже. Каждый пример представлен для объяснения изобретения, а не для ограничения изобретения.
На фигурах:
фигура 1 показывает вид в перспективе с пространственным разделением деталей блока топливного элемента по варианту 1;
фигура 2 показывает вид сверху деталей металлической подложки, расположенных на монтажной плите;
фигура 3 показывает вид сверху металлической прокладки, расположенной поверх деталей металлической подложки по фигуре 2;
фигура 4 показывает вид сверху первой зажимной пластины, расположенной сверху металлической прокладки по фигуре 3 для целей сварки;
фигура 5 показывает вид сверху металлической прокладки по фигуре 3 после сварки и снятия первого зажимного средства;
фигура 6 показывает вид сверху металлической соединительной пластины, расположенной сверху металлической прокладки по фигуре 5;
фигура 7 показывает вид сверху второй зажимной пластины, расположенной сверху металлической соединительной пластины по фигуре 6 для целей сварки;
фигура 8 показывает вид сверху металлической соединительной пластины по фигуре 6 после сварки и снятия второго зажимного средства и удаления с монтажной плиты;
фигура 9 показывает сечение пластины металлической подложки;
фигура 10 показывает вид в перспективе с пространственным разделением деталей блока топливного элемента по варианту 2;
фигура 11 показывает вид в перспективе с пространственным разделением деталей блока топливного элемента по варианту 4;
фигура 12 показывает вид сверху составных частей блока топливного элемента батареи топливных элементов по варианту 5;
фигура 13 показывает вид сверху части металлической прокладки;
фигура 14 показывает вид сверху части металлической соединительной пластины;
фигура 15 показывает вид в перспективе с пространственным разделением деталей блока топливного элемента по варианту 1 с иллюстрацией потока топлива;
фигура 16A - изображение РГД, показывающее скорость топлива в устройстве согласно уровню техники;
фигура 16B - изображение РГД, показывающее скорость топлива в устройстве согласно уровню техники (штриховка указывает скорости топлива в средней плоскости в м/с);
фигура 16C - изображение РГД, показывающее скорость топлива в устройстве согласно настоящему изобретению (штриховка указывает скорости топлива в средней плоскости в м/с);
фигура 17А - изображение РГД, показывающее нормализованное время пребывания топлива (возраст топлива) в устройстве согласно уровню техники;
фигура 17В - изображение РГД, показывающее нормализованное время пребывания топлива (возраст топлива) в устройстве согласно настоящему изобретению.
Список использованных здесь ссылочных обозначений приведен в конце конкретных вариантов осуществления. Повторное использование ссылочных символов в настоящем описании и на чертежах предназначено для представления одинаковых или аналогичных признаков или конструктивных элементов.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что в настоящее изобретение можно внести различные модификации и изменения, не выходя за пределы объема прилагаемой формулы изобретения. Например, признаки, описанные как часть одного варианта осуществления, могут использоваться в другом варианте осуществления для получения еще одного варианта осуществления. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает такие модификации и вариации, которые подпадают под объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.
Другие объекты, признаки и аспекты настоящего изобретения раскрыты в остальной части описания. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что настоящее обсуждение представляет собой описание только примерных вариантов осуществления и не предназначено для ограничения более широких аспектов настоящего изобретения, причем более широкие аспекты воплощены в примерных конструкциях.
Вариант 1
Изготовление блока 1 твердооксидного топливного элемента на металлической подложке показано на фигурах. Блок 1 твердооксидного топливного элемента на металлической подложке предназначен для применения в качестве слоя батареи твердооксидных топливных элементов.
В этом варианте осуществления изготавливают блок 1 твердооксидного топливного элемента на металлической подложке, содержащий металлическую подложку 65 (также называемую «слоем подложки» или «слоем металлической подложки»), металлическую прокладку 30 и металлическую соединительную пластину 20.
Каждая из пластин 70a и 70b металлической подложки содержит пористую область 78, образованную просверленными лазером перфорациями 78a, проходящими между первой поверхностью 71 и второй поверхностью 72. Топливный элемент 79 расположен поверх пористой области 78 на второй поверхности 72 пластин 70a и 70b металлической подложки и содержит слой анода, нанесенный поверх пористой области 78 (связанный с нею) пластин 70a, 70b металлической подложки, слой электролита, нанесенный поверх слоя анода (связанный с ним), и слой катода, нанесенный поверх слоя электролита. Пористая область 78 окружена непористой областью 78b.
Как показано на фигуре 2, монтажная плита 80 содержит фиксированные штыри 83a, 83b, 83c, 83d, 83e, 83f, 83g и подпружиненные штыри 84a, 84b, 84c, 84d, 84e, 84f, 84g. Монтажная плита 80 также образует (содержит) базовую кромку 81.
Пластины 70а и 70b металлической подложки и вырубные пластины 50a и 50b выставляют на монтажной плите 80, и выставление достигается за счет фиксированных штырей 83a, 83b, 83c, 83d, 83e, 83f, 83g, подпружиненных штырей 84a, 84b, 84c, 84d, 84e, 84f, 84g и базовой кромки 81.
Вторую поверхность 52 вырубной пластины 50а располагают на монтажной плите 80 (т.е. она контактирует с ней/опирается на нее). Второй край 58 вырубной пластины 50а выставляют по базовой кромке 81 с помощью фиксированного штыря 83g, а первый край 57 вырубной пластины 50а выставляют по фиксированному штырю 83a и подпружиненному штырю 84a. Изогнутый край 55 вырубной пластины 50a совмещают с подпружиненным штифтом 84g.
Вторую поверхность 52 вырубной пластины 50b располагают на монтажной плите 80 (т.е. она контактирует с ней/опирается на нее). Второй край 58 вырубной пластины 50b выставляют по базовой кромке 81 с помощью фиксированного штыря 83c, а первый край 57 вырубной пластины 50b выставляют по фиксированному штырю 83b и подпружиненному штырю 84d. Изогнутый край 55 вырубной пластины 50b совмещают с подпружиненным штырем 84е.
Вторую поверхность 72 пластины 70а металлической подложки располагают на плите 80 (т.е. она контактирует с ней/опирается на нее).
Пластины 70a и 70b металлической подложки располагают на монтажной плите 80 между вырубными пластинами 50a и 50b. Вторую короткую сторону 75 пластины 70а металлической подложки выставляют по базовой кромке 81 с помощью фиксированных штырей 83f и 83e. Первую короткую сторону 74 пластины 70а металлической подложки выставляют с помощью подпружиненного штыря 84b.
Вторую короткую сторону 75 пластины 70b металлической подложки выставляют по базовой кромке 81 с помощью фиксированного штыря 83d и подпружиненного штыря 84f. Первую короткую сторону 74 пластины 70b металлической подложки выставляют с помощью подпружиненного штыря 84c.
Наружную длинную сторону 76 пластины 70а металлической подложки выставляют параллельно внутреннему краю 59 вырубной пластины 50а, образуя зазор 82а на допуск между пластиной 70а металлической подложки и вырубной пластиной 50а.
Наружную длинную сторону 76 пластины 70b металлической подложки выставляют параллельно внутреннему краю 59 вырубной пластины 50b, образуя зазор 82b на допуск между пластиной 70b металлической подложки и вырубной пластиной 50b.
Между внутренней длинной стороной 77 пластины 70a металлической подложки и внутренней длинной стороной 77 пластины 70b металлической подложки образуется зазор 82c на допуск.
Как показано на фигуре 3, затем помещают металлическую прокладку 30 сверху на вырубную пластину 50а, пластину 70а металлической подложки, пластину 70b металлическую подложку и вырубную пластину 50b.
Вторую поверхность 32 металлической прокладки 30 располагается на (т.е. контактирует с/опирается на) первой поверхности 51 вырубной пластины 50a, первой поверхности 71 пластины 70а металлической подложки, первой поверхности 71 пластины 70b металлической подложки и первой поверхности 51 вырубной пластины 50b.
Металлическую прокладку 30 совмещают с вырубной пластиной 50а, пластиной 70a металлической подложки, пластиной 70b металлической подложки и вырубной пластиной 50b с помощью фиксированного штыря 83е, подпружиненных штырей 84a, 84d, 84e, 84f и 84g и базовой кромки 81.
Второй длинный край 38 металлической прокладки 30 совмещают с базовой кромкой 81 и вторым краем 58 вырубных пластин 50a и 50b и вторыми короткими сторонами 75 пластин 70a и 70b металлической подложки, используя фиксированный штырь 83e и подпружиненный штырь 84f. Первый длинный край 37 металлической прокладки 30 совмещают с первыми краями 57 вырубных пластин 50a и 50b и первыми короткими сторонами 74 пластин 70a и 70b металлической подложки, используя подпружиненные штыри 84a и 84d.
Внешние периметры вырубной пластины 50а, пластины 70а металлической подложки, пластины 70b металлической подложки и вырубной пластины 50b не выходят за пределы внешнего периметра 33 металлической прокладки 30.
Металлическая прокладка 30 содержит внутренние периметры 39a и 39b выреза, причем каждый внутренний периметр образует соответствующий вырез 40a и 40b и поперечину 41 между ними. Пластины 70a и 70b металлической подложки полностью перекрывают внутренние периметры 39a и 39b выреза металлической прокладки 30, т.е. пластины 70a и 70b металлической подложки полностью закрывают вырезы 40a и 40b.
Металлическая прокладка 30 также содержит множество внутренних периметров 33а, 33b впуска топлива и внутренних периметров 33с, 33d выпуска топлива, образующих топливные проемы 34а, 34b, 34с и 34d. Каждый топливный проем содержит ряд областей - область 44а топливопровода, область 44b топливной горловины и область 44с распределяющего топливо канала.
Как показано на фигуре 4, затем помещают первую зажимную пластину 90 сверху металлической прокладки 30, то есть она контактирует с/упирается в первую поверхность 31 металлической прокладки 30.
Первая зажимная пластина 90 образует отверстия 92а и 92b. Подпружиненный штырь 84h выступает через отверстие 92a, а фиксированный штырь 83e выступает через отверстие 92b, позволяя совместить первую зажимную пластину 90 с металлической прокладкой 30 (и, следовательно, также с вырубной пластиной 50a, пластиной 70a металлической подложки, пластиной 70b металлической подложки и вырубной пластиной 50b).
Зажимное средство (не показано) зажимает первую зажимную пластину 90 и монтажную плиту 80, т.е. зажимает металлическую прокладку 30, вырубную пластину 50a, пластину 70a металлической подложки, пластину 70b металлической подложки и вырубную пластину 50b.
Первая прижимная пластина также образует сварные пазы 91a, 91b и 91c.
Сварочные средства (не показаны) используют для создания прямолинейного сварного шва 100а между металлической прокладкой 30 и вырубной пластиной 50а, прямолинейных сварных швов 100b и 100с между металлической прокладкой 30 и пластиной 70а металлической подложки, прямолинейных сварных швов 100d и 100е между металлической прокладкой 30 и пластиной 70b металлической подложки и прямолинейного сварного шва 100f между металлической прокладкой 30 и вырубной пластиной 50b.
Непористая область 78b пластин 70a, 70b металлической подложки прикреплена к металлической прокладке 30.
Вырубная пластина 50a, пластина 70а металлической подложки, пластина 70b металлической подложки и вырубная пластина 50b, прикрепленные к металлической прокладке 30, образуют/составляют металлическую подложку 65, т.е. металлическую подложку 65, прикрепленную к металлической прокладке 30.
Затем сначала снимают первую зажимную пластину 90, как показано на фигуре 5 (фиксированный штырь 83e и подпружиненные штыри 84a, 84d и 84f не показаны).
Как показано на фигуре 6, затем помещают металлическую соединительную пластину 20 сверху металлической прокладки 30.
Вторую поверхность 22 металлической соединительной пластины 20 располагают на первой поверхности 31 металлической прокладки 30 (т.е. она контактирует с ней/опирается на нее).
Металлическую соединительную пластину 20 совмещают с металлической прокладкой 30 (и, следовательно, также с вырубной пластиной 50а, пластиной 70а металлической подложки, пластиной 70b металлической подложки и вырубной пластиной 50b) фиксированным штырем 83е, подпружиненными штырями 84a, 84d и 84f и базовой кромкой 81. Подпружиненные штыри 84a и 84d упираются в первый край 27 металлической соединительной пластины 20. Второй край 28 металлической соединительной пластины 20 упирается в базовую кромку 81, фиксированный штырь 83e и подпружиненный штырь 84f.
Металлическая соединительная пластина 20 содержит множество углублений 110 и удлиненных мостиковых углублений 120, 121, которые выходят наружу из первой поверхности 21, то есть от второй поверхности 22 и от металлической прокладки 30 и металлической подложки 65, прикрепленной к металлической прокладке 30.
Углубления 110 сформированы в ряде областей, включая области, соответствующие местоположению топливных элементов 79 на пластинах 70а, 70b металлической подложки, так что в компоновке батареи топливных элементов, содержащей множество блоков 1 топливного элемента в виде стопки («стека»), углубления 110 первого блока 1 топливного элемента контактируют с топливными элементами 79 смежного блока 1 топливного элемента, с которыми он уложен в стопку. Таким образом, углубления 110 образуют электрическое соединение с внешней (катодной) поверхностью топливных элементов 79, при этом электрический ток течет от первой поверхности 21 металлической соединительной пластины 20 к слою катода смежного топливного элемента/смежных топливных элементов 79 смежного блока 1 топливного элемента.
Как более подробно описано позже, удлиненные мостиковые углубления 120, 121 действуют как мостики для потока текучей среды между отдельными зонами/областями/объемами конечного блока 1 топливного элемента.
Как показано на фигуре 7, затем помещают вторую зажимную пластину 95 сверху металлической соединительной пластины 20, то есть она контактирует с/опирается на первую поверхность 21 металлической соединительной пластины 20.
Вторая зажимная пластина 95 образует отверстия 98а и 98b. Подпружиненный штырь 84h выступает через отверстие 98a, а фиксированный штырь 83e выступает через отверстие 98b, позволяя совместить вторую зажимную пластину 95 с металлической соединительной пластиной 20 (и, следовательно, также с металлической прокладкой 30, вырубной пластиной 50a, пластиной 70a металлической подложки, пластиной 70b металлической подложки и вырубной пластиной 50b).
Вторая зажимная пластина 95 содержит внутренний периметр 96, который образует отверстие 96а.
Зажимное средство (не показано) зажимает вторую зажимную пластину 95 и монтажную плиту 80, т.е. зажимает металлическую соединительную пластину 20, металлическую прокладку 30, вырубную пластину 50a, пластину 70а металлической подложки, пластину 70b металлической подложки и вырубную пластину 50b.
Сварочное средство (не показано) используют для создания непрерывного сварного шва 101 по периметру между металлической соединительной пластиной 20, металлической прокладкой 30 и вырубной пластиной 50а, пластиной 70а металлической подложки, пластиной 70b металлической подложки и вырубной пластиной 50b.
Затем снимают вторую зажимную пластину 95, и законченный блок 1 твердооксидного топливного элемента на металлической подложке удаляют с монтажной плиты 80.
В законченном блоке 1 твердооксидного топливного элемента на металлической подложке топливопроводы 130 образованы топливными проемами 24, областями 44а топливопровода топливных проемов 34а-d, которые все совмещены друг с другом. Топливопроводы 130 проходят между первой поверхностью 21 металлической соединительной пластины 20 и второй поверхностью 52 вырубных пластин 50a, 50b.
На первом конце 2 блока 1 топливного элемента (см., например, фигуру 3) образованы первые объемы (объемы 35а проема впуска топлива) между первой поверхностью 51 вырубной пластины 50а, внутренними периметрами 33а, 33b впуска топлива металлической прокладки 30 и второй поверхностью 22 металлической соединительной пластины 20.
Второй объем (объем 35b выреза) образован между первой поверхностью 71 пластины 70а металлической подложки, внутренним периметром 39а выреза металлической прокладки 30 и второй поверхностью 22 металлической соединительной пластины 20.
Третий объем (объем 35b выреза) образован между первой поверхностью 71 пластины 70b металлической подложки, внутренним периметром 39b выреза металлической прокладки 30 и второй поверхностью 22 металлической соединительной пластины 20.
На втором конце 3 блока 1 топливного элемента образованы четвертые объемы (объемы 35c проема выпуска топлива) между первой поверхностью 51 вырубной пластины 50b, внутренними периметрами 33c и 33d выпуска топлива металлической прокладки 30 и второй поверхностью 22 металлической соединительной пластины 20.
На первом конце 2 блока 1 топливного элемента удлиненные углубления 120 служат для образования прохода потока текучей среды между первыми и вторым объемами, то есть действуют как мостики для потока текучей среды между первыми и вторым объемами. Мостики для потока текучей среды представляют собой объемы между удлиненными углублениями 120 и металлической прокладкой 30.
Удлиненные углубления 121 служат для образования прохода потока текучей среды между вторым и третьим объемами (т.е. между объемами 35b смежных вырезов). Мостики для потока текучей среды представляют собой объемы между удлиненными углублениями 121 и металлической прокладкой 30.
На втором конце 3 блока 1 топливного элемента удлиненные углубления 120 служат для образования прохода потока текучей среды между третьим и четвертыми объемами, то есть действуют как мостики для потока текучей среды между первыми и вторым объемами. Мостики для потока текучей среды представляют собой объемы между удлиненными углублениями 120 и металлической прокладкой 30.
Таким образом, образуется путь потока текучей среды (используя объемы 35а проема впуска топлива, объемы 35b выреза, объемы 35с проема выпуска топлива и мостики для потока текучей среды) из:
(1) областей 44а топливопровода топливных проемов 34а, 34b в
(2) области 44b топливной горловины топливных проемов 34а, 34b в
(3) области 44с распределяющих топливо каналов топливных проемов 34а, 34b, в
(4) удлиненные углубления 120 на первом конце 2 блока 1 топливного элемента, во
(5) второй объем, образованный между первой поверхностью 71 пластины 70а металлической подложки, внутренним периметром 39а выреза металлической прокладки 30 и второй поверхностью 22 металлической соединительной пластины 20, в
(6) удлиненные углубления 121, в
(7) третий объем, образованный между первой поверхностью 71 пластины 70b металлической подложки, внутренним периметром 39b выреза металлической прокладки 30 и второй поверхностью 22 металлической соединительной пластины 20, в
(8) области 44с распределяющих топливо каналов топливных проемов 34с, 34d, в
(9) области 44b топливной горловины топливных проемов 34c, 34d в
(10) области 44а топливопровода топливных проемов 34с, 34d.
Таким образом, путь 140 потока текучей среды (т.е. путь течения топлива) образован внутри блока 1 топливного элемента от топливопроводов 130 на первом конце 2 до топливопроводов 130 на втором конце 3.
Путь 140 потока текучей среды показан на фигуре 15.
Как видно из фигур 13 и 14, металлическая соединительная пластина 20 содержит одно удлиненное мостиковое углубление 120а, которое переносит топливо из одного распределяющего топливо канала 44с1 к вырезу 40а. Аналогично, металлическая соединительная пластина 20 содержит два удлиненных мостиковых углубления 120b, которые переносят топливо из одного распределяющего топливо канала 44c2 к вырезу 40a. Кроме того, металлическая соединительная пластина 20 содержит три удлиненных мостиковых углубления 120c, которые переносят топливо из одного распределяющего топливо канала 44c3 к вырезу 40a.
Ширина удлиненных мостиковых углублений ra, rb и rb1 остается постоянной. Однако, ширина rc, rc1 и rc2 удлиненного мостикового углубления (длина самой короткой стороны поперечного сечения прямоугольной формы удлиненного мостикового углубления 120c) увеличивается по мере того, как удлиненные мостиковые углубления 120c становятся ближе к центру блока топливного элемента. То есть, rc2>rc1>rc, так что площадь потока, заключенного внутри удлиненного мостикового углубления 120c ближе к середине топливного элемента, постепенно увеличивается, способствуя равномерному перемещению топлива к центру топливного элемента, исключая нехватку топлива («топливное голодание») в упомянутом центре топливного элемента.
Фигура 14 также иллюстрирует чередующиеся углубления 110 и 122, причем углубления чередуются между проходящими от первой поверхности и проходящими от второй поверхности металлической соединительной пластины. Во избежание сомнений, удлиненные углубления 120, 120a, 120b, 120c и 121 не чередуются, а вместо этого все проходят из первой поверхности 21 металлической соединительной пластины 20, от второй поверхности 22.
Фигура 13 иллюстрирует расположение топливных проемов 34a, 34b, 34c и 34d металлической прокладки 30. Область 44b топливной горловины имеет постоянную ширину «W» между топливным проемом 34а и соответствующей областью 44с распределяющего топливо канала (областями 44с1, 44с2, 44с3 распределяющего топливо канала), при этом топливо переносится с высокой скоростью из таких топливных проемов 34а в соответствующую область распределяющего топливо канала, снижая риск нехватки топлива.
Кроме того, область 44с (44с1, 44с2, 44с3) распределяющего топливо канала имеет изогнутую форму, являясь постепенно увеличивающейся шириной упомянутой области 44с распределяющего топливо канала, начиная с ширины «W» области 44b топливной горловины и заканчивая шириной, равной расстоянию (da, db, dc), где (da˂db˂dc).
Расстояние d (da, db, dc) на краю области 44c распределяющего топливо канала больше в зонах, близких к центру блока 1 топливного элемента, чтобы способствовать равномерному продвижению топлива вдоль средней области блока 1 топливного элемента, улучшая распределение топлива.
В сборке батареи топливных элементов длина «L» области 44b топливной горловины связана с размером сжимающихся уплотнительных прокладок, расположенных между металлической соединительной пластиной 20 одного блока 1 твердооксидного топливного элемента и слоем 65 подложки следующего блока 1 твердооксидного топливного элемента, причем уплотнительная прокладка, имеющая форму тороида, окружает один проем межсоединения («интерконнектора»). Длина «L» области 44b топливной горловины совпадает с внешним радиусом минус внутренний радиус сжимающейся уплотнительной прокладки, чтобы минимизировать перепад давления.
Дополнительные углубления 122 расположены в промежутке между углублениями 110 и удлиненными мостиковыми углублениями 120, вдоль таких боковых удлиненных мостиковых углублений 120. Кроме того, дополнительные углубления 122 расположены в промежутке между углублениями 110 и удлиненными мостиковыми углублениями 121. Углубления 122 поддерживают зазор между соединительной пластиной 20 и металлической подложкой 65, исключая блокировку топлива в таких зонах, где расположены дополнительные углубления 122.
Удлиненные мостиковые углубления 120с имеют форму клина вдоль их самой короткой стороны их поперечного сечения прямоугольной формы, причем такая форма клина расположена на стороне, соединяющей область 44с3 распределяющего топливо канала с удлиненными мостиковыми углублениями 120с. В сборке батареи топливных элементов форма клина поддерживает зазор между металлической соединительной пластиной 20 и следующим блоком 1 твердооксидного топливного элемента, снижая риск коротких замыканий между двумя смежными блоками 1 твердооксидного топливного элемента.
На фигурах 16А, 16B и 16С показано значительное улучшение скорости топлива, достигаемое с помощью настоящего изобретения (фигура 16С) по сравнению с устройствами уровня техники. В частности, наблюдается значительное увеличение скорости топлива возле зон проемов. Скорость топлива остается более постоянной с помощью настоящего изобретения (фигура 16C), с меньшими областями дефицита топлива в углу блока 1 топливного элемента, и топливо равномерно перемещается по блоку 1 топливного элемента, что улучшает химическую реакцию, происходящую внутри топливного элемента.
На фигурах 17А и 17В и в таблице 1 показано, что в настоящем изобретении нормализованное время пребывания топлива уменьшилось по сравнению с уровнем техники, что означает, что для химической реакции требуется меньшая концентрация водорода. То есть для протекания химической реакции требуется меньше топлива, поэтому эффективность настоящего изобретения улучшена по сравнению с уровнем техники.
Таблица 1
Максимальная
Средняя на выходе активной области
Средняя в активной области
Уровень техники
1,1
0,88
0,72
Вариант 1
0,78
0,62
0,29
равномерность потока
Таблица 2 иллюстрирует  в активной зоне блока 1 топливного элемента - более высокий коэффициент показывает лучшее распределение потока по активной области, поэтому в данной заявке топливо лучше распределяется по топливному элементу.
Таблица 2
Вход
Выход
Уровень техники
0,56
0,51
Настоящее изобретение
0,81
0,81
перепад давления
Таблица 3 иллюстрирует  в рабочей точке. Благодаря лучшему распределению топлива, перепад давления между впускными и выпускными проемами уменьшен в настоящем изобретении по сравнению с уровнем техники. Минимизация перепада давления на элементе полезна для поддержания компрессии вдоль батареи.
Таблица 3
Перепад давления
Уровень техники
58,17 мбар
Настоящее изобретение
49,8 мбар
Подходящий материал для различных деталей включает (Таблица 4):
Таблица 4
металлическая соединительная пластина 20
ферритная нержавеющая сталь марки 441
металлическая прокладка 30
ферритная нержавеющая сталь марки 441
вырубные пластины 50a, 50b
сплав Crofer 22 APU (VDM Metals GmbH)
пластины 70а, 70b металлической подложки
сплав Crofer 22 APU (VDM Metals GmbH)
Вариант 2
Как показано на фигуре 10, вариант 2 соответствует варианту 1, за исключением того, что в блоке 1 твердооксидного топливного элемента на металлической подложке:
(i) вырубная пластина 50а и пластина 70а металлической подложки выполнены в виде объединенной пластины 170а металлической подложки, и
(ii) вырубная пластина 50b и пластина 70b металлической подложки выполнены в виде объединенной пластины 170b металлической подложки.
Изготовление и работа в остальном идентичны варианту 1.
Вариант 3
В соответствии с WO2015/136295 сборка батареи топливных элементов выполнена с использованием множества блоков 1 топливного элемента. Более подробно, комплект блоков 1 топливного элемента собран сверху металлической пластины-основы (ферритная нержавеющая сталь 3CR12) с прокладкой из Термикулита 866 (Thermiculite 866), электрически изолирующей пластину-основу от смежного блока 1 топливного элемента, и отводом мощности, расположенным между прокладкой из Термикулита 866 и смежным блоком 1 топливного элемента. Прокладки из Термикулита 866 располагают между первыми концами 2 смежных блоков 1 топливного элемента и между вторыми концами 3 смежных блоков топливного элемента. Затем располагают отвод мощности на верхнем (то есть открытом) блоке 1 топливного элемента, затем помещают прокладку из Термикулита 866 сверху отвода мощности, а на прокладке из Термикулита помещают металлическую концевую пластину (ферритная нержавеющая сталь 3CR12). Затем прикладывают сжимающее усилие с помощью средств сжатия между пластиной-основой и концевой пластиной и рубашкой, прикрепленной к пластине-основе и концевой пластине с образованием между ними объема, в котором содержится батарея топливных элементов и ее блоки топливного элемента.
Вариант 4
Как показано на фигуре 11, вариант 4 соответствует варианту 1, за исключением того, что в блоке 1 твердооксидного топливного элемента:
(i) вырубная пластина 50a, пластина 70a металлической подложки, пластина 70b металлической подложки и вырубная пластина 50b выполнены как одна объединенная пластина 180 металлической подложки (металлическая подложка),
(ii) металлическая прокладка 30 имеет единственный внутренний периметр 39а выреза, образующий один вырез.
Изготовление и работа в остальном идентичны варианту 1.
Вариант 5
Как показано на фигуре 12, блок 1 топливного элемента изготовлен согласно варианту 1. В этом варианте имеется всего шесть пластин 70 металлической подложки и шесть соответствующих вырезов 40.
Вариант 6
Этот вариант соответствует варианту 4, за исключением того, что пластина 180 металлической подложки содержит одну пористую область 78, и один топливный элемент 79 предусмотрен на второй поверхности 72 пластины 180 металлической подложки, причем пористая область и топливный элемент проходят до периметра внутреннего периметра 39а одного выреза.
При изготовлении блока 1 топливного элемента не требуется первый этап сварки (на котором детали металлической подложки 65/70 приваривают к металлической прокладке 30). Вместо него выполняют единственную сварку по периметру через три слоя.
Специалистам в данной области техники будут очевидны различные модификации, адаптации и альтернативные варианты осуществления, не выходящие за рамки прилагаемой формулы изобретения. Ссылочные обозначения включены в формулу изобретения исключительно для облегчения ее понимания и не ограничивают объем формулы изобретения.
Ссылочные обозначения
:
1 Блок твердооксидного топливного элемента
2 Первый конец
3 Второй конец
20 Металлическая соединительная пластина
21 Первая поверхность (металлической соединительной пластины 20)
22 Вторая поверхность (металлической соединительной пластины 20)
23 Внешний периметр (металлической соединительной пластины 20)
24 Топливный проем (металлической соединительной пластины 20)
27 Первый край (металлической соединительной пластины 20)
28 Второй край (металлической соединительной пластины 20)
30 Металлическая прокладка
31 Первая поверхность (металлической прокладки 30)
32 Вторая поверхность (металлическая прокладки 30)
33 Внешний периметр (металлической прокладки 30)
33a Внутренний периметр впуска топлива
33b Внутренний периметр впуска топлива
33с Внутренний периметр выпуска топлива
33d Внутренний периметр выпуска топлива
34а Топливный проем
34b Топливный проем
34c Топливный проем
34d Топливный проем
35a Объем проема впуска топлива
35b Объем выреза
35c Объем проема выпуска топлива
37 Первый длинный край (металлической прокладки 30)
38 Второй длинный край (металлической прокладки 30)
39а Внутренний периметр выреза
39b Внутренний периметр выреза
40 Вырез
40а Вырез
40b Вырез
41 Поперечина
44а Область топливопровода
44a1 Область топливопровода
44a2 Область топливопровода
44a3 Область топливопровода
44b Область топливной горловины
44c Область распределяющего топливо канала
44c1 Область распределяющего топливо канала
44c2 Область распределяющего топливо канала
44c3 Область распределяющего топливо канала
50a Вырубная пластина
50b Вырубная пластина
51 Первая поверхность (вырубной пластины)
52 Вторая поверхность (вырубной пластины)
54 Топливный проем (вырубной пластины)
55 Изогнутый край (вырубной пластины)
57 Первый край (вырубной пластины)
58 Второй край (вырубной пластины)
59 Внутренний край (вырубной пластины)
65 Металлическая подложка
65a Первая поверхность металлической подложки
65b Вторая поверхность металлической подложки
70 Металлическая подложка
70a Пластина металлической подложки
70b Пластина металлической подложки
71 Первая поверхность (пластины металлической подложки)
72 Вторая поверхность (пластины металлической подложки)
74 Первая короткая сторона (пластины металлической подложки)
75 Вторая короткая сторона (пластины металлической подложки)
76 Наружная длинная сторона (пластины металлической подложки)
77 Внутренняя длинная сторона (пластины металлической подложки)
78 Пористая область (пластины металлической подложки)
78а Перфорация
78b Непористая область (пластины металлической подложки)
79 Твердооксидный топливный элемент
80 Монтажная плита
81 Базовая кромка
82а Зазор на допуск
82b Зазор на допуск
82с Зазор на допуск
83a Фиксированный штырь
83b Фиксированный штырь
83c Фиксированный штырь
83d Фиксированный штырь
83e Фиксированный штырь
83f Фиксированный штырь
83g Фиксированный штырь
84a Подпружиненный штырь
84b Подпружиненный штырь
84c Подпружиненный штырь
84d Подпружиненный штырь
84e Подпружиненный штырь
84f Подпружиненный штырь
84g Подпружиненный штырь
84h Подпружиненный штырь
90 Первая зажимная пластина
91a Сварочный паз
91b Сварочный паз
91c Сварочный паз
92а Отверстие
92b Отверстие
95 Вторая зажимная пластина
96 Внутренний периметр
96а Отверстие
98а Отверстие
98b Отверстие
100a Прямолинейный сварной шов
100b Прямолинейный сварной шов
100с Прямолинейный сварной шов
100d Прямолинейный сварной шов
100е Прямолинейный сварной шов
100f Прямолинейный сварной шов
101 Сварной шов по периметру
110 Углубление
120 Удлиненное мостиковое углубление
120а Удлиненное мостиковое углубление
120b Удлиненное мостиковое углубление
120c Удлиненное мостиковое углубление
121 Удлиненное мостиковое углубление
122 Углубление
130 Топливопровод
140 Путь потока текучей среды
170a Объединенная пластина металлической подложки
170b Объединенная пластина металлической подложки
180 Объединенная пластина металлической подложки
dа Расстояние
db Расстояние
dc Расстояние
rc1 Ширина
rc2 Ширина
rc3 Ширина
L Длина (области 44b топливной горловины)
W Ширина (области 44b топливной горловины)