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 прямоугольных топливных ячеек, содержащих тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, вставленных в прямоугольные обоймы с электродными камерами, верхнего и нижнего коллекторов с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов.
Недостатками данного технического решения являются сниженные удельные характеристики, возникающие за счет лишних массы и размеров несущей обоймы и дополнительного омического сопротивления электрических контактов на 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 прямоугольных топливных ячеек, содержащих тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, вставленных в прямоугольные обоймы с электродными камерами, верхнего и нижнего коллекторов с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов, причем электродные камеры выполнены взаимоперпендикулярными и чередующимися и сформированы путем установки между топливными ячейками по их краям чередующихся вертикальных и горизонтальных вставок, причем вертикальные вставки выполнены со скошенными верхними снаружи, а нижними изнутри торцами, топливные ячейки расположены одноименными электродными покрытиями друг к другу, электродные покрытия внутри вертикальных электродных камер выполнены с выходом на нижние торцы топливных ячеек, а электродные покрытия внутри горизонтальных электродных камер выполнены с выходом на верхние торцы топливных ячеек, обоймы установлены друг на друга так, чтобы скосы вертикальных вставок вышележащих обойм были надеты на выступающие скосы вертикальных вставок нижних обойм.
Кроме того,
- ширина топливных ячеек превышает высоту в 2÷5 раз,
- количество топливных ячеек в обойме составляет 16÷26 штук,
- толщина вставок составляет 0,5÷1,5 мм.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что несущим элементом конструкции становится сама топливная ячейка, за счет чего при равной суммарной площади топливных ячеек существенно уменьшаются масса и габариты батареи, увеличивается плотность упаковки топливных ячеек и снижается омическое сопротивление контактов между топливными ячейками, что в совокупности приводит к 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,
5 - внутренний канал,
6 - прямоугольный паз.
На фиг. 2 приведен разрез батареи по А-А.
На фиг. 3 приведен вид батареи по Б.
На фиг. 4 приведен вырыв по В батареи, где
7 - топливная ячейка,
8 - электродные покрытия,
9 - горизонтальная электродная камера,
10 - вертикальная электродная камера,
11 - горизонтальная вставка,
12 - вертикальная вставка.
На фиг. 5 приведен разрез обоймы по В-В.
На фиг. 6 приведен разрез обоймы по Г-Г.
На фиг. 7 приведена сборка обойм в разрезе.
Предлагаемая батарея топливных элементов (фиг. 1, 2 и 3) состоит из набора обойм 1, установленных между верхним 2 и нижним 3 коллекторами, имеющими штуцера 4 подвода и отвода реагентов, внутренние каналы 5 и прямоугольные пазы для обойм 6.
Обойма 1 состоит из топливных ячеек 7 (фиг. 4 и 5), соединенных между собой с помощью чередующихся горизонтальных 11 и вертикальных 12 вставок, образующих в совокупности горизонтальные 9 и вертикальные 10 электродные камеры. Вертикальные вставки имеют скошенные верхние снаружи, а нижние изнутри торцы (фиг. 6). Обоймы собираются в вертикальные сборки так, что скосы вертикальных вставок вышележащих обойм надеты на выступающие скосы вертикальных вставок нижних обойм (фиг. 7), при этом электродные покрытия внутри вертикальных электродных камер, выполненные с выходом на нижние торцы топливных ячеек, соединяются с электродными покрытиями внутри горизонтальных электродных камер нижележащей обоймы, выполненных с выходом на верхние торцы топливных ячеек, образуя последовательное соединение топливных ячеек по вертикали.
Предлагаемая батарея топливных элементов работает следующим образом. Окислительный и восстановительный реагенты подаются один через штуцер подвода 4 и внутренний канал коллектора 5 в вертикальные электродные камеры 10 обойм 1 к электродным покрытиям этих камер топливных ячеек 7, а второй реагент поступает в горизонтальные электродные камеры 11 обоймы 1, реагируя на электродных покрытиях этих камер. Возникающее при этом напряжение последовательно соединенных топливных ячеек снимается токоподводами на верхнем 2 и нижнем 3 коллекторах и отводится от батареи потребителю.
Предлагаемый диапазон размеров обоймы выбран из следующих соображений: при ширине топливных ячеек меньше двух высот и толщине вставок больше 1,5 мм уменьшается удельная мощность батареи из-за роста удельной доли вставок, при толщине вставок меньше 0,5 мм возрастает гидравлическое сопротивление батареи, что также отрицательно влияет на ее удельные характеристики, при ширине обоймы больше шести высот начинает сказываться изменение концентрации реагентов по длине горизонтальных камер, что отрицательно влияет на локальную плотность тока. Что касается количества топливных ячеек в обойме 16÷26 штук, то эти значения выбраны из соображений конструктивной целесообразности.
Для предотвращения короткого замыкания топливных ячеек электродные покрытия на противолежащих от покрытых ими торцов сторонах топливных ячеек отстоят от края на 0,5÷4 мм.
Таким образом, батарея топливных элементов за счет снижения массы обоймы, увеличению плотности упаковки 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.