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), 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.
Известно техническое решение (пат. РФ на полезную модель №147533), принятое за прототип, 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 пазами с установленными в них обоймами с токосъемниками, нанесенными на наружные стороны верхней и нижней части 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 данного технического решения являются сниженные удельные характеристики, возникающие за счет лишних массы и размеров промежуточных перегородок между топливными ячейками внутри обоймы и дополнительного омического сопротивления электрических контактов на этих перегородках между соседними топливными ячейками.
Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является увеличение удельных характеристик батареи топливных элементов.
Для достижения указанного результата предложена батарея топливных элементов, состоящая из верхнего и нижнего коллекторов с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов, и прямоугольными пазами с установленными в них обоймами с токосъемниками, нанесенными на наружные стороны верхней и нижней части обоймы и обеспечивающими электрическое соединение обойм в батарею, электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов и расточками с прямоугольными топливными ячейками, содержащими тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, причем плоская обойма прямоугольной формы с внутренней электродной камерой выполнена в виде рамки с косыми разнонаправленными расточками для топливных ячеек на внутренних боковых противолежащих сторонах поверхности рамки, топливные ячейки прямоугольной формы установлены в расточки обоймы длинной стороной друг к другу внахлестку так, что электродное покрытие внутренней стороны предыдущей топливной ячейки переходит на электродное покрытие внешней стороны следующей топливной ячейки.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что при равных размерах обойм и топливных ячеек в предложенном техническом решении снижена масса обоймы, увеличено количество топливных ячеек и снижено омическое сопротивление контактов между топливными ячейками, что приводит к снижению массы и повышению мощности батареи, что в совокупности приводит к существенному увеличению удельной мощности батареи топливных элементов.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемой батареи топливных элементов, где
1 - обойма,
2 - верхний коллектор,
3 - нижний коллектор,
4 - штуцера подвода и отвода реагентов.
На фиг. 2 приведен вырыв по А, где
5 - топливная ячейка,
6 - электродная камера,
7 - каналы подвода и отвода реагентов,
8 - расточка нижнего коллектора,
9 - внутренний канал коллектора,
10 - токоподводы.
На фиг. 3 приведен вид обоймы с топливными ячейками.
На фиг. 4 приведен разрез обоймы по Б-Б, где
11 - электродные покрытия топливной ячейки.
На фиг. 5 приведен вид обоймы без топливных ячеек, где
12 - расточки обоймы.
На фиг. 6 приведен разрез обоймы по В-В.
Предлагаемая батарея топливных элементов (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 топливные ячейки 5 (фиг. 2), соединенные между собой внахлестку. Обоймы установлены в расточки верхнего и нижнего 8 коллекторов, имеющих соединенные с внутренним каналом 9 коллектора 3 каналы 7 подвода и отвода реагентов в электродные камеры 6.
Топливные ячейки 5 установлены в обойме 1, образуя последовательное соединение по току от нижнего до верхнего токоподводов 10 (фиг. 3). Топливные ячейки 5 выполнены с электродными покрытиями 11 (фиг. 4), причем косые расточки 12 (фиг. 5 и 6) позволяют установить их внахлестку.
Предлагаемая батарея топливных элементов работает следующим образом. Окислительный и восстановительный реагенты подаются один через штуцер подвода 4, внутренний канал коллектора 9 и канал подвода 7 нижнего коллектора 3 в электродные камеры 6 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 последовательно соединенных топливных ячеек снимается токоподводами 10 с нижней и верхней сторон обоймы 1 и отводится от батареи потребителю. Продукты реакции отводятся из электродных камер 6 через каналы отвода во внутренний канал верхнего коллектора 2.
Таким образом, батарея топливных элементов за счет снижения массы обоймы, увеличению количества топливных ячеек и снижению омического сопротивления контактов между топливными ячейками имеет меньшую массу и повышенную мощность, что в совокупности приводит к существенному увеличению удельной мощности батареи топливных элементов.