Батарея ТОТЭ планарной геометрии с керамическими вкладышами

Полезная модель относится к батарее твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), в частности к биполярной пластине, которая служит для создания электропроводящего соединения между анодом одного топливного элемента и катодом другого топливного элемента, а также разделения анодной и катодной газовых камер соответствующих топливных элементов.
Полезная модель может быть использована для изготовления энергоустановок на базе высокотемпературных топливных элементов планарной геометрии.
Для увеличения электрической мощности и напряжения, вырабатываемых топливными элементами, их обычно объединяют в так называемую батарею топливных элементов. При этом чаще всего применяют последовательную схему соединения, при которой анод одного топливного элемента соединен электрически с катодом следующего топливного элемента.
Известна конструкция батареи, в которой топливо к топливным элементам подается с помощью сквозных отверстий в топливных элементах (US 2014127604 A1, опубл. 2014.05.08, МПК Н01М 8/02). Она позволяет относительно просто организовать герметизацию с помощью одной биполярной пластины, однако требует более сложной и дорогой конструкции самих топливных элементов, а также обеспечивает невысокую равномерность обдува анода топливом. Изготовление топливных элементов сложной формы сопряжено с дополнительными техническими трудностями и рисками.
Известны несколько вариаций конструкции батареи без отверстий в топливных элементах (например, US 2010081026 (опубл. 2010.04.01, МПК Н01М 8/04, Н01М 8/10). Она содержит повторяющийся узел, состоящий из одного топливного элемента без отверстий в рамке, высокотемпературного герметика, металлической биполярной пластины и концевых пластин. Газовые потоки организованы в скрещенной конфигурации. В данном случае применяется дополнительная рамка с отверстиями, в которую топливный элемент вклеивается по периметру, что практически с точки зрения герметизации превращает его в топливный элемент с отверстиями. Такая конструкция содержит минимум одну дополнительную деталь с характерными размерами топливного элемента и лишний герметизирующий шов. Большое количество деталей усложняет конструкцию и схему склейки, что увеличивает стоимость изделия и вероятность брака.
Известна конструкция батареи, в которой для создания непрерывного герметизирующего шва по кромке топливного элемента применяются разделительные вкладыши, интегрированные в металлическую биполярную пластину - RU 157575 (опубликован 10.12.2015, МПК Н01М 2/18, Н01М 8/02, Н01М 8/10). Такая конструкция наиболее близка к предлагаемой. Для того, чтобы вкладыши выдерживали механическую нагрузку и надежно отделяли слой герметика от газовых каналов, они должны обладать соответствующей механической прочностью. С учетом высоких рабочих температур, характерных для ТОТЭ (700-950°C), это накладывает ограничения на толщину вкладышей. Так, для жаропрочных ферритных хромистых сталей толщина вкладышей не должна быть менее 0,4-0,5 мм. Металлические вкладыши не должны выступать над плоскостью биполярной пластины, так как это создает риск электрического замыкания соседних биполярных пластин. Поэтому толщина вкладышей в качестве одного из слагаемых входит в общую толщину биполярной пластины и влияет на ее массогабаритные характеристики.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в уменьшении веса батареи ТОТЭ и увеличении ее надежности за счет использования диэлектрической керамики в качестве материала разделительных вкладышей.
Для достижения указанного технического результата батарея ТОТЭ планарной геометрии имеет повторяющийся узел, состоящий из, как минимум, одного топливного элемента, высокотемпературного герметика, одной металлической биполярной пластины и двух диэлектрических керамических разделительных вкладышей в зоне контакта биполярной пластины с кромкой пластины топливного элемента.
На фиг. 1 показан разнесенный вид повторяющегося узла батареи ТОТЭ, содержащий следующие основные элементы:
1 - топливный элемент;
2 - высокотемпературный герметик;
3 - биполярная пластина;
4 - керамические разделительные вкладыши.
Не показаны контактные материалы, наносимые на токосъемные ребра и/или электроды топливного элемента. При сборке батареи вкладыши 4 укладываются в ответные пазы биполярной пластины 3. Таким образом, вкладыши выполняют функцию подложки для герметика, позволяя не допустить контакта кромки топливного элемента и топлива.
2
2
3
2
3
2
2
3
Керамическим материалом вкладышей может служить оксид циркония (ZrO), стабилизированный в кубической фазе добавками оксидов иттрия (YO), скандия (ScO), церия (CeO) и алюминия (AlO). Также может применяться алюмомагнезиальная шпинель. В случае полного совпадения материала вкладышей с материалом твердого электролита топливных элементов исключаются термомеханические напряжения, возникающие вследствие разности коэффициентов температурного расширения материалов вкладышей и топливного элемента. Вкладыши могут изготавливаться методом шликерного литья с последующей сушкой, нарезкой по форме и высокотемпературным спеканием.
Поскольку при высоких температурах прочность керамики многократно превосходит прочность жаропрочных сплавов, использование керамики позволяет уменьшить толщину вкладышей до 0,15-0,20 мм и за счет этого уменьшить общую толщину и вес биполярной пластины. Кроме того, диэлектрические свойства керамики позволяют применять вкладыши, выступающие над плоскостью биполярной пластины. В таком случае при контакте со следующей биполярной пластиной вкладыш выступает в роли естественного ограничителя, предотвращая дальнейшее сближение биполярных пластин, их электрическое замыкание и увеличивая надежность конструкции.