ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЛИ ТВЕРДООКСИДНАЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТАКОГО ЭЛЕМЕНТА
SOLID OXIDE FUEL CELL OR SOLID OXIDE ELECTROLYZING CELL AND METHOD FOR OPERATING SUCH CELL

Область технического применения
Настоящее изобретение относится к твердооксидному топливному элементу или твердооксидной электролитической ячейке. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейке.
Предпосылки создания настоящего изобретения
2
2
Топливный элемент представляет собой устройство, которое генерирует электричество посредством химической реакции. Среди различных топливных элементов, твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) используют твердое, керамическое соединение на основе оксида металла (например, кальция или циркония) в качестве электролита. Как правило, в твердооксидных топливных элементах окисляющее средство, такое как 0, восстанавливается до ионов кислорода (0-) на катоде, а горючий газ, такой как газ Н2, окисляется с ионами кислорода с образованием воды на аноде.
ТОТЭ топливный элемент содержит набор блоков топливного элемента. Блок ТОТЭ топливного элемента состоит из двух главных компонентов, блока катод-анод-электролит, также называемого как блок КАЭ, и межблочного соединения, имеющего вид кассеты в некоторых случаях. Межблочное соединение служит для соединения электрически блока КАЭ одного блока топливного элемента с блоком КАЭ другого блока топливного элемента, так что можно объединять электрическую энергию, которую генерирует каждый блок КАЭ. Такие межблочные соединения в планарных высокотемпературных топливных элементах (ТОТЭ) выполняют функцию электрического соединения блоков КАЭ, а также перемещения горючего газа и окисляющего средства к соответствующим электродам блоков КАЭ.
2
3
Поскольку межблочное соединение открыто как для окислительной стороны, так и восстанавливающей стороны блока КАЭ при очень высоких температурах приблизительно 500°С - 1100°С, межблочные соединения представляют собой одну из важнейших проблем твердооксидных топливных элементов. По этой причине в прошлом при длительной эксплуатации керамика была более предпочтительной по сравнению с металлами в качестве материала для межблочных соединений. Тем не менее, эти керамические материалы для межблочных соединений весьма дорогостоящие по сравнению с металлами. Хотя металлические межблочные соединения можно относительно легко изготавливать и обрабатывать, при работе они главным образом страдают от высоких скоростей деградации энергии отчасти в результате образования оксидов металла, таких как CrO, на контактной поверхности анода/катода межблочного соединения. Сплавы на основе никеля и стали становятся более перспективными по мере развития ТОТЭ с более низкими температурами (600-800°С).
В документе US 7 632 586 В2 описано межблочное соединение для горючего газа и окисляющего средства. Планарные блоки КАЭ расположены один над другим с соединительными слоями, образованными в виде планарных металлических пластин, расположенных между соседними блоками КАЭ. Соответствующие проходы для топлива и окислителя выполнены в слоях анода и катода.
Из-за очень высоких рабочих температур набора ТОТЭ топливных элементов следует принимать во внимание эффекты теплового расширения и термомеханические свойства блока КАЭ и конструкции межблочного соединения для подачи реагирующего вещества в блок КАЭ и отведения реагирующего вещества из него. В частности, газораспределительные конструкции могут испытывать некоторую деформацию, которая влияет на распределение потоков в топливном элементе. Кроме того, электроды и контактные поверхности после достижения избыточных температур стремятся к деградации.
В документе US 6 670 068 В1 описан набор ТОТЭ топливных элементов. Таким образом, несколько блоков КАЭ находятся в электропроводном контакте с межблочным соединением, при этом межблочное соединение содержит контактную пластину и направляющий элемент для текучей среды, образованный в виде части из листового металла определенной формы и соединенный с контактной пластиной непроницаемым для текучей среды образом посредством сварки или пайки. Таким образом, контактная пластина образует камеру для текучей среды, при этом горючий газ или окисляющее средство протекает через нее во время работы блока топливного элемента. Часть из листового металла определенной формы имеет несколько гофрирований, обеспечивающих волнообразную конструкцию. Волнообразная конструкция как таковая может в некоторой степени компенсировать тепловое расширение блока КАЭ и направляющего элемента для текучей среды при работе. Однако в связи с локальным контактом вершин волны или впадин волны с соответствующим электродом, направляющий элемент для текучей среды должен повторять тепловой расширение электрода. Если направляющий элемент для текучей среды не обладает достаточной упругостью, в электрод привносится напряжение в связи с тепловым расширением. Электроды образованы из твердой хрупкой керамики. Таким образом, если высокое напряжение привносится в электроды, могут образовываться трещины, что, в конечном итоге приводит к разрушению электрода. Кроме того, сваренное или спаянное соединение, предусмотренное между направляющим элементом для текучей среды и анодом, также способствует увеличению жесткости конструкции. В частности, если используются материалы, имеющие различные коэффициенты теплового расширения, в конечном итоге напряжения могут привести к повреждениям электрод и могут повредить указанную мембрану элемента. В частности, поток реагирующих веществ может быть изменен или может происходить их непосредственное смешивание, если мембрана элемента вышла из строя, что приводит к спонтанному сгоранию. Таким образом, могут локально образовываться горячие точки, что может вызывать локальное тепловое расширение и, таким образом, дальнейшее развитие локального напряжения.
Следовательно, существует потребность в разработке улучшенных межблочных соединений для твердооксидных топливных элементов, решающих одну или несколько из вышеуказанных проблем, так чтобы получить более надежные и эффективные твердооксидные топливные элементы.
Таким образом, целью настоящего изобретения является улучшение существующих топливных элементов ТОТЭ, выполнение их более надежными и обеспечение более дешевого изготовления.
Сущность настоящего изобретения
Цель настоящего изобретения достигается посредством твердооксидного топливного элемента, содержащего признаки по пункту 1 формулы изобретения.
Зависимые пункты формулы 2-25 относятся к дополнительным предпочтительным конфигурациям или вариантам осуществления настоящего изобретения. Цель настоящего изобретения дополнительно достигается посредством способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента, содержащего признаки по пункту 26 формулы изобретения. Пункты 27-34 формулы изобретения относятся к дополнительным предпочтительным способам этапа.
Цель настоящего изобретения, в частности, достигается посредством твердооксидного топливного элемента, содержащего
а) несколько блоков катод-анод-электролит, при этом каждый блок КАЭ содержит
- первый электрод для окисляющего средства,
- второй электрод для горючего газа,
- и твердый электролит между первым электродом и вторым электродом, и
b) металлическое межблочное соединение между блоками КАЭ, при этом межблочное соединение содержит:
- первый газораспределительный элемент, содержащий газораспределительную конструкцию для горючего газа, при этом первый газораспределительный элемент находится в контакте со вторым электродом блока КАЭ, и
- второй газораспределительный элемент, содержащий каналы для окисляющего средства и содержащий отдельные каналы для текучей среды для термообработки, при этом каналы для окисляющего средства находятся в контакте с первым электродом соседнего блока КАЭ, и первый газораспределительный элемент и второй газораспределительный элемент, соединенные электрически.
Цель настоящего изобретения, в частности, дополнительно достигается посредством способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки, при этом элемент содержит
a) несколько блоков катод-анод-электролит и
b) металлическое межблочное соединение между блоками КАЭ, при этом межблочное соединение содержит:
- первый газораспределительный элемент, содержащий газораспределительную конструкцию для горючего газа, и
- второй газораспределительный элемент, содержащий каналы для окисляющего средства и содержащий отдельные каналы для текучей среды для термообработки,
при этом измеряют по меньшей мере первую и вторую контрольные температуры,
- первая температура является температурой текучей среды для термообработки, входящей во второй газораспределительный элемент, или любой характерной температурой, измеренной на стороне впуска текучей среды для термообработки топливного элемента,
- и вторая температура является температурой одной из температуры на выходе текучей среды для термообработки, выходящей из второго газораспределительного элемента, температуры набора топливных элементов или любой характерной температуры, измеренной на стороне выпуска текучей среды для термообработки топливного элемента, при этом количество текучей среды для термообработки, подаваемой на второй газораспределительный элемент, регулируется на основе разности температур между первой и второй температурами.
Изобретение в данной заявке описывается путем раскрытия твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Вариант осуществления согласно изобретению может также быть использован в качестве твердооксидной электролитической ячейки (ТОЭЯ). Под описанием твердооксидного топливного элемента в данном документе также подразумевается вариант осуществления, используемый в качестве электролизного устройства, и также подпадает под объем формулы изобретения, кроме специально обозначенных случаев.
Твердооксидный топливный элемент согласно настоящему изобретению содержит несколько блоков катод-анод-электролит и металлическое межблочное соединение между каждым из блоков КАЭ, при этом межблочное соединение содержит:
- первый газораспределительный элемент, содержащий газораспределительную конструкцию для горючего газа, при этом первый газораспределительный элемент находится в контакте с блоком КАЭ, и
- второй газораспределительный элемент, содержащий каналы для окисляющего средства и содержащий отдельные каналы для текучей среды для термообработки, при этом каналы для окисляющего средства находятся в контакте с соседним блоком КАЭ, и при этом первый газораспределительный элемент и второй газораспределительный элемент соединены электрически. Таким образом, межблочное соединение служит для электрического соединения блока КАЭ с соседним блока КАЭ. Кроме того, межблочное соединение дополнительно служит для перемещения горючего газа и окисляющего средства. Межблочное соединение дополнительно содержит каналы для текучей среды для термообработки для охлаждения (в основном блоков ТОТЭ) или нагревания (в основном блоков ТОЭЯ), в частности, блока КАЭ.
В предпочтительном варианте осуществления первый газораспределительный элемент для топливного элемента (или электролизного устройства) содержит первый слой и второй слой, при этом указанные первый и второй слои имеют газораспределительную конструкцию, образующую конфигурацию для горючего газа. Впускное отверстие предусмотрено для горючего газа в газораспределительную конструкцию, образованную между первым слоем и вторым слоем, посредством указанной конфигурации и выпускное отверстие предусмотрено для отведения продуктов реакции от газораспределительной конструкции. Опорный слой, который представляет собой второй газораспределительный элемент, предусмотрен для осуществления термообработки первого слоя для регулирования температуры реагирующей текучей среды или первого слоя и, таким образом, обеспечения однородного распределения температуры реагирующей текучей среды, протекающей через газораспределительную конструкцию.
Когда в данной заявке для совмещения двух альтернатив используется выражение "или", следует понимать как наличие комбинации двух альтернатив, так и наличие только одной из альтернатив. Если топливный элемент конкретно не указывается, то признаки могут использоваться применительно как к топливным элементам, так и к электролизным устройствам.
Предпочтительно второй газораспределительный элемент, также называемый как опорный слой, расположен на стороне первого газораспределительного элемента, при этом второй газораспределительный элемент проходит на стороне, противоположной первой газораспределительной конструкции. В частности, первая и/или вторая газораспределительная конструкция может быть сконфигурирована в виде канальной системы.
Согласно варианту осуществления второй газораспределительный элемент имеет несколько гофрирований. В частности, гофрирования могут образовывать несколько проходов, в частности, проходящих параллельно друг другу. Согласно одному варианту проходы могут открываться в направлении первого слоя, первого газораспределительного элемента. В частности, проходы могут иметь одно из волнообразного профиля, зигзагообразного профиля или профиля с трапециевидным поперечным сечением. Альтернативно или в качестве комбинации с вышеуказанным, проходы выполнены по форме в виде закрытых каналов, в частности, трубчатых каналов. Такие трубчатые каналы могут, в частности, иметь круглое или прямоугольное поперечное сечение. Проходы могут проходить по существу вдоль основного направления потока от впускного отверстия к выпускному отверстию.
Согласно варианту осуществления первый газораспределительный элемент содержит первый и второй слой, при этом второй слой представляет собой гомогенизирующий элемент, которые имеет прорези, которые имеют длину и ширину, при этом длина больше ширины, и длина проходит в поперечном направлении относительно основного направления потока текучей среды. Конфигурация потока реагирующей текучей среды указанного первого слоя может содержать по меньшей мере одно из нескольких каналов, трехмерных конструкций, таких как штыри, решетчатые конструкции, пеноконструкции. В дополнительном варианте осуществления каналы первого слоя, по меньшей мере, частично перегорожены по меньшей мере одним реечным элементом. Согласно варианту осуществления, по меньшей мере, некоторые из вторых прорезей второго слоя имеют форму перфорированных отверстий, при этом длина вторых прорезей больше, чем ширина реечного элемента, так что вторые прорези могут обходить реечный элемент.
Способ эксплуатации твердооксидного топливного элемента, таким образом, включает этапы обеспечения протекания горючего газа через первый газораспределительный элемент и окисляющего средства вдоль второго газораспределительного элемента. Первый газораспределительный элемент содержит первый слой и второй слой, при этом указанные первый и второй слои имеют конфигурацию для потока текучей среды, так что первая газораспределительная конструкция образована по меньшей мере на одном из первого или второго слоев. Окисляющее средство течет во второй газораспределительный элемент, при этом второй газораспределительный элемент электрически соединен с первым газораспределительным элементом. Предпочтительно предусмотрен второй газораспределительный элемент для термообработки первого слоя, горючего газа и блока КАЭ.
Если способ применяется для твердооксидного топливного элемента текучая среда горючего газа обеспечивает источник электронов на блок катод-анод-электролит, а окисляющее средство обеспечивает ионы, переносящие заряд, на блок катод-электролит-анод, так что ионы, переносящие заряд, могут проходить через электролит и может быть осуществлена электрохимическая реакция на электролите, при этом электроны высвобождаются для создания электрического тока. Электроны подаются или отводятся через межблочное соединение, обеспечивая электропроводный путь между двумя блоками КАЭ.
Первый и второй газораспределительные элементы для твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) обеспечивают соответствующее распределение горючего газа и окисляющего средства, следовательно, газа на топливном электроде топливного элемента, а также надлежащий электрический контакт с последним. Таким образом, настоящее изобретение также относится к газораспределительному элементу и его конструкциям в топливном элементе или наборе электролизного устройства. Как правило, топливный элемент сконфигурирован как набор топливных элементов, состоящий из нескольких блоков элемента. Блоки элемента объединены в модульном виде в таком наборе топливных элементов, чтобы для применения можно было добиться необходимого уровня напряжения и выходной мощности. Создание набора, соответственно, включает соединение нескольких блоков элемента в группах посредством электропроводящих межблочных соединений. Блок элемента, в частности, может иметь конфигурацию в виде мембраны элемента.
Для твердооксидного топливного элемента или электролизного устройства очень важно, чтобы горючий газ равномерно распределялся по топливному электроду с целью увеличения эффективности и обеспечения надежной работы. Это требует, чтобы газораспределительная конструкция первого газораспределительного элемента, например, канальная система или пористая конструкция, проявляла равномерное сопротивление газовому потоку, и, соответственно, равномерное падение давления. Для канальных конструкций, как правило, это требует предоставления очень точной геометрии, включая очень жесткие производственные допуски и, следовательно, влечет за собой большие производственные затраты.
Керамический слой для диффузии газа, который расположен на каждой из сторон твердооксидного топливного элемента, который, в свою очередь, расположен между двумя металлическими межблочными соединениями, снижает стоимость всего набора, делая его менее сложным и менее дорогостоящим для изготовления в отношении материалов.
Согласно одному варианту осуществления, газораспределительная конструкция первого слоя, по меньшей мере, частично перегорожена по меньшей мере одним реечным элементом. Реечный элемент следует считать препятствием для потока текучей среды, проходящей через газораспределительную конструкцию первого слоя. Реечный элемент может являться элементом в виде барьера или заслонки любого типа, который заставляет поток текучей среды отклоняться от перемещения в основном направлении потока текучей среды, или который создает локальное ограничение гидравлического диаметра каналов потока.
По меньшей мере некоторые из первых или вторых прорезей второго слоя могут иметь форму в виде перфорированных отверстий, в частности, в виде углублений. Таким образом, первые и вторые слои образуют газораспределительный элемент, который состоит по меньшей мере из одного тонколистового металла. В газораспределительном элементе по меньшей мере один слой из листового металла образует канальную конструкцию, обращенную к перфорированному слою. Особенность перфорированного слоя заключается в предоставлении ряда продолговатых углублений, проходящих по существу перпендикулярно каналам для распределения топлива и в обеспечении смешивания газа из нескольких каналов в близлежащей среде с равными интервалами вдоль направления потока.
Предпочтительно длина перфорационных отверстий больше, чем ширина реечного элемента. Таким образом, как первая, так и вторая реагирующая текучая среда может проходить над препятствием, образованным реечным элементом, и, таким образом, поток отклоняется от основного направления потока, обеспечивая смешивание потока из одного канала с потоками, проходящими через соседние каналы. Согласно одному варианту осуществления часть прорезей, в частности, в виде перфорированных отверстий, имеет длину больше, чем ширина, и при этом или длина, или ширина проходит в основном направлении потока текучей среды. В частности, ширина первых прорезей проходит в основном направлении потока текучей среды или длина вторых прорезей проходит в основном направлении потока текучей среды. Газораспределительная конструкция, расположенная на первом слое, и по меньшей мере первые прорези и вторые прорези находятся в контакте по текучей среде.
Опорный слой, образующий дополнительный слой, может быть предоставлен для равномерного распределения одной из первой или второй реагирующих текучих сред на электроде. Согласно одному из вариантов осуществления по меньшей мере на одном из первого и второго слоев выполнены несколько впускных отверстий для соответствующей реагирующей текучей среды. Посредством предоставления нескольких впускных отверстий, можно добиться более равномерного распределения потока текучей среды. Еще одним преимуществом является более равномерное распределение тепла, таким образом, обеспечивается эффективное использование всей реакционноспособной поверхности, предоставляемой блоком КАЭ.
Кроме того, газораспределительные конструкции, образующие конфигурацию для потока текучей среды, в частности, по меньшей мере, некоторые из первых или вторых прорезей могут изготавливаться посредством чеканки или вытравливания. Согласно альтернативному варианту осуществления опорный слой образует с первым слоем одно целое. Согласно одному варианту осуществления первый слой содержит первый лист, содержащий перфорационные отверстия, и второй лист, образующий базовый слой. Опорный слой может располагаться на противоположной стороне от базового слоя или первого слоя.
Более того, настоящее изобретение относится к топливному элементу или электролизному устройству, содержащему газораспределительный элемент согласно любому из предыдущих вариантов осуществления.
В частности, общая открытая площадь первых прорезей составляет по меньшей мере 20% от общей поверхности контакта отрицательного электрода блока катод-анод-электролит, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 30% от общей поверхности контакта, наиболее предпочтительно по меньшей мере приблизительно 50% от общей поверхности контакта. Таким образом, достигается боковое распределение газа, протекающего через газораспределительный элемент, что обеспечивает более однородное распределение текучей среды и, следовательно, более равномерную температуру текучей среды.
Основные применения ТОТЭ относятся к областям дистанционного питания, распределенному генерированию энергии, комбинированной выработке тепла и электроэнергии (СНР), вспомогательным электроагрегатам (APU) для грузовиков, автобусов и кораблей, портативному электропитанию и эффективному преобразованию биогаза.
Краткое описание графических материалов
Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными и воспринимаемыми из следующего описания определенных примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, взятых вместе с прилагающимися графическими материалами, в которых подобные числовые позиции обозначают подобные компоненты. Настоящее изобретение подробно описано в сочетании с топливным элементом. Очевидно, что настоящее изобретение также охватывает электролизное устройство.
На фиг. 1 представлен схематический вид системы ТОТЭ,
на фиг. 2 представлен вид в изометрии первого газораспределительного элемента,
на фиг. 3 представлен вид в поперечном сечении блока элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 4 представлен вид в разобранном положении блока элемента по фиг. 3,
на фиг. 4А представлен увеличенный вид второго газораспределительного элемента,
на фиг. 4В представлен вид в разобранном положении еще одного варианта осуществления первого газораспределительного элемента,
на фиг. 4С представлен вид в разобранном положении еще одного варианта осуществления первого газораспределительного элемента,
на фиг. 4D представлен дополнительный вариант осуществления второго слоя, гомогенизирующего слоя,
на фиг. 4Е представлен дополнительный вариант осуществления второго слоя, гомогенизирующего слоя,
на фиг. 4F представлен еще один вариант осуществления блока элемента, содержащего первый и второй газораспределительный элемент,
на фиг. 4G представлено сечение второго газораспределительного элемента,
на фиг. 4Н представлен еще один вариант осуществления второго газораспределительного элемента,
на фиг. 5 представлен вид сверху двух соседних слоев газораспределительного элемента,
на фиг. 6А представлен частичный вид сверху перфорированного слоя газораспределительного элемента,
на фиг. 6В представлен разрез по линии А-А по фиг. 6А,
на фиг. 6С представлен разрез по линии В-В по фиг. 6А,
на фиг. 6D представлен увеличенный вид в разрезе идеального
газораспределительного элемента по линии С-С по фиг. 4, но без опорного слоя,
на фиг. 6Е представлен вид в разрезе газораспределительного элемента без гомогенизирующего слоя,
на фиг. 6F представлен увеличенный вид в разрезе по линии С-С по фиг. 4 газораспределительного элемента, содержащего гомогенизирующий слой,
на фиг. 6G представлен схематический вид, изображающий идеальные условия потока горючего газа через газораспределительный элемент,
на фиг. 6Н представлен схематический вид, изображающий реальные условия потока горючего газа через газораспределительный элемент,
на фиг. 6I представлен схематический вид, изображающий реальные условия потока горючего газа через дополнительный газораспределительный элемент,
на фиг. 6K представлен вид в разрезе газораспределительного элемента без гомогенизирующего слоя,
на фиг. 6L представлен вид в разрезе газораспределительного элемента подобного тому, что показан на фиг. 6K, однако газораспределительный элемент содержит гомогенизирующий слой,
на фиг. 7А представлен схематический вид, изображающий идеальные условия потока горючего газа через газораспределительный слой блока топливного элемента,
на фиг. 7В представлен схематический вид, изображающий оптимальные предусмотренные реальные условия потока горючего газа через блок топливного элемента,
на фиг. 7С представлен схематический вид, изображающий условия потока горючего газа через блок топливного элемента согласно существующему уровню техники,
на фиг. 7D представлен вид набора блоков топливного элемента с потоком согласно условиям, изображенным на фиг. 7В,
на фиг. 7Е представлен вид набора блоков топливного элемента с потоком согласно условиям, изображенным на фиг. 7С,
на фиг. 8 представлен вид в сечении нескольких последовательных слоев блоков топливного элемента набора,
на фиг. 8А представлен подробный вид в разрезе по фиг. 8,
на фиг. 8В представлен вид в разрезе схематического вида сбоку набора топливного элемента,
на фиг. 8С представлен вид в разрезе схематического вида сбоку дополнительного варианта осуществления набора топливного элемента.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
На фиг. 1 показана система 100 твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) согласно настоящему изобретению. Система твердооксидного топливного элемента содержит корпус 101, который содержит набор 103 топливных элементов, состоящего из нескольких блоков 50 топливного элемента, тем самым блоки топливного элемента в данном документе также называются блоками 50 элемента. Корпус опирается на основание 102. Система топливного элемента или баланс установки содержит теплообменник 106 для нагрева реагирующих веществ, а также блоки подготовки реагирующего вещества для предоставления реагирующих веществ с правильной композицией и правильным расходом в топливном элементе, которые не показаны в графических материалах. Наборы расположены с отводными элементами 104, 105 для реагирующих веществ.
2
Набор может быть сконфигурирован, как показано в документе US 7632586В2, где применяется особая контактирующая с электродом и газораспределительная конструкция. В известном уровне техники, набор на основе этой технологии был разработан для применений приблизительно в 1 кВт дистанционного и микроустройств комбинированной выработки тепла и электроэнергии (СНР). Он отличается низким падением давления и может достигать плотностей энергии в 1 кВт/л или 400 мВт/см с электрическим КПД выше 45%. Наборы могут заправляться природным газом после риформинга, газом после риформинга или водородом. Этот набор распределяет воздух снаружи и топливо внутри и восстанавливает отработавший поток топлива. Отработавший поток может использоваться в дожигании или повторно использоваться для риформинга (данный настроенный баланс установки). Применение US 7632586В2 улучшает допуски термодинамического цикла набора, избегая дополнительного ухудшения рабочих характеристик в результате термодинамического цикла.
При помощи двух новейших прототипов, комбинирующих настоящее изобретение и технологию, описанную в документе US 7632586 В2, были найдены улучшенные рабочие характеристики. Была достигнута максимальная конверсия топлива в 94% с КПД, достигающим 61% при использовании в качестве топлива водорода и 69% при использовании метана. Более того, было достигнуто до 50 термодинамических циклов без значительного повреждений короткого набора такого комбинированного типа. Это намного выше более ранних результатов, основанных только на обработке потока реагирующего вещества, как описано в документе US 7 632 586 В2.
Для распределения горючего газа предусмотрен первый газораспределительный элемент 10, который подробно изображен на фиг. 2. Межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4. Как правило, межблочное соединение 40 расположено между двумя прилегающими блоками 5 катод-анод-электролит. Под блоком 50 элемента следует понимать блок, содержащий блок 5 катод-анод-электролит и межблочное соединение 40.
Первый газораспределительный элемент 10 используется для предоставления, по меньшей мере, горючего газа в соответствующий электрод.
Второй газораспределительный элемент 4 используется для предоставления реагирующего вещества, содержащего кислород, который является окисляющим средством для соответствующего электрода. Первый газораспределительный элемент 10, отображенный на фиг. 2, содержит впуск 16 для топлива и выпуск 18 для топлива, так что топливо, подаваемое впуском 16, протекает внутри первого газораспределительного элемента 10 в линейном направлении потока 9 от впуска 16 к выпуску 18. На фиг. 2 первый слой 2 расположен ниже второго слоя 3.
Для функционирования в качестве топливного элемента, реагирующее вещество, содержащее кислород, подается на положительный кислородный электрод 51, действующий как катод.
Для функционирования блока 50 элемента в качестве электролизного устройства, реагирующее вещество, содержащее кислород, подается на тот же самый положительный кислородный электрод 51, действующий в качестве анода.
В предпочтительном варианте осуществления газораспределительный элемент 10 используется для подачи горючего газа в отрицательный электрод 53 блока 5 КАЭ катод-анод-электролит. Межблочное соединение 40 дополнительно содержит второй газораспределительный элемент 4, содержащий каналы, проводящие текучую среду, для реагирующего вещества, содержащего кислород, которые обеспечивают приведение в контакт реагирующего вещества, содержащего кислород, с положительным кислородным электродом 51 прилегающего блока 5 КАЭ катод-анод-электролит.
2
2
2
В большинстве случаев содержащее кислород реагирующее вещество является воздухом, тем не менее, в межблочное соединение также может подаваться чистый кислород или кислородсодержащий газ. Второе реагирующее вещество, горючий газ, как правило, содержит любую смесь Н, СО, НО, СО, метана, аммиака, другого углеводорода или необязательных растворителей.
В предпочтительном варианте осуществления горючий газ распределяется внутри газораспределительного элемента 10. Отрицательный электрод 53 блока 5 КАЭ катод-анод-электролит, таким образом, обращен ко второму слою 3 газораспределительного элемента 10.
Первый газораспределительный элемент 10 также может быть использован для работы электролизного устройства в обратном порядке. Для функционирования в качестве топливного элемента, реагирующее вещество, содержащее кислород, подается на положительный кислородный электрод, действующий как катод.
Для функционирования блока элемента в качестве электролизного устройства реагирующее вещество, содержащее кислород, подают на положительный кислородный электрод, действующий как анод.
Межблочное соединение 40 объединяет две существенных функции набора 103 топливных элементов: он осуществляет токосъем с электродов 51, 53 и он распределяет реагирующее вещество, в частности, топливо, а также кислородсодержащий газ между и на блоке 5 КАЭ катод-анод-электролит и в них.
Как изображено на фиг. 3, межблочное соединение 40, таким образом, обеспечивает осуществление распределения газа блока 50 элемента, обеспечивая возможность использования тонких, не подвергнутых механической обработке металлических листов, как показано ссылочными позициями 1, 2, 3 и/или 4, которые, например, могут быть изготовлены посредством чеканки, штамповки, вальцовки, выдавливания или вытравливания, то есть дешевого изготовления, вместо дорогих структурных двухполярных пластин. Базовый слой 1 и/или первый слой 2, и/или второй слой 3, и/или опорный слой 4 могут быть изготовлены путем чеканки, выдавливания, штамповки или вытравливания, или посредством горячего прессования или других процессов, таких как порошковая металлургия. Первый газораспределительный элемент 10 может быть изготовлен так, что базовый слой 1, первый слой 2, второй слой 3 или любая их комбинация соединяются вместе посредством любого подходящего способа присоединения, такого как сварка, пайка или реакционное связывание или любая их комбинация, для электрического контакта и/или уплотнения. Аналогичным образом второй газораспределительный элемент 4 может быть изготовлен путем образования опорного слоя или комбинации опорного слоя с базовым слоем 1.
Предлагаемый набор 103 топливных элементов согласно предпочтительному применению содержит от 1 до 100 блоков 50 элемента, соответствующих диапазону 16-5000 Вт номинальной электрической энергии.
В варианте осуществления, изображенном на фиг. 3, показан вид в сечении расположения блока 50 элемента, содержащего блок 5 катод-анод-электролит и межблочное соединение 40, при этом межблочное соединение содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4.
Первый газораспределительный элемент 10 согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 3, состоит из базового слоя 1, второго слоя 3 и первого слоя 2. Блок 5 катод-анод-электролит содержит первый электрод 51, второй электрод 53 и электролит 52, расположенный между первым и вторым электродами 51, 53. Блок 50 элемента дополнительно содержит боковые уплотнения 31, которые обеспечивают газонепроницаемое уплотнение для кромок блока 5 катод-анод-электролит, контактирующих слоев 55 и газораспределительного элемента 10. Блок 50 элемента дополнительно содержит второй газораспределительный элемент 4 для подачи первой текучей среды реагирующего вещества, содержащей кислород, в первый электрод 51. Вторая реагирующая текучая среда, содержащая топливо, подается во второй электрод 53 над первым слоем 2 и, соответственно во второй слой 3.
На фиг. 4 показан вид в разобранном состоянии блока 50 топливного элемента, содержащего блок 5 КАЭ и межблочное соединение 40. Блок 5 КАЭ содержит первый электрод 51, второй электрод 53 и электролит 52, расположенный между первым и вторым электродами 51, 53. Обычно керамический и/или металлический слой 54, 55 для диффузии газа расположен на обеих сторонах электродов 51, 53, который не показан на фиг. 4, но который изображен, например, на фиг. 8А.
Примерный первый газораспределительный элемент 10, показанный на фиг. 4, содержит базовый слой 1, первый слой 2 и второй слой 3; указанный первый 2 и второй слои 3 имеют газораспределительную конструкцию 11, образующую конфигурацию для потока текучей среды. Первый слой 2, изображенный на фиг. 4, образует конфигурацию для потока посредством некоторого количества каналов 13, расположенных рядом друг с другом, так что горючий газ, входящий в первый слой 2, может течь в основном направлении потока 9. Каналы 13 проходят в линейном направлении. Каналы 13 предпочтительно начинаются на одной стороне первого слоя 2 на стороне 2b входа, также называемой впуском, и каналы 13 предпочтительно заканчиваются на другой стороне первого слоя 2, на стороне 2с выхода, также называемой выпуском, при этом сторона 2b входа соединена с подачей 9а горючего газа, и при этом выпуск 2с соединен по текучей среде с выходом 9b отработавшего газа. На фиг. 4 также изображен второй газораспределительный элемент 4, который для примера показан в виде гофрированного листа металла, содержащего каналы 20, как изображено на фиг. 4А. На фиг. 3 показан вид в разрезе блока 50 топливного элемента по линии С-С. Далее описан первый газораспределительный элемент 10. Первый слой 2 содержит несколько разнесенных канальных реек 2а, образующих каналы 13 между ними. Как изображено на фиг. 4, первый слой 2 может содержать дополнительные каналы 12, 14, проходящие в линейном направлении, и которые соединяют по текучей среде каналы 13 со впуском 2b и выпуском 2с соответственно. Второй слой 3 представляет собой гомогенизирующий элемент, содержащий прорези 15, которые соединяют по текучей среде по меньшей мере два канала 13, расположенных рядом друг с другом, для компенсации и гомогенизации объема текучей среды в соответствующих каналах 13. На фиг. 3 изображена прорезь 15, соединяющая по текучей среде три канала 13. Второй слой 3 имеет первые прорези 15, которые сконфигурированы в виде прямоугольных отверстий, имеющих длину 28 и ширину 29. Длина больше ширины. Длина 28 проходит поперечно относительно основного направления потока 9 текучей среды; ширина 29 проходит в основном направлении потока 9 текучей среды. Второй слой 3 может иметь вторые прорези 6, которые имеют длину 7 и ширину 8, где длина 7 больше, чем ширина 8, и ширина 8 проходит в направлении поперечном основному направлению потока 9 текучей среды.
Первый слой 2, также называемый канальным слоем, имеет несколько впускных каналов 12, несколько последовательных каналов 13 и несколько выпускных каналов 14. Последовательные каналы 12 и 13 разделены посредством реечного элемента 23. Последовательные каналы 13 и 14 также разделены посредством реечного элемента 23. Реечные элементы 23 необходимы для соединения реек 2а.
Эти вторые прорези 6 второго слоя 3 образуют канальные конструкции, которые расположены, в частности, под прямым углом или наклонены относительно впускных каналов 12, расположенных в первом слое 2. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что текучая среда, протекающая внутри каналов 12, 13, 14 первого слоя 2, может быть направлена посредством реечного элемента 23, который является частью первого слоя 2, расположенного на первом слое, в направлении прорези 6 второго слоя 3, как изображено на фиг. 2. Прорезь 6, таким образом, образует проход для текучей среды между последовательными каналами 12 и 13 или между последовательными каналами 13 и 13, или между последовательными каналами 13 и 14 путем прохождения реечного элемента 23 через прорезь 6. Когда текучая среда протекает над реечным элементом 23, она входит в прорезь 6 над реечным элементом 23 и распределяется в последовательные каналы 13 и 14 соответственно. Одним преимуществом такого варианта осуществления является то, что первый слой 2 и второй слой 3 могут быть очень дешево изготовлены с использованием тонких металлических листов.
Предпочтительно за каждым впускным каналом 12 следует последовательный канал 13 и выпускной канал 14. Эти каналы 12, 13, 14 могут иметь одинаковое поперечное сечение и могут быть расположены рядом друг с другом. Предпочтительно предусмотрено несколько впускных каналов 12, последовательных каналов 13 и выпускных каналов 14, как изображено на фиг. 4. Каждый из впускных каналов 12 может быть расположен параллельно относительно соответствующего соседнего впускного канала 12, при этом то же может применяться также и к последовательным каналам 13 или выпускным каналам 14.
Первый слой 2 и второй слой 3 могут быть образованы на отдельных листах, как показано на фиг. 4; однако они могут также быть объединены в один лист.
Кроме того, первый слой 2 может быть изготовлен в виде листа, имеющего перфорационные отверстия, соответствующие каналам 12, 13, 14 и расположенного рядом с базовым листом 1, образующим основание для каналов 12, 13, 14. Данное решение может быть предпочтительным для изготовления каналов. Кроме того, для перфорационных отверстий доступно значительное разнообразие форм. Перфорационные отверстия могут быть просто выштампованы из листа, вырезаны при помощи лазера или также вытравлены, или образованы  посредством вынимаемых вставок, которые удаляют после отливки или формования слоя. Таким образом, обеспечение базового слоя 1 и второго слоя 3 в виде отдельных листов, может предоставить упрощение изготовления или применение большего разнообразия способов изготовления для изготовления слоев 1,2, 3.
Кроме того, два впускных отверстия 16, 17 предусмотрены для вхождения реагирующего вещества, содержащего топливо, которое представляет собой горючий газ, в газораспределительный элемент 10. Кроме того, два выпускных отверстия 18, 19 могут быть предусмотрены для выхода продукта реакции в виде текучей среды, который представляет собой отходящий газ, из газораспределительного элемента 10.
В предпочтительном варианте осуществления второй газораспределительный элемент 4 расположен на стороне базового слоя 1 и соединен с базовым слоем 1. На фиг. 4 показан путь потока окисляющего средства О, опорный слой, имеющий каналы 20 на обеих сторонах, которые представляют собой каналы 20а, 20b. На фиг. 4А показан увеличенный вид предпочтительной конструкции опорного слоя 4, при этом путь потока окисляющего средства О отделяется каналами 20а, 20b на два пути O1, O2 потока, так что каждый путь протекает в канал 20 вдоль одной стороны опорного слоя 4.
На фиг. 4В показан дополнительный вариант осуществления газораспределительного элемента 10. Базовый слой 1 и первый слой 2, определяющие конфигурацию для потока, выполнены из одной части. В данном варианте осуществления не требуются реечные элементы 23, удерживающие рейки 2а, поскольку рейки 2а соединены с базовым слоем 1, так что несколько каналов 13 проходит в линейном направлении рядом друг с другом, при этом каналы 13 начинаются на стороне 2b входа и заканчиваются на стороне 2с выхода, так что каналы соединяют по текучей среде сторону 2b входа со стороной 2с выхода. Поскольку нет необходимости в реечном элементе 23, во втором слое 3 также не нужны прорези 6 для соединения по текучей среде последовательных каналов 12, 13, 14, как изображено на фиг. 4В.
На фиг. 4С показан дополнительный вариант осуществления газораспределительного элемента 10. Первый слой 2 содержит пористую конструкцию 2d, например, деталь из металлической пены или металлической сетки, при этом пористая конструкция расположена на базовом слое 1. Первый слой 2, определяющий путь потока, начинается на стороне 2b входа и заканчивается на стороне 2с выхода, так что пористая конструкция соединяет по текучей среде сторону 2b входа со стороной 2с выхода, так что пористая конструкция определяет путь потока, проходящий в линейном направлении.
На фиг. 4D показан дополнительный вариант осуществления второго слоя 3, гомогенизирующего элемента. В отличие от варианта осуществления, изображенного на фиг. 4В, на котором показан второй слой 3 прямоугольной формы, на фиг. 4D изображен второй слой 3 круглой формы. В отличие от варианта осуществления, изображенного на фиг. 4В, на котором показан первый слой 2 прямоугольной формы с параллельно проходящими каналами 13, первый слой, приспособленный ко второму слою 3, изображенному на фиг. 4D, имеет круглую форму и содержит каналы 13, проходящие линейно в радиальном направлении, начинаясь от центра на впуске 2b для топлива, который расположен в том же месте, что и впускное отверстие 16 для топлива, и заканчиваясь на краю, при этом выпуск 2с для топлива расположен таким образом, что он предпочтительно полностью окружает первый и второй слои 2, 3, так что горючий газ 9а в первом газораспределительном элементе 10 течет в радиальном направлении. На фиг. 4D показаны только несколько каналов 13. Второй слой 3 содержит несколько прорезей 15, проходящих в окружном направлении, при этом прорези 15 в поперечном направлении пересекают каналы 13 первого слоя 2, так что некоторые из соседних каналов 13 соединены по текучей среде посредством соответствующих прорезей 15. Первый газораспределительный элемент 10, содержащий первый и второй слои 2, 3, как изображено на фиг. 4D, таким образом, имеет круглую форму. Для создания круглого блока 50 топливного элемента, круглый блок 5 катод-анод-электролит может быть расположен на верху второго слоя 3, а опорный слой 4 может быть расположен под первым слоем 2, таким образом получают блок 50 топливного элемента, подобный блоку топливного элемента, изображенному на фиг. 4, но с радиально проходящими каналами 13 в первом слое 2 и радиально проходящими каналами 20 в опорном слое 4. Первый слой 2, расположенный под вторым слоем 3, может также быть трехмерной конструкцией, такой как штыри, решетка, сетчатые конструкции или пеноконструкции, при этом первый слой 2 имеет круглую форму и направление потока 9а, 9b, 9с текучей среды, проходящее в радиальном, в частности, в линейном направлении от впуска 2b к выпуску 2с, а первые прорези 15 второго слоя 3 проходят в окружном направлении. В предпочтительном варианте осуществления в пеноконструкции нет каналов, но пористая конструкция пены обеспечивает возможность протекания текучей среды в пене таким образом, что текучая среда протекает в направлении потока 9а, 9b, 9с текучей среды в первом слое 2.
На фиг. 4Е показан дополнительный вариант осуществления второго слоя 3 прямоугольной формы, содержащий прорези 15, проходящие в окружном направлении. В отличие от второго слоя 3, изображенного на фиг. 4D, прорези 15 второго слоя 3, изображенного на фиг. 4Е, расположены в виде трех групп 9х прорезей 15 одного размера, при этом эти три группы 9х соответственно смещены относительно друг друга в окружном направлении. Такое расположение прорезей 15 увеличивает эффект гомогенизации потока топлива, проходящего по каналам 13. Второй слой 3, изображенный на фиг. 4Е, содержит кольцевой выпуск 2с для топлива, собирающий отходящий газ в выпускные патрубки 18/19 для топлива, так что топливо в первом слое 2 может сначала течь в радиальном направлении 9u, а затем в направлении 9v в выпуск 2с для топлива.
На фиг. 4F показан дополнительный вариант осуществления блока 50 топливного элемента, содержащего блок 5 КАЭ и межблочное соединение 40. Межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4. Первый газораспределительный элемент 10 состоит из базовой пластины 1, на которой фиксируются каналы 13, и состоит из уплотнительный слоя 3d с прорезью 3е. Прорезь 3е приспособлена к размеру блока 5 КАЭ, так что блок КАЭ может быть введен в прорезь 3е, так что блок 5 КАЭ может быть расположен прямо над каналами 13. Второй распределительный элемент 4 выполнен так, как уже было изображено на фиг. 4. В отличие от вариантов осуществления, показанных на фиг. 4, 4В и 4С, первый газораспределительный элемент 10, изображенный на фиг. 4F, не содержит второй слой 3, то есть не содержит гомогенизирующий слой 3.
На фиг. 4G подробно показано сечение по линии D-D по фиг. 4F, при этом фиг. 4G также содержит блок 5 КАЭ, расположенный под вторым газораспределительным элементом 4, который не показан на фиг. 4F. На фиг. 4G подробно показан гофрированный лист металла, который расположен между блоком 5 КАЭ и базовым слоем 1. Второй газораспределительный элемент 4 таким образом соединен посредством соединений 4с с базовым слоем 1, что электрический ток может течь между вторым газораспределительным элементом 4 и базовым слоем 1. Например, они могут быть сварены вместе в соединениях 4с. Гофрированный лист имеет волнообразный профиль, зигзагообразный профиль или профиль с трапециевидным поперечным сечением. Гофрирования имеют шаг 20g, при этом шаг 20g находится в диапазоне от 2 мм до 8 мм. Небольшой шаг 20g имеет преимущество, заключающееся в том, что электрический ток, протекающий между гофрированным листом и местом на электролите 52, где происходит электрохимическая реакция, подвергается более низкому омическому сопротивлению из-за более высокой плотности контактных точек между гофрированным листом и блоком 5 КАЭ. С другой стороны, небольшой шаг приводит к очень малому размеру каналов 20, 20а, 20b, что увеличивает сопротивление потока текучей среды, протекающей в каналах 20.
Толщина тонколистового металла элемента 4 находится в диапазоне 0,3-1 мм, более предпочтительно между 0,3…0,6 мм, и наиболее предпочтительно 0,5 мм.
В предпочтительном варианте осуществления каналы 20а для окисляющего средства имеют площадь 20f поперечного сечения, и каналы 20b для текучей среды для термообработки имеют площадь 20е поперечного сечения. Отношение двух площадей 20е, 20f поперечного сечения находится в диапазоне от 1:2 до 2:1, предпочтительно 1:1. В предпочтительном варианте осуществления каналы 20а для окисляющего средства и каналы 20b для текучей среды для термообработки имеют высоту, находящуюся в диапазоне между 1 и 5 мм.
В предпочтительном варианте осуществления гофрирования имеют угол наклона (α), составляющий по меньшей мере 45°, более предпочтительно больше, чем 60°.
В предпочтительном варианте осуществления каналы 13 первого газораспределительного элемента 10 проходят от стороны 2а впуска топлива до стороны 2b выпуска топлива, таким образом определяя направление потока 9 горючего газа в первом газораспределительном элементе 10, тем самым каналы 20а, 20b второго газораспределительного элемента 4 либо проходят по существу вдоль основного направления потока 9, либо проходят по существу перпендикулярно относительно основного направления потока 9.
Как изображено на фиг. 4G в предпочтительном варианте осуществления каналы 20b для текучей среды для термообработки находятся в контакте с первым газораспределительным элементом 10, то есть каналы 20b обращены к первому газораспределительному элементу 10 и, соответственно, базовому слою 1, так что имеет место непосредственный контакт текучей среды для термообработки, протекающей в каналах 20b с базовым слоем 1.
В предпочтительном варианте осуществления гофрирования образуют несколько каналов 20а, 20b, проходящих параллельно друг другу. В предпочтительном варианте осуществления второй газораспределительный элемент 4 соединен с первым газораспределительным элементом 10 таким образом, что каналы 20b для текучей среды для термообработки выполнены по форме в виде закрытых каналов, содержащих только конец 20с входа и конец 20d выхода. Это достигается путем соединения гофрированного листа с базовым слоем 1 таким образом, что каждый канал 20b образует газонепроницаемый канал между его концом 20с входа и концом 20d выхода.
В предпочтительном варианте осуществления второй газораспределительный элемент 4 состоит из по меньшей мере двух частей, при этом по меньшей мере две части отделены друг от друга с помощью прорези 4b, имеющей ширину зазора, составляющую по меньшей мере 0,3 мм. На фиг. 4Н изображен такой второй газораспределительный элемент 4, состоящий из четырех частей и имеющий две щели 4b.
На фиг. 5 показан частичный вид сверху первого и второго слоев 2, 3 первого газораспределительного элемента 10 согласно третьему варианту осуществления, изображенный в виде частичного сечения с верхней стороны газораспределительного элемента 10. На виде в поперечном разрезе части первого слоя 2 изображены некоторые из каналов 13, расположенных рядом друг с другом и разделенных канальной рейкой 2а, и некоторые из последовательных выпускных каналов 14, отделенных реечным элементом 23 от каналов 13. Первый слой 2 расположен рядом с вторым слоем 3. Второй слой 3 содержит первые прорези 15, имеющие длину 28 и ширину 29, при этом длина 28 проходит поперечно, в данном варианте осуществления - перпендикулярно, относительно основного направления потока 9 текучей среды.
На фиг. 6А показан частичный вид сверху перфорированного второго слоя 3 газораспределительного слоя 10 согласно любому из первого, второго или третьего вариантов осуществления настоящего изобретения, содержащего первые прорези 15 и нижележащие канальные рейки 2а. На фиг. 6В, на разрезе по линии А-А на фиг. 6А, показан блок 5 катод-анод-электролит, первый слой 2, содержащий канальные рейки 2а, второй слой 3 и базовый слой 1. Базовый слой 1 и первый слой 2 изготавливают из разных листов. На фиг. 6С показан разрез вдоль линии В-В на фиг. 6А. В отличие от фиг. 6В, разрез пересекает ряд прорезей 15, таким образом, второй слой 3 прерывается прорезями 15. Кроме того, показаны параллельно проходящие каналы 13 в первом слое 2.
На фиг. 6D подробно показан разрез вдоль линии С-С на фиг. 4 без опорного слоя 4. Первый газораспределительный элемент 10, состоящий из трех слоев, базовый слой 1, поверх которого расположен первый слой 2, определяющий конфигурацию потока, содержит несколько каналов 13, разделенных рейками 2а, проходящими параллельно в направлении 9 потока. Второй слой 3, который представляет собой гомогенизирующий слой, расположен поверх первого слоя 2. Второй слой 3 содержит первые прорези 15, проходящие перпендикулярно к направлению 9 потока. В показанном варианте осуществления первые прорези 15 проходят над тремя каналами 13 для соединения по текучей среде с тремя каналами 13, так что может происходить обмен 9z по текучей среде между тремя потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f горючего газа и через первые прорези 15. На фиг. 6D показан идеальный первый газораспределительный элемент 10, в котором каждый из каналов 13, K1…K6 имеет идентичную ширину, идентичную высоту и идентичное сопротивление потока, так что каждый из потоков 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f горючего газа имеет приблизительно такой же расход и приблизительно такую же газовую композицию, и итоговый диффузионный поток реагирующих веществ и продуктов реакции в блок 5 катод-анод-электролит, так что в первых прорезях 15 происходит незначительный обмен 9z по текучей среде между потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f газа или он совсем не происходит. В дополнение к обмену 9z по текучей среде между тремя потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f горючего газа, как описано, первые прорези 15 также имеют такой эффект, что в первой прорези 15, которая обращена к блоку 5 катод-анод-электролит, газовая композиция, выходящая из потоков 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f, смешивается и гомогенизируется перед входом в блок 5 катод-анод-электролит. Таким образом, газовую композицию гомогенизируют перед входом в блок 5 катод-анод-электролит, что обеспечивает снабжение блока 5 достаточным количеством активного газа, даже если один, или даже если два из потоков 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f газа обеспечивают недостаточное количество газа. Блок 5 катод-анод-электролит и второй слой 55 для контакта газа и диффузии газа, расположенные поверх второго слоя 3, показаны только схематически.
На фиг. 6F подробно показан разрез по линии С-С на фиг. 4. В отличие от фиг. 6D, на которой показан идеальный газораспределительный элемент 10, на фиг. 6F показана типичная компоновка, в которой каналы K1…K6 имеют немного различные формы, например, разную ширину и, таким образом, разное сопротивление потока, что приводит к тому, что потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа имеют различный расход. Преимущество второго слоя 3, гомогенизирующего слоя, заключается в том, что благодаря первым прорезям 15, соединяющим по текучей среде некоторые из каналов K1, K2, K3; K4, K5, K6, происходит обмен 9z по текучей среде между потоками 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, так что разница в расходе между потоками 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа уменьшается, что означает, что потоки газа гомогенизируются, с тем, чтобы привести в соответствие газовую композицию и полученный в результате диффузионный поток реагирующих веществ и продуктов реакции горючего газа F по всему блоку 5 катод-анод-электролит.
На фиг. 6Е показан вариант осуществления согласно фиг. 6F, но без второго слоя 3. В отсутствие гомогенизирующего слоя газовая композиция и полученный в результате диффузионный поток реагирующих веществ и продуктов реакции горючего газа F по всему блоку 5 катод-анод-электролит могут значительно варьировать в зависимости от различных форм каналов K1…K6. Таким образом, одним преимуществом второго слоя 3, гомогенизирующего слоя, является то, что первый слой 2 может быть изготовлен более дешевым образом, поскольку эффект различий ширины каналов и/или высоты каналов на потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа может быть компенсирован гомогенизирующим слоем, таким образом обеспечивая возможность изготовления дешевого и надежного газораспределительного элемента 10.
На фиг. 6G показан вид сверху первого газораспределительного элемента 10, изображенного на фиг. 6D, на котором показаны шесть каналов K1…K6, проходящие в параллельном направлении, при этом три канала K1, K2, K3; K4, K5, K6 соединены по текучей среде с помощью прорезей 15, тем самым каждый из потоков 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа имеет одинаковый расход. Несколько прорезей 15 расположены и разнесены друг от друга в направлении 9 потока.
На фиг. 6Н показан вид сверху первого газораспределительного элемента 10, изображенного на фиг. 6F, на котором показаны шесть каналов K1…K6, проходящие в параллельном направлении, при этом три канала K1, K2, K3; K4, K5, K6 соединены по текучей среде с помощью прорезей 15, тем самым потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, входящие в газораспределительный элемент 9, имеют различный расход. Несколько прорезей 15 расположены и разнесены друг от друга в направлении 9 потока, тем самым в каждой из прорезей 15 может происходить обмен 9z по текучей среде между потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f газа, так что разница в расходе между потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f газа снижается. Первый газораспределительный элемент 10 содержит прорези 15, таким образом, обеспечивает, чтобы все каналы K1…K6 были снабжены газом, и что блок 5 катод-анод-электролит будет страдать от локального уменьшения количества топлива. Таким образом, гомогенизирующий слой 3 приводит к предотвращению повреждения блока 50 топливного элемента в связи с нехваткой горючего газа в некоторых областях блока 50 топливного элемента. Кроме того, в прорезях 15 происходит гомогенизация композиций в результате диффузии и конвекции. Это дополнительно уменьшает риск повреждения одной области элемента путем локального уменьшения количества горючего газа, даже в случае засорения одного из каналов K1…K6, например, нежелательными отходами. В данном случае газы могут обойти засоренную часть канала через прорези 15 и газ проходит через прорезь 15 над засоренным каналом к электроду.
На фиг. 61 показан вид сверху дополнительного варианта осуществления газораспределительного элемента 10, на котором изображены шесть каналов K1…K6, проходящих в параллельном направлении, при этом каналы K1, K2, K3; K4, K5, K6 соединены по текучей среде с помощью прорезей 15, тем самым потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, входящие в газораспределительный элемент 9, имеют различный расход. В отличие от варианта осуществления, изображенного на фиг. 6Н, прорези 15 в варианте осуществления согласно фиг. 61 имеют различную длину 28 и, таким образом, могут соединять по текучей среде два, три, четыре или даже больше параллельно проходящих каналов K1…K6. Кроме того, последовательные прорези 15, разнесенные друг от друга в направлении 9 потока, могут быть смещены перпендикулярно относительно направления потока 9 и/или могут иметь разную длину 28, таким образом, соединяя различные каналы K1…K6.
На фиг. 6L подробно изображен разрез по линии С-С на фиг. 4С, при этом первый слой 2 содержит пористую конструкцию 2d, через которую течет горючий газ 9. В отличие от первого газораспределительного элемента 10, изображенного на фиг. 6F, содержащего каналы K1…K6, газовый поток лучше диффундирует в пористом слое, изображенном на фиг. 6L, таким образом, потоки 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, изображенные на фиг. 6L, демонстрируют только расход потока топлива (значение величины), протекающего в направлении 9 потока. Эффект второго слоя 3, гомогенизирующего слоя, подобен эффекту, раскрытому на фиг. 6F, тем, что второй слой 3 вызывает обмен 9z по текучей среде между потоками 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа, если потоки газа имеют разную газовую композицию. Таким образом, второй слой 3 обеспечивает однородность расхода различных потоков 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f газа в пористой конструкции первого слоя 2. Таким образом, газовая композиция и полученный в результате диффузионный поток реагирующих веществ горючего газа F по всему блоку 5 катод-анод-электролит приходят в соответствие.
На фиг. 6K показан вариант осуществления согласно фиг. 6L, но без второго слоя 3. В отсутствие гомогенизирующего слоя 3 газовая. композиция и полученный в результате диффузионный поток реагирующих веществ горючего газа F по всему блоку 5 катод-анод-электролит могут значительно варьировать в зависимости от сопротивления потока в пористом первом слое 2, аналогично эффекту, раскрытому на фиг. 6Е.
На фиг. 7А изображен схематический вид, демонстрирующий идеальные условия протекания горючего газа через газораспределительный слой блока 50 топливного элемента, при этом блок 50 топливного элемента в данном примере содержит двенадцать каналов 13, расположенных рядом друг с другом, и при этом стрелки указывают поток горючего газа в соответствующие каналы 13. Ось х системы координат демонстрирует поток в соответствующий канал 13 в основном направлении потока 9. Ось у демонстрирует номер канала из двенадцати каналов K1 - K12, расположенных рядом друг с другом, как указано на фиг. 3. На фиг. 7D показан набор из десяти блоков 50 топливного элемента, при этом каждый блок 50 топливного элемента содержит двенадцать каналов 13, при этом номер канала, изображенный на фиг. 7А, 7В, соответствует каналу, как изображено в наборе топливных элементов по фиг. 7D. На фиг. 7В изображен схематический вид, демонстрирующий оптимальные реальные условия потока горючего газа через блок 50 топливного элемента, при этом, в связи с конструктивными компромиссными особенностями при распределении газа, поток горючего газа меньше в боковых каналах 1 и 12, расположенных рядом с корпусом, таким образом, скорость потока рядом с корпусом блока 50 топливного элемента имеет наименьшее значение.
На фиг. 7D представлен вид набора блоков 50 топливного элемента, при этом каждый блок 50 топливного элемента имеет идентичный поток в соответствии с условиями, показанными на фиг. 7В. Таким образом, средний поток F1 - F10 каждого из десяти блоков 50 топливного элемента является одинаковым.
На фиг. 7С изображен схематический вид, демонстрирующий реальные условия потока горючего газа через блок топливного элемента согласно известному уровню техники, таким образом, очень неоднородное распределение скорости потока. Неоднородное распределение скорости потока возникает, например, в результате производственных допусков при изготовлении блока 50 топливного элемента. На фиг. 7С показано то же предусмотренное поле скоростей течения, как на фиг. 7В, но с важными отклонениями от предусмотренных в связи с, например, производственными допусками. Это является обычной проблемой в известном уровне техники. Отклонения отличаются среди различных распределительных элементов в зависимости от их изготовления. В изображенном на фиг. 7С примере канал, имеющий наименьшее течение газа, является каналом номер 5, но он может быть любым другим каналом в другом распределительном элементе. Это минимальное течение может привести к локальной нехватке топлива и следовательно к ограничениям производительности, к локальному перегреву набора топливных элементов, или даже к трещинам в материалах электролита, анода или катода, что вероятно приводит к повреждению блока 5 КАЭ и, возможно, к смешиванию топлива и окислителя и излишнему сгоранию, таким образом, к преждевременному серьезному повреждению набора или, по меньшей мере, его частей.
На фиг. 7Е изображен вид набора топливных элементов, содержащего десять блоков 50 топливного элемента, как изображено на фиг. 7С. Отдельные блоки 50 топливного элемента имеют случайные отклонения, при этом положение минимального потока через канал варьирует в разных блоках, таким образом, средняя скорость потока в каждом из блоков 50 топливного элемента, указанная длиной стрелок F1…F10, распределена случайным образом. Эти случайные отклонения имеют двойной эффект: во-первых, общий поток через блок топливного элемента варьирует среди блоков 50 в связи с различными сопротивлениями потока текучей среды, и, во-вторых, таким образом накопленное отклонение от среднего потока через канал (7А, идеальный случай) становится, следовательно, более важным. По этой причине в известном уровне техники должны быть введены компенсации путем корректирования входящего потока в коллектор топливного элемента, путем отсортировки порций блоков элемента с низким падением давления, путем увеличения технических условий для допусков или дополнительно путем уменьшения скорости преобразования топлива с целью снижения эксплуатационного риска. Все это имеет влияние на стоимость изготовления набора и на производительность системы. Кроме того, на фиг. 7Е показано, что в наборах топливных элементов в соответствии с известным уровнем техники, условия потока в соседних блоках 50 топливного элемента и, соответственно, условия потока в соседних газораспределительных элементах 10 могут значительно варьировать.
Моделирование и экспериментальная работа с твердооксидными топливными элементами показали, насколько важным для производительности и надежности топливных элементов являются однородность распределения топлива и расположение потоков. На фиг. 7А представлен такой идеальный случай для воздуха и топлива, протекающих в одном или противоположных направлениях. В связи с процессами изготовления часто требуются некоторые компромиссные решения, которые приводят к распределению газа, которое незначительно отличается от идеального случая, как показано на фиг. 7В. Самое последнее исследование включает изучение влияния допусков на изготовление или свойств неидеального компонента на производительность и надежность, таким образом, обеспечивая возможность оценки пригодности промышленных процессов или конкретных конструкций для требуемой производительности и надежности.
Работа, проведенная Cornu и Wuillemin (Impact of random geometric distortions on the performance and reliability of an SOFC (2011) Fuel Cells, 11 (4), pp. 553-564), демонстрирует, в частности, то, как качество распределения топлива зависит от допусков на глубину каналов в газораспределительных конструкциях. Глубина каналов, как правило, находится в диапазоне от 0,2 мм до 1-2 мм, а их ширина более часто варьирует от 1 до 2 мм. Глубина чаще находится в пределах 0,5 мм. В таких случаях изменения глубины, составляющие 0,05 мм, вокруг целевого значения уже имеют очень важное влияние на распределение потока. Пример такого отклонения приведен на фиг. 7С. Даже если изменения глубины в 0,05 могут быть достигнуты посредством соответствующих методик изготовления, расстояние между блоком 5 катод-анод-электролит и первым газораспределительным элементом 10 также могут варьировать в зависимости от контактных слоев, используемых между ними. Накопленные изменения глубины для эффективных секций канала, таким образом, сложно поддерживать в вышеуказанном диапазоне отклонений. Последнее, но не менее важное, контактирующие слои или каналы могут деформироваться с течением времени, что в любом случае приведет к слабому распределению топлива с течением времени.
Блоки 50 элемента расположены в наборе поверх друг друга, при этом дефекты отдельных элементов накапливаются, что приводит к еще более увеличенному отклонению потоков при работе, что показано в примере на фиг. 7Е.
Когда точно такое же количество топлива подвергается преобразованию во всех блоках 50 элемента набора топливных элементов, то получают общий текущий поток, так что области блоков 50 элемента, имеющие невысокий поток топлива, подвергаются риску нехватки топлива, когда преобразование топлива увеличивается. Когда требуется значительное преобразование для достижения высокой производительности, недостаточное преобразование топлива приводит к ограничениям производства или повреждению одного блока элемента в связи с нехваткой топлива.
Поскольку нет практически никакого знака для оператора о том, что часть набора топливного элемента испытывает нехватку, если только уже не слишком поздно, данный тип проблемы имеет большое значение с промышленной и операционной точек зрения.
На фиг. 8 представлено сечение нескольких последовательных блоков 50 топливного элемента, образующих набор 103 топливного элемента, при этом каждый блок 50 топливного элемента содержит блок 5 КАЭ и межблочное соединение 40, при этом межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4 в соответствии с вариантом осуществления, как показано на фиг. 4.
Таким образом, поперечное сечение топливных каналов 13 задано и определяется геометрией конструкции каналов первого слоя 2, а второй слой 3 представляет собой перфорированную пластину. Второй слой 3 представляет собой гомогенизирующий элемент. Любой необязательный дополнительный контактирующий слой, используемый между последним и блоком 5 катод-анод-электролит, не будет иметь никакого влияния на поток. Кроме того, геометрия углублений 15 на перфорированной пластине, втором слое 3, обеспечивает возможность осуществления обмена по текучей среде и смешивания текучей среды по пути текучей среды нескольких каналов 13, каналы 13, расположены рядом друг с другом вдоль пути топлива, следовательно, практически образуются изобары среди каналов в этих местоположениях и, следовательно, образуется подходящий средний поток среди каналов 13. Благодаря этому любое отклонение геометрии в любом канале 13 вдоль пути потока текучей среды горючего газа в первом газораспределительном элементе 10 корректируется путем обеспечения протекания горючего газа между соседними каналами 13, таким образом, применяется усредняющий эффект для гомогенизации соответствующего потока текучей среды горючего газа соответствующего реагирующего вещества.
На фиг. 8А представлен подробный вид в сечении фиг. 8, подробно демонстрирующий два газораспределительных элемента 10 с соответствующими опорными слоями 4. Один блок 5 катод-анод-электролит можно увидеть в середине фиг. 8А, тем самым опорный слой 4 контактирует с первым слоем 54 для контакта газа и диффузии газа на верхней части блока 5 катод-анод-электролит, и тем самым второй слой 3, гомогенизирующий слой, контактирует со вторым слоем 55 для контакта газа и диффузии газа на нижней части блока 5 катод-анод-электролит. Второй слой 3 обеспечивает первые прорези 15, проходящие над тремя каналами 13, для соединения по текучей среде трех каналов 13, так что обмен 9z по текучей среде обеспечивает однородность горючего газа F, входящего в блок 5 катод-анод-электролит.
Опорный слой 4 имеет гофрированную форму, которая позволяет разделение пути потока окисляющего средства О на два отдельных пути O1, O2 потока по каналам 20а, 20b, при этом пути O1 потока каналов 20а являющиеся окисляющим средством, обеспечивают блок 5 катод-анод-электролит окисляющим средством О3. Путь O2 потока каналов 20b служит в качестве средства для термообработки для охлаждения или нагрева базового слоя 1 и/или блока 5 катод-анод-электролит.
На фиг. 8В показано сечение схематического вида сбоку набора 103 топливных элементов, содержащего три блока 50 топливного элемента, при этом каждый содержит межблочное соединение 40 и блок 5 КАЭ, и каждое межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4. Окисляющее средство О подают на одну сторону всех вторых газораспределительных элементов 4, при этом окисляющее средство О затем разделяется с образованием двух отдельных путей O1, O2 потока вдоль вторых газораспределительных элементов 4, и два отдельных пути O1, O2 потока объединяются после выхода из второго газораспределительного элемента 4, и пути потока всех вторых газораспределительных элементов 4 также объединяются в один путь потока, который выходит из набора 103 топливных элементов. На фиг. 8В также изображен нагнетатель или компрессор 21, предназначенный для подачи окисляющего средства О, и температурные датчики 22а, 22b, предназначенные для измерения температуры окисляющего средства О, входящего/выходящего из межблочного соединения 40, соответственно. Нагнетатель или компрессор 21 и температурные датчики 22а, 22b соединены посредством кабелей 23 с блоком 24 управления, который показан лишь схематически. Могут быть расположены дополнительные температурные датчики или другие датчики или приводы и могут быть соединены с блоком 24 управления для управления работой набора топливных элементов.
На фиг. 8С показано сечение схематического вида сбоку дополнительного варианта осуществления набора 103 топливного элемента, содержащего три блока 50 топливного элемента, при этом каждый содержит межблочное соединение 40 и блок 5 КАЭ, и каждое межблочное соединение 40 содержит первый газораспределительный элемент 10 и второй газораспределительный элемент 4. Пути O1, О2 потока полностью разделены, и окисляющее средство О подают на одну сторону только каналов 20а, которые определяют путь O1 потока окисляющего средства. Текучая среда O4 для термообработки подается на одну сторону только каналов 20b, которые определяют путь O2 потока текучей среды для термообработки. Пути O1, O2 потока также выходят из второго газораспределительного элемента 4 в виде отдельных путей. На фиг. 8С также изображен нагнетатель или компрессор 21, предназначенный для подачи текучей среды O4 для термообработки, и температурные датчики 22а, 22b, предназначенные для измерения температуры пути O2 текучей среды для термообработки, входящего/выходящего из межблочного соединения 40 соответственно. Нагнетатель или компрессор 21 и температурные датчики 22а, 22b соединены посредством кабелей 23 с блоком 24 управления, который показан лишь схематически. Могут быть расположены дополнительные температурные датчики или другие датчики или приводы и могут быть соединены с блоком 24 управления для управления работой набора топливных элементов.
Набор 103 топливных элементов, изображенный на фиг. 8В или 8С, может приводиться в работу различными способами. Некоторые предпочтительные способы будут описаны далее более подробно.
Набор 103 топливных элементов может эксплуатироваться посредством способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки, при этом твердооксидный топливный элемент содержит
a) несколько блоков 5 катод-анод-электролит и
b) металлическое межблочное соединение 40 между блоками 5 КАЭ, при этом межблочное соединение 40 содержит:
- первый газораспределительный элемент 10, содержащий газораспределительную конструкцию 11 для горючего газа, и
- второй газораспределительный элемент 4, содержащий каналы 20а для окисляющего средства и содержащий отдельные каналы 20b для текучей среды для термообработки,
при этом измеряют по меньшей мере первую и вторую контрольные температуры T1, Т2,
- первая температура Т1 является температурой текучей среды для термообработки, входящей во второй газораспределительный элемент 4, или любой характерной температурой, измеренной на стороне впуска текучей среды для термообработки топливного элемента,
- и вторая температура Т2 является температурой одной из температуры на выходе текучей среды для термообработки, выходящей из второго газораспределительного элемента 4, температуры набора топливных элементов или любой характерной температуры, измеренной на стороне выпуска текучей среды для термообработки топливного элемента,
при этом количество текучей среды для термообработки, подаваемой на второй газораспределительный элемент 4, регулируется на основе разности температур между первой и второй температурами T1, Т2.
В предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки количество текучей среды для термообработки подается во второй газораспределительный элемент 4 и регулируется на основе максимальной, минимальной или номинальной разницы температур первой и второй температур T1, Т2.
В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки количество и температура Т1 текучей среды для термообработки, которая подается во второй газораспределительный элемент 4, регулируется таким образом, что первая и вторая контрольные температуры T1, Т2 поддерживаются в пределах определенных минимальных и максимальных значений.
В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента расход окисляющего средства поддерживают выше стехиометрического потока, требуемого для электрохимической реакции таким образом, что парциальное давление кислорода окисляющего средства на выпуске каналов 20а составляет больше 5%, и предпочтительно больше 10% от общего давления окисляющего средства.
В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидного топливного элемента или твердооксидной электролитической ячейки окисляющее средство и текучая среда для термообработки циркулируют в строго отдельных путях O1, O2 потока.
В дополнительном предпочтительном способе этапа эксплуатации твердооксидной электролитической ячейки текучая среда для термообработки нагревает второй газораспределительный элемент 4.
В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидной электролитической ячейки газ-носитель добавляют в путь O1 потока окисляющего средства для сбора образованного кислорода, тогда как расход газа-носителя регулируют так, чтобы поддерживать содержание кислорода в газе-носителе, выходящем из межблочного соединения 40 в заданном диапазоне.
В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидной электролитической ячейки газ-носитель циркулирует и кислород извлекают из газа-носителя, выходящего из межблочного соединения 40, для отдельного сбора обогащенного кислородом газа.
В дополнительном предпочтительном этапе способа эксплуатации твердооксидной электролитической ячейки чистый кислород отдельно собирают, когда он выходит из межблочного соединения (40).
На фиг. 4 показан блок 5 катод-анод-электролит, имеющий длину 3а и ширину 3b, которые определяют контактную поверхность 3с, посредством которой блок 5 катод-анод-электролит контактирует с вторым слоем 3. Второй слой 3 содержит такую же контактную поверхность 3с. Первые прорези 15 второго слоя 3 расположены в контактной поверхности 3с. В предпочтительном варианте осуществления общая площадь всех первых прорезей 15 составляет по меньшей мере 20% от общей площади прорезей 15, 6 и других, находящихся в поверхности 3с. Для обеспечения еще более равномерного распределения горючего газа по контактной поверхности 3с в более предпочтительном варианте осуществления общая площадь всех первых прорезей 15 составляет по меньшей мере 20% контактной поверхности 3с, и наиболее предпочтительно приблизительно 30% и наиболее предпочтительно между 40% и 50%.
В предпочтительном варианте осуществления блок 5 КАЭ имеет длину За вдоль направления потока 9 и имеет ширину (3b), при этом отношение длины 3а к ширине 3b предпочтительно составляет больше, чем 1, более предпочтительно больше, чем 1,5 и наиболее предпочтительно больше, чем 2.
Описанные первые прорези 15 показаны с прямоугольной формой. Первые прорези 15 могут также иметь другие формы, например, эллиптическую форму. Второй слой 3 может также содержать несколько первых прорезей 15 различной формы, таких как, например, прямоугольные и эллиптические формы на одном втором слое 3.
Предпочтительным способом гомогенизации горючего газа в первом газораспределительном элементе 10 топливного элемента является то, что первый газораспределительный элемент 10 содержит первый слой 2, соединяющий впуск 2b топлива с выпуском 2с топлива, при этом топливо течет в направлении потока 9 в первом слое 2, в частности, в линейном направлении, и первый газораспределительный элемент 10 содержит второй слой 3, содержащий первые прорези 15, при этом первые прорези 15 проходят в поперечном направлении относительно направления потока 9, при этом горючий газ, протекающий через первый слой 2, входит в первые прорези 15 так, что горючий газ гомогенизируется в первых прорезях 15, и при этом первые прорези 15 контактируют с блоком 5 катод-анод-электролит, так что горючий газ изнутри первых прорезей 15 поступает на блок 5 катод-анод-электролит.
В предпочтительном этапе способа, по меньшей мере, некоторое количество горючего газа, гомогенизированного в первых прорезях 15, течет обратно в первый слой 2.
В дополнительном предпочтительном этапе способа первый слой 2 содержит несколько каналов 13, расположенных рядом друг с другом и соединяющих впуск 2b топлива с выпуском 2с топлива, при этом первые прорези 15 проходят в поперечном направлении относительно каналов 13 и соединяют по текучей среде по меньшей мере два канала 13, расположенных рядом друг с другом, при этом горючий газ, протекающий через соответствующие каналы 13, входит в первую прорезь 15, так что горючий газ из соответствующих каналов 13 гомогенизируется в первой прорези 15.
В предпочтительном этапе способа, по меньшей мере, некоторое количество горючего газа, гомогенизированного в первых прорезях 15, течет обратно в соответствующие каналы 13 первого слоя 2 или обменивается между соответствующими каналами 13 первого слоя 2.
В предпочтительном этапе способа, по меньшей мере, некоторые первые прорези 15 проходят перпендикулярно к направлению потока 9, так что давление горючего газа в соответствующей первой прорези 15 выравнивается, так что давление горючего газа в нижерасположенном первом слое 2 или в нижерасположенных каналах 13 локально выравнивается.
Конструкция была реализована в виде двух вариантах реализации набора согласно документу US 7 632 586 В2 и была проверена при эксплуатации. Максимальное преобразование топлива 94% было достигнуто с производительностью, достигающей 61% с применением водорода в качестве топлива и 69% с применением метана. Это намного выше более ранних результатов, основанных на обработке потока реагирующего вещества, как описано в документе US 7 632 586 В2.
В связи с экзотермической реакцией в блоке топливного элемента, таким образом, требуется активное охлаждение блоков 50 топливного элемента, в частности, во время фазы перехода, которая в основном может быть достигнута посредством воздушного охлаждения, или посредством сочетания воздушного охлаждения и внутреннего охлаждения на стороне топлива посредством использования эндотермической реакции парового риформинга метана (SMR). Однако, это устанавливает ограничение относительно типа систем с использованием метана, подвергнутого паровому риформингу, в качестве топлива.
Для ограничения температурных градиентов и избыточных разниц температур в блоке 5 КАЭ и в газораспределительных конструкциях требуется надлежащее распределение охлаждающего воздуха в блоке 50 элемента. Для ограничения разницы температур требуется большой избыток охлаждающего воздуха относительно количества, которое было бы необходимо для самой электрохимической реакции. Этот избыточный воздух подразумевает дополнительные потери в балансе установки, в частности, в связи с энергопотреблением нагнетателей воздуха. Однако эти потери могут быть снижены, в случае если падение давления в наборе является невысоким, то есть, если газораспределительная конструкция для воздуха в наборе имеет низкое сопротивление потоку воздуха. Таким образом, топливный элемент работает с номинальной разницей давлений между его впусками и выпусками потока окислителя, составляющей предпочтительно менее 50 мбар, соответственно 20, соответственно 10 мбар.
Проблема набора топливных элементов, которую следует устранить, заключается в локальных пиках температуры, возникающих на поверхности электрода, который обычно образует планарный слой. Если возникают такие локальные пики температур, кинетика реакции может быть изменена и может быть образована локальная горячая точка. Такая горячая точка является нежелательной, поскольку она влечет за собой высокое напряжение материалов, являясь причиной локального теплового расширения, которое может привести к тепловому напряжению, искривлению, изгибу или деформациям поврежденных материалов слоя. В связи с тем, что керамические материалы электродов или электролитов являются хрупкими, они могут быть подвержены образованию трещин и, в конечном итоге, разлому в случае, если они были подвергнуты существенным локальным колебаниям температуры. Вероятность появления такой горячей точки может быть значительно уменьшена путем увеличения потока охлаждающего воздуха и путем надлежащего проектирования воздухораспределительной конструкции, которая контактирует с блоком КАЭ и, следовательно, может служить в качестве теплорассеивающей конструкции.
Кроме того, температурные градиенты в блоке топливного элемента могут приводить к несоответствующему тепловому напряжению в других критических местоположениях, кроме как в блоке КАЭ, например, в уплотнениях, используемых вокруг элемента, и в топливных коллекторах, которые распределяют топливо по набору. Это может привести к отслаиванию уплотнений и неблагоприятным утечкам, которые могут привести к локальной или полной поломке блока КАЭ. Можно эксплуатировать топливный элемент с пониженными потоками воздуха, но результатом этого является достижение большей разницы температур между впуском и выпуском воздуха. Недостатком данной ситуации является то, что холодная сторона будет страдать от менее эффективных электрохимических реакций, поскольку большинство электрохимических процессов являются термоактивированными. Известно, что некоторые типы электродов, в частности, некоторые материалы катода будут сильнее разрушаться со временем в таких условиях. С другой стороны, более горячий конец топливного элемента будет подвергаться другим видам разрушения, которые являются термоактивированными, например, развитие окисных окалин на металлических частях.
Еще одним важным пунктом производительности топливного элемента является однородность температур перпендикулярно основному направлению 9 потока топлива. Это значит, что наборы, имеющие поток воздуха перпендикулярно потоку топлива (так называемая конфигурация поперечного потока), имеют существенную разницу температур перпендикулярно потоку топлива, что приводит к нехватке потребления топлива по элементу на более холодной стороне в связи с уменьшенными электрохимическими свойствами. Это приводит к невозможности эксплуатации набора при высоких скоростях преобразования топлива и, следовательно, к пониженной эффективности. Данная проблема может быть частично устранена путем использования плотных межблочных соединений для улучшения внутреннего теплообмена, но в ущерб весу и дополнительной стоимости.
Таким образом, предпочтительно осуществлять эксплуатацию топливного элемента с потоками топлива и воздуха, протекающими в параллельных или в противоположных направлениях. Тем не менее, температурные градиенты могут возникать на боковых сторонах потока топлива, рядом с границами набора, в связи с теплообменом с остальной частью системы. Таким образом, в таких ситуациях может возникать подобная проблема ограничения производительности. Таким образом, представляет интерес эксплуатация топливного элемента с большим избытком воздуха, что может способствовать уменьшению таких видов градиентов. С той же целью, представляет интерес конструирование топливного элемента таким образом, что длина активной области элемента вдоль потока топлива больше, чем ширина, то есть имеет соотношение сторон больше одного. В предпочтительных конструкциях данное соотношение сторон больше, чем 1,2, предпочтительно больше, чем 1,5 и предпочтительно больше, чем 2.
Таким образом, представляет интерес уменьшение температурных градиентов и разницы температур в блоке топливного элемента для повышения производительности и ограничения деградации.
Кроме того, при меньших потоках охладителя можно ожидать большую разницу температур между средней частью набора и его границами, например, первым и последним блоком топливного элемента. Это является нежелательным не только по термомеханическим причинам, но также в связи с тем, что электрохимические свойства будут варьировать в разных местоположениях, аналогично расположенных в наборе. Поскольку обычно в наборе должна быть соблюдена максимальная температура, например, для сохранения уплотнительных материалов некоторые части топливного элемента должны функционировать при более низких температурах, чем необходимо, что приводит к тому, что более холодные элементы будут функционировать с более низкой эффективностью и общая производительность будет снижена.
В заключение, динамическое регулирование топливного элемента улучшается при использовании больших потоков охладителя, поскольку могут быть получены более быстрые ответные реакции и улучшена регулируемость.
Однако одним недостатком применения избыточного воздуха является перемещение отравляющих соединений на воздушный электрод. Известно, что особенно летучий хром выделяется металлическими компонентами, расположенными выше по потоку от набора, и перемещается в набор воздушным потоком. Летучий хром имеет тенденцию к осаждению в воздушных электродах в результате электрохимической и химической реакций. В частности, летучий хром спонтанно реагирует со стронцием, содержащимся в электродах. Кроме того, он может быть электрохимически осажден в виде оксида хрома на контактной поверхности электрод/электрод, тем самым уменьшая количество областей реакции. Известно, что не только хром, но также кремний, сера и другие соединения также отрицательно влияют на срок службы воздушного электрода.
Таким образом, особенно предпочтительно было бы иметь возможность эксплуатировать топливный элемент с увеличенными потоками воздуха для однородной термообработки, в то же время с низким падением давления на потоке окислителя для снижения дополнительных потерь, и при этом только часть воздуха входит в контакт с воздушным электродом для предотвращения загрязнения.
Кроме того, было бы предпочтительным иметь возможность варьировать отношение между охлаждающим воздухом и реагирующим воздухом, например, для эксплуатации топливного элемента с оптимальной производительностью и сниженным загрязнением воздушного электрода.
В режиме электролиза может быть дополнительным преимуществом отделение обогащенного кислородом газа, полученного из реакции электролиза, от потока для термообработки, для обеспечения хранения обогащенного кислородом газа в качестве продукта реакции. В режиме электролиза потока для термообработки используется для нагрева набора, для предоставления тепла для эндотермической реакции электролиза при необходимости и, в конечном итоге, для отведения тепла в некоторых рабочих режимах, в которых весь процесс может стать экзотермическим.
Данное разделение является также предпочтительным для будущих применений, в которых топливный элемент может быть обратимо использован в генераторном режиме и режиме электролиза, например, для хранения возобновляемой энергии во время максимального производства и дальнейшего повторного использования продуктов реакции в генераторном режиме, включая обогащенный кислородом газ в качестве окислителя.