КОМПОНОВКА ТОПЛИВНОЙ БАТАРЕИ НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ ДО 7 КВТ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДАХ

Область техники.
Полезная модель относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую на базе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов, а более конкретно к планарной конструкции батарей топливных элементов.
Уровень техники.
Высокотемпературные топливные элементы планарной конструкции характеризуются наиболее простой геометрией, что делает их удобными для производства и создания на их основе более экономичных батарей. Создание таких батарей обеспечивается стопированием элементов при наложении их друг на друга, при этом поверхности элементов в основном параллельны друг другу.
Известные аналоги, использующиеся в качестве высокотемпературных топливных элементов с твердооксидным электролитом, имеют планарную конструкцию твердого электролита с нанесенными газодиффузионными анодом и катодом достаточно полно описаны (Высокотемпературный электролиз газов. М.В. Перфильев, А.К. Демин, Б.Л. Кузин, А.С. Липилин, ISBN 5-02-001399-4. M.: Наука, 1988, 234 с).
Известна батарея высокотемпературных топливных элементов в форме плоских прямоугольных пластин из твердого электролита с электродными покрытиями на противолежащих сторонах, содержащая биполярные разделительные пластины с выступами в форме ребер, стоек или заклепок, обеспечивающими образование электродных камер между электродными покрытиями и разделительными пластинами при стопировании топливных элементов поочередно с биполярными пластинами, и систему каналов для подачи и отвода газовых сред к стопке и от нее.
Недостатком данной конструкции являются громоздкость из-за необходимости использования габаритных вертикальных газовых каналов, примыкающих к боковым стенкам стопки с полным охватом их боковой поверхности, неэффективное отведение тепла и неравномерное распределение топливной смеси (синтез-газа) по каналам единичных элементов при использовании в качестве топлива в энергоустановке внешнего риформинга природного газа.
Известна, батарея твердотопливных элементов, содержащая стопку отдельных планарных элементов с центральным отверстием, каждый из которых имеет анод и катод, размещенные на противоположных сторонах твердоэлектролитной подложки, проходящие через центральные отверстия элементов первый и второй трубопроводы соответственно для газообразного топлива и кислородсодержащей смеси, имеющие по всей высоте систему перфорированных отверстий для истечения газовых реагентов в соответствующие электродные пространства, причем отверстия для истечения газообразного топлива смещены относительно отверстий для истечения кислородсодержащей смеси, а вся стопка помещена в теплоизоляционный корпус с боковым зазором и с выходным отверстием для отработанных газов, отличающаяся тем, что оба трубопровода образуют закрепленный только на основании корпуса единый несущий стержень, на котором между перфорированными отверстиями закреплены по контуру центрального отверстия отдельные топливные элементы, обращенные одноименными электродами навстречу друг другу, а в боковом зазоре полости корпуса размещено устройство для стартового по джига газовой смеси.
Недостатком является неравномерное распределение температур, которое приводит к тепловым деформациям конструкции и дальнейшему разрушению элементов и отказа работы батареи.
Наиболее близкими аналогами планарного элемента с использованием плоского твердого электролита - прототипами, является, по мнению авторов,, батарея, разработанная Forschungszentrum Quitch, Germany ("Fuel Cell Technologies: State and Perspectives", NATO Science Series: II. Mathematics, Physics and Chemistry - Vol. 202, p. 123-134, и в материалах 5 European Fuel Cell Forum, Vol. 2, p. 784, Oberrohrdorf, 2002). Авторы прототипа предложили интерконнект формировать (штамповать) из стали JS-3, при этом газовый коллектор и каналы обеспечивают равномерное снабжение воздухом и электрическое соединение с катодом плоского ТОТЭ, функции анода в данной конструкции выполняет стальная сетка. Сам элемент с несущим анодом изготавливается с использованием технологий: теплого (горячего) прессования порошка анодного материала (Ni+YSZ), вакуумное шликерное литье порошка твердого электролита YSZ, мокрое порошковое напыление (WPS) порошка катодного материала - манганита лантана стронция (LSM).
К недостаткам прототипа можно отнести недостаточно эффективное отведение тепла, неравномерная подача топливной смеси, что приводит к ухудшению функциональных основных удельных характеристик кВт/л, кВт/кг. А также относительно небольшая выходная мощность.
Раскрытие полезной модели
Одной из сильных сторон электрохимических преобразователей энергии, к которым относятся и батареи твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), является их высокая энергоэффективность. За счет прямого преобразования энергии они имеют высокий КПД, однако эффективность преобразования энергии в батареях ТОТЭ во многом зависит от оптимального выполнения конструкции изделия. Весьма существенным фактором, определяющим общий КПД устройства, являются тепловые потери при токосъеме с электродов. Уменьшение потерь энергии, связанных с конструкцией батарей, в настоящее время является актуальной задачей. Также, следует отметить, что в тех случаях, когда батарея используется как источник электроэнергии при транспорте нефти и газа, то от этой батареи топливных элементов требуется относительно большая выходная мощность. Для выполнения такого требования авторами разработана конструкция, позволяющая увеличить площадь плоскости реакции (плоскости, генерирующей электроэнергию) в единичном топливном элементе.
Задача предлагаемого технического решения заключается в уменьшении потерь тепла, оптимизации процесса равномерной подачи смеси, увеличении площади плоскости реакции. Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, состоит в создании конструкции с увеличенной плотностью упаковки, увеличенной площадью плоскости реакции и улучшенным тепломассообменом.
Новизна данного технического решения достигается за счет оптимизации конструкции топливной батареи.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как оно может быть использовано для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Общий вид топливной батареи
Фиг. 2 - Топливная батарея с пространственным разделением компонентов.
Осуществление полезной модели
Поставленная задача решается благодаря тому, что конструкцию топливной батареи формируется из 30 повторяющихся модулей топливных элементов (1). Каждый модуль состоит из четырех мембранно-электродных блоков (МЭБ) (2) и биполярной пластины (токового коллектора) (3). Мембранно-электродный блок представляет собой многослойный керамический пакет, который состоит из мембраны твердого электролита (4), анодного (5) и катодного (6) электродных слоев. МЭБ обеспечивает высокоэффективное производство электрической энергии. Биполярная пластина (3) представляет собой прямоугольник с габаритами: длина - 41,5 см, ширина - 41,5 см. Вдоль ее сторон проходят магистральные газовые каналы. Вдоль одной пары противоположных сторон проходят входная и выходная магистрали для окислительного газа, а вдоль другой - для топлива. Одна сторона биполярной пластины отвечает за токосъем и газораспределение с катодной стороны мембранно-электродного блока, а вторая - с анодной. В задачи биполярных пластин входит: разделение анодного и катодного газовых пространств и токосъем с электродов МЭБ (2).
Из указанных модулей набирается батарея топливного элемента заданной мощности.
При сборе элементов батареи ТОТЭ сжимающую силу получают скреплением батареи между фланцами плоской концевой плиты 7 с применением системы жестких стяжек 8 и гаек 9. Сжатие концевых плит имеет достаточную прочность для обеспечения того, что в процессе работы газонепроницаемое уплотнение, присутствующее на краях ТОТЭ, остается газоплотным, поддерживается электрический контакт между различными слоями стопки ТОТЭ, и в то же время прочность, достаточно низкую для гарантии того, что стопка ТОТЭ не деформируется слишком сильно.