КОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ИЛИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЛИ В БАТАРЕЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
COMPRESSION DEVICE FOR FUEL OR ELECTROLYTIC CELLS IN FUEL-CELL BATTERY OR ELECTROLYTIC-CELL BATTERY

Изобретение относится к компрессии батарей топливных элементов или батарей электролитических элементов, в частности к газовому компрессионному устройству для батарей топливных элементов или батарей электролитических элементов, в частности для батарей твердооксидных топливных элементов (т.е. Solid Oxide Fuel Cell или SOFC) или твердооксидных электролитических элементов (т.е. Solid Oxide Electrolysis СеЧ или SOEC).
В дальнейшем изобретение будет разъяснено применительно к батареям SOFC. Согласно изобретению компрессионное устройство может, тем не менее, быть также применено для топливных элементов других типов, например полимерных электролитических мембранных топливных элементов (т.е. Polymer Electrolyte Fuel cells или РЕМ) или прямого метанольного топливного элемента (т.е. Direct Methanol Fuel Cell или DMFC). Дополнительно изобретение может быть применено для электролитических элементов, таких как батареи твердооксидных электролитических элементов.
Электрохимические реакции и функционирование топливного элемента или электролитического элемента не являются предметом данного изобретения, таким образом, не рассматриваются подробно, но рассматриваются как известные специалистам в данной области техники, и для простоты последующего объяснения изобретения будут упоминаться только в отношении элементов SOFC, хотя изобретение может быть применено, как отмечалось выше, также с элементами SOEC и топливными элементами других типов.
Батарея SOFC плоскостного типа выполнена из множества плоских пластинчатых твердооксидных топливных элементов. Для повышения вырабатываемого SOFC напряжения множество элементов укладывают один на другой сверху с образованием батареи и связывают вместе соединительными устройствами. Батарею вводят между двумя плоскостными концевыми пластинами. Твердооксидные топливные элементы герметизируют по краям газонепроницаемыми уплотнениями, обычно из стекломатериалов или других хрупких материалов, с целью предотвращения утечки газа с боковых сторон батареи. Таким образом, каждый топливный элемент разделен на герметизированный участок, который должен быть минимизирован, и электрохимически активный участок, который должен составлять, по возможности, большую часть площади топливного элемента, поскольку эффективность элемента зависит от размера данного активного участка относительно всей площади элемента.
Соединительные устройства служат в качестве газового барьера для отделения боковых сторон анода (топливо) и катода (воздух/кислород) соседних секций элементов, и в то же время они обеспечивают возможность прохождения тока между соседними элементами, т.е. между анодом одного элемента с избытком электронов и катодом с недостатком электронов примыкающего элемента, для процесса восстановления. Электропроводность между соединительными устройствами и примыкающими к ним электродами осуществляется через множество контактных точек по площади соединительного устройства. Контактные точки могут быть выполнены в виде выступов на обеих боковых сторонах соединительного устройства.
Эффективность батареи топливных элементов зависит также от хорошего контакта в каждой из данных контактных точек и, следовательно, принципиальным является приложение соответствующего компрессионного усилия к батарее топливных элементов. Данное компрессионное усилие должно быть достаточно большим и равномерно распределенным по электрохимическому участку топливного элемента, чтобы гарантировать электрический контакт, но не слишком большим, что приведет к повреждениям электролита, электродов, соединительного устройства или затруднит течение газа по топливному элементу.
При работе батарея SOFC может быть подвержена высоким температурам, приблизительно до 1000°С, вызывая температурные перепады в батарее SOFC, и, таким образом, разное термическое расширение разных компонентов батареи SOFC. Расположение секции батареи SOFC, испытывающей наибольшее расширение, зависит от рабочих условий и может, например, быть расположена в центре батареи или на границе батареи, например в углу. Результирующее термическое расширение может привести к снижению электрического контакта между разными слоями батареи SOFC. Термическое расширение может также привести к трещинам и протечке в газовых герметизаторах между разными слоями, приводя к ухудшенному функционированию батареи SOFC и пониженной ее силовой мощности.
Для решения данной проблемы компрессии батареи топливных элементов хорошо известно применение механических пружин. В патенте US 7001685 предусмотрена пружина для обеспечения компрессии по всей поверхности батареи и поглощения различий по высоте двух последовательно электрически соединенных батарей. Однако механические пружины обладают недостатком изменения компрессионного усилия во времени, поскольку материал пружины медленно деформируется, особенно при воздействии повышенных температур, и компрессионное усилие также изменяется как функция компрессионного расстояния.
Для решения проблем, связанных с применением механических пружин, предложено применение газового давления для сжатия батареи. Это описано в патентной заявке US 20080090140, в которой раскрыта динамическая концевая плита, прижимающаяся к концу батареи давлением газа. Решения, использующие газовое давление, также описаны в патенте US 5419980, в патентной заявках US 20080166598, US 20050136316 и в публикации к международной заявке WO 2008026715.
Однако независимо от того, применяют ли для обеспечения компрессионного усилия к концевой пластине батареи механические пружины или газовое давление, дополнительным недостатком является то, что разные секции батареи топливных элементов не имеют возможности расширяться индивидуально и сравнительно независимо от других секций, что диктуется условиями работы. Некоторые решения из отмеченных выше ссылок стремятся решить данную проблему введением между каждым из элементов довольно сложных по решению газовых камер давления.
Более простое решение описано в патенте ЕР 1879251, в котором раскрыты герметизированный участок и активный участок батареи элементов, обеспеченные независимыми компрессионными силами, которые приложены только на концевых участках батареи. Дополнительно сделана попытка решить проблему медленной деформации металлических пружин, как показано на Фиг.3, применением для сжатия активного участка элементов сжатого воздуха, таким образом, разные зоны элемента могут расширяться по-разному, но все равно должны сжиматься равномерно распределенной компрессионной силой. По-прежнему, применяют ли ряд механических пружин, как показано на Фиг.4 или Фиг.5, или источник сжатого воздуха, но все равно такое решение оставляет место для усовершенствования в смысле простоты, эффективности, стоимости и надежности.
Таким образом, несмотря на наличие известных решений по компрессионной проблеме батареи топливных элементов, все они имеют некоторые, присущие им проблемы, а именно:
- Большее количество компонентов, участвующих в компрессионном устройстве, при этом применяются компоненты, которые более дорогие в изготовлении и изготовлены из более дорогих материалов. Дополнительно риск отказов обычно повышается с увеличением числа компонентов.
- Надежность механических пружин для сжатия батареи, и, в частности, под воздействием тепла механические пружины имеют склонность к медленной деформации (ползучести), и, таким образом, со временем механическая характеристика пружин меняется.
- Применение внешнего источника сжатого воздуха для сжатия батареи требует наличия внешнего источника воздуха и трубных соединений, что повышает сложность устройства и эксплуатационные затраты.
Задачей данного изобретения является решение отмеченных выше проблем путем предоставления нового компрессионного устройства для батареи топливных элементов.
В частности, задачей изобретения является обеспечение устройства компрессионного корпуса, в котором отсутствует необходимость в механических пружинах и специальных источниках внешнего газового давления для сжатия батареи топливных элементов.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного устройства, которое создает дифференцированную компрессионную силу между герметизированным участком и электрохимически активным участком батареи топливных элементов.
Другой дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного устройства, которое осуществляет неравномерное расширение разных зон топливных элементов, но поддерживает равномерно распределенное давление на всей электрохимической площади простым и экономичным образом.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного устройства, которое автоматически управляет промежуточными рабочими условиями, например потоками реагентного газа, давлением, температурой и электрическими нагрузками.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного устройства, которое требует малое количество сборочных процессов при сборке батареи и малое количество батарейных компонентов.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение компрессионного устройства, которое не приводит к повреждению во времени компрессионных средств.
Данные и другие задачи решены изобретением, которое описано ниже.
В частности, соответственно предоставлено компрессионное устройство для твердооксидных топливных элементов, но также потенциально, как уже было отмечено, для других известных типов топливных элементов. В последующем батарея топливных элементов рассматривается как "черный ящик", который при подаче окисляющего газа и топливного газа вырабатывает электричество и тепло. Функционирование и внутренние компоненты батареи топливных элементов полагаются известными специалистам в данной области техники и не являются предметом данного изобретения.
Компрессионное устройство согласно данному изобретению касается в первую очередь электрохимически активного участка топливных элементов в батарее. Герметизированный участок топливных элементов требует большего, чем активный участок, давления, и, следовательно, в данном изобретении предполагается сжатым любым соответствующим известным техническим средством, например механическими пружинами или гибким компрессионным матом. Герметизированный участок топливных элементов расположен в основном по краям топливных элементов и вокруг внутренних коллекторных труб. В случае если топливные элементы имеют один или более боковых коллекторов для впуска и выпуска газа, данные края не герметизированы, но могут быть выполнены с герметизирующими точками или контактными точками.
Для разделения компрессии герметизированного участка от компрессии электрохимически активного участка батарея топливных элементов выполнена с рамой с отверстием, причем рама, по существу, накрывает герметизированный участок, а отверстие, по существу, накрывает активный участок. Понятно, что ″по существу″ означает, что для рамы нет необходимости в точно тех же размерах, что и герметизированный участок, и дополнительно, из практических соображений, рама, на которую воздействует относительно высокая компрессионная сила, может быть выбрана для покрытия некоторых частей электрохимически активного участка.
Рама опирается на плоскостную концевую пластину, которая размещена в верхней части собранной батареи топливных элементов. Концевая пластина в некоторых вариантах осуществления - стальная пластина, является упругой, так что она допускает деформации разных секций на площади ее поперечного сечения. В верхней части рамы находится верхняя пластина, а между концевой пластиной и рамой обеспечен герметизатор, так же как и между рамой и верхней пластиной, так что образована газонепроницаемая компрессионная камера, которая, по существу, имеет ту же самую площадь поперечного сечения, что и электрохимически активная площадь топливных элементов в батарее.
К компрессионной камере обеспечен один или более газовых каналов давления. Канал(ы) давления соединяют компрессионную камеру с одним из газовых впускных каналов или коллекторов, при этом газовый впуск может быть или катодным газовым впуском или анодным газовым впуском. В случае если батарея топливных элементов укомплектована внутренним коллектором, то канал(ы) давления может быть соединен с одной или более коллекторными трубами. В случае если батарея топливных элементов укомплектована боковым коллектором, то канал(ы) давления может быть соединен с коллектором впуска газа; или в любом случае, канал давления может быть соединен с предпочтительным впуском газа отдельной трубой от впуска рамы и соединен в любом месте впускной газовой трубы.
При работе впускной газ должен быть подведен в компрессионную камеру, а также в батарею топливных элементов. Поскольку имеется только впуск(и), но из компрессионной камеры нет выпуска, она может быть подвержена воздействию любому давлению впускного газа. В топливных элементах впускной газ - это либо катодный газ или анодный газ, распределяется по электрохимически активному участку и выходит через выпуски. Прохождение электрохимически активного участка вызывает падение давления между впуском и выпуском. Таким образом, когда впуск(и) компрессионной камеры соединен с газовой впускной стороной батареи через канал давления, то падение давления на активном участке приводит к избыточному давлению в компрессионной камере относительно давления в газовом выпускном канале той же самой величины, что и падение давления на активном участке. В зависимости от области применения, сама батарея может подвергаться или низкому или высокому внутреннему газовому давлениям, а также или низкому или высокому внешнему окружающему давлению.
Большое внутреннее давление в батарее, созданное потерей давления газового потока по активному участку, будет иметь тенденцию к отжиманию элементов батареи друг от друга, что будет приводить к ухудшению электрического контакта и может быть даже привести к расслаиванию. Данные проблемы вызываются также термоиндуцированными механическими напряжениями внутри батареи, обусловленными разным термическим расширением. Но согласно изобретению растущее внутреннее давление или термоиндуцированные механические напряжения в батарее топливных элементов будут взаимно уравновешиваться растущим давлением в компрессионной камере.
Соответственно может быть предпочтительно соединять компрессионную камеру с впускным газом, который имеет наибольшее давление, катодом или анодом, но изобретение предусмотрено для обоих, когда другие соображения могут определить предпочтительность соединения компрессионной камеры с катодным или анодным впускным газом.
В описанном выше варианте осуществления нижняя часть батареи опирается на нижней пластине, что известно из предшествующего уровня техники. В другом варианте осуществления компрессионное устройство может быть выполнено на нижней части батареи топливных элементов, подобно ранее отмеченному варианту осуществления, рама может быть выполнена между упругой пластиной и нижней пластиной.
В дополнительном варианте осуществления описанное компрессионное устройство может быть выполнено как в верхней части, так и в нижней части батареи топливных элементов, в этом случае допущение независимого местного зонного расширения батареи топливных элементов является дополнительно повышенным, но поддерживается равномерно распределенное компрессионное усилие по электрохимически активному участку элементов.
В другом дополнительном варианте осуществления изобретения компрессионное устройство может быть выполнено внутри батареи топливных элементов в любом месте, с одним или более топливных элементов, расположенных на каждой стороне компрессионного устройства. В данном варианте осуществления рама не находится в газонепроницаемом соединении с одной упругой пластиной и любой верхней или нижней пластиной; вместо этого она находится в газонепроницаемом соединении с двумя упругими промежуточными пластинами; в дальнейшем называемыми просто упругими пластинами. Соответственно, в данном варианте осуществления компрессионная камера образована отверстием рамы, закрытым с обеих сторон упругими пластинами. Компрессионное устройство может быть расположено в средней части батареи, имеющей, по существу, равное число элементов на любой стороне, или оно может быть расположено в любом соответствующем месте, имеющем большее число элементов с одной стороны, чем с другой. Дополнительно данный вариант осуществления может включать в себя более одного компрессионного устройства внутри батареи и может быть скомбинирован с уже отмеченными вариантами осуществления, т.е. батарея может иметь одно или более компрессионных устройств согласно данному изобретению, внутри батареи, в сочетании с компрессионными устройствами в верхней части, нижней части или в верхней и нижней части батареи.
Признаки изобретения
1. Компрессионное устройство для батареи топливных элементов или батареи электролитических элементов, выполненной из множества элементов, при этом батарея элементов содержит:
- множество батарейных элементов, каждый с герметизированным участком и электрохимически активным участком;
- нижнюю пластину;
- верхнюю пластину;
- по меньшей мере одну упругую пластину;
- по меньшей мере одну раму с центральным отверстием;
- по меньшей мере один газовый впускной канал, сообщенный по текучей среде с газовой впускной стороной элементов;
- по меньшей мере один газовый выпускной канал, сообщенный по текучей среде с газовой выпускной стороной элементов;
при этом упомянутая по меньшей мере одна рама выполнена встроенной, в газонепроницаемом исполнении, по меньшей мере между пластинами по одному из нижеследующих вариантов:
- верхней пластиной и упомянутой упругой пластиной;
- нижней пластиной и упомянутой упругой пластиной;
- двумя упомянутыми упругими пластинами, расположенными внутри батареи так, чтобы по меньшей мере одна компрессионная камера образована отверстием рамы, закрытым с обеих сторон упомянутыми пластинами, при этом упомянутая компрессионная камера, посредством канала давления соединяющего газовый впускной канал с упомянутой компрессионной камерой, находится в связи по текучей среде с впускным газом, при этом площадь поперечного сечения упомянутой компрессионной камеры, по существу, соответствует электрохимически активной площади упомянутых элементов.
2. Компрессионное устройство для батареи элементов по признаку 1, в котором батарея элементов представляет собой батарею твердооксидных топливных элементов или батарею твердооксидных электролитических элементов.
3. Компрессионное устройство для батареи элементов по признаку 1 или 2, в котором впускной газ представляет собой катодный газ.
4. Компрессионное устройство для батареи элементов по признаку 1 или 2, в котором впускной газ представляет собой анодный газ.
5. Компрессионное устройство для батареи элементов по любому из предыдущих признаков, в котором компрессионное устройство расположено в средней части батареи, при этом с каждой стороны компрессионного устройства, по существу, имеется равное количество установленных элементов.
6. Компрессионное устройство для батареи элементов по любому из признаков 1 - 4, в котором компрессионное устройство расположено внутри батареи, при этом с одной стороны компрессионного устройства имеется отличное от другой стороны количество установленных батарей.
7. Компрессионное устройство для батареи элементов по любому из признаков 1 - 4, в котором первое компрессионное устройство расположено в верхней части батареи, первая компрессионная камера образована отверстием первой рамы, закрытым с обеих сторон верхней пластиной и первой упругой пластиной, а второе компрессионное устройство расположено в нижней части батареи, при этом вторая компрессионная камера образована отверстием второй рамы, закрытым с обеих сторон нижней пластиной и второй упругой пластиной.
8. Компрессионное устройство для батареи элементов по любому из признаков 1-4, в котором первое компрессионное устройство расположено в верхней части батареи, первая компрессионная камера образована отверстием первой рамы, закрытым с обеих сторон верхней пластиной и первой упругой пластиной, а второе компрессионное устройство расположено в нижней части батареи, при этом вторая компрессионная камера образована отверстием второй рамы, закрытым с обеих сторон нижней пластиной и второй упругой пластиной, и внутри батареи расположено одно или более дополнительных компрессионных устройств, имеющих компрессионные камеры, образованные отверстием одной или более дополнительных рам, закрытых с обеих сторон дополнительными упругими пластинами.
9. Компрессионное устройство для батареи элементов по любому из предыдущих признаков, в котором избыточное относительно давления в газовом выпускном канале давление в компрессионной камере находится между 20-1000 мбар, и предпочтительно между 40-500 мбар, и еще предпочтительней между 60-300 мбар.
10. Батарея твердооксидных топливных элементов или батарея твердооксидных электролитических элементов, содержащая компрессионное устройство по любому из предыдущих признаков.
Далее изобретение будет проиллюстрировано прилагаемыми чертежами, показывающими вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1 представляет собой разрез концевой части компрессионного устройства твердооксидных топливных элементов, выполненного согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Перечень позиций:
100 Батарея твердооксиных топливных элементов.
101 Упругая пластина (верхняя).
102 Рама с центральным отверстием (верхняя).
103 Компрессионная камера.
104 Верхняя пластина.
105 Нижняя пластина.
106 Канал давления.
107 Катодная газовая внутренняя впускная труба.
108 Катодная газовая внутренняя выпускная труба.
109 Твердооксидный топливный элемент.
110 Соединительное устройство.
На Фиг. 1 показан один вариант осуществления изобретения. Вариант осуществления представляет компрессионное устройство, выполненное согласно изобретению, для батареи твердооксидных топливных элементов, содержащей ряд твердооксидных топливных элементов, отделенных соединительными устройствами и скомплектованных. Между компонентами батареи предусмотрены, но не показаны, герметизаторы.
Изобретение не ограничено данным вариантом осуществления ни в части компрессионного устройства или типа топливных элементов, ни их конфигурацией. Как уже отмечено, компрессионное устройство согласно изобретению может быть выполнено в верхней части, в нижней части, в верхней и нижней частях батареи топливных элементов, и в сочетании внутри батареи топливных элементов; и батарея топливных элементов может содержать разные типы топливных элементов, которые опять могут иметь разные сочетания внутренних или внешних газовых коллекторов.
На Фиг. 1 батарея (100) твердооксидных топливных элементов содержит ряд твердооксидных топливных элементов (109). Топливный элемент содержит электролит, катод и анод. В данном контексте детали топливного элемента не принципиальны, таким образом, он будет рассматриваться как единое целое с герметизированным участком и электрохимически активным участком. Топливные элементы скомплектованы укладкой друг на друга сверху, с внутренними соединительными устройствами (110) между ними. Оксидирующий катодный газовый поток, например воздух, должен пройти по катодной стороне топливного элемента, а анодный газовый поток соответствующего вида должен пройти по анодной стороне топливного элемента. Соединительное устройство отделяет два газовых потока и обеспечивает электрический контакт между элементами.
Батарею топливных элементов сжимают между жесткой нижней пластиной (105) и верхней пластиной (104). Упругая пластина (101) и рама (102) расположены в верхней части батареи топливных элементов и внутри между батареей топливных элементов и верхней пластиной. Рама имеет центральное отверстие с площадью поперечного сечения, по существу, соответствующей электрохимически активной площади, и это означает, что часть рамы, покрывающая батарею топливных элементов, соответствует, по существу, герметизированной площади топливных элементов.
Все конструктивные элементы, а именно нижняя пластина, топливные элементы, соединительные устройства, упругая пластина, рама и верхняя пластина загерметизированы вместе стеклянным герметизатором или другим соответствующим материалом. Следовательно, между упругой пластиной, рамой внутри отверстия и верхней пластиной образована газонепроницаемая полость. В некоторых применениях допустимая газонепроницаемость может быть даже достигнута без герметизирующего материала. Из предыдущего описания понятно, что площадь поперечного сечения данной газонепроницаемой полости соответствует по существу электрохимически активной площади топливных элементов. Когда давление внутри данной газонепроницаемой полости становится выше окружающего давления, то упругая пластина будет давить на верхнюю часть топливного элемента, при этом рама будет давить на герметизированный участок посредством известного в технике компрессионного средства (не показано). Таким образом, газонепроницаемая полость образует компрессионную камеру (103).
Необходимое для обеспечения достаточной компрессионной силы на химически активный участок топливных элементов избыточное давление в компрессионной камере может быть обеспечено внешним источником давления. Однако эксперименты неожиданно показали, что обеспеченное впускным катодным газом давление создает достаточную компрессионную силу для поддержания контакта между слоями топливных элементов батареи. Таким образом, вместо специального внешнего оборудования для обеспечения батареи компрессионным газом необходимо лишь соединение с впуском катодного газа. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, по меньшей мере один канал (106) давления обеспечивает сообщение по текучей среде между компрессионной камерой и катодным газовым впускным каналом. Поскольку компрессионная камера не имеет выпусков, то избыточное давление в компрессионной камере относительно давления в катодном газовом выпускном канале будет равным потере давления на катодной стороне топливного элемента от катодного газового впуска (107) до катодного газового выпуска (108).
На нескольких батареях с твердооксидными топливными элементами были проведены эксперименты по данному изобретению. Батарея была выполнена, как описано выше, с катодным газом, проникающим через раму из отверстия в концевой пластине (отверстие было расположено к впускной стороне катодного газа). Батарея содержала 10 топливных элементов. К отверстию в раме был подключен манометр, осуществляющий замеры давления в раме. Испытание выполнено при следующих рабочих условиях:
Катодный поток:
960 нормолитров/час воздуха
Температура батареи
760°С
Катодный поток 960 Нл/ч воздуха создавал в раме избыточное давление относительно давления в катодном газовом выпускном канале между 83 и 89 мбар, соответствующее силе между 76.5 Н и 82 Н, воздействующей на электрохимически активный участок. Проблем контакта во время испытаний не наблюдалось.
Как уже отмечалось, компрессионное устройство может быть также обеспечено на нижней части батареи топливных элементов, или как в верхней части и нижней части, или внутри батареи. Дополнительно, в качестве компрессионного средства вместо катодного газа может быть применен анодный газ. Впуск компрессионной камеры может быть выполнен разными путями, при условии, что в компрессионной камере поддерживается достаточное давление.