Батарея твердооксидных топливных элементов анод-поддерживающей конструкции планарной геометрии

Полезная модель относится к батарее твердооксидных топливных элементов анод-поддерживающей конструкции (АП-ТОТЭ), в частности к разделительным элементам, которые служат для создания замкнутых контуров герметизации, как магистральных топливных каналов, так и газового пространства анодного электрода ТОТЭ анод-поддерживающей конструкции.
Полезная модель может быть использована для изготовления энергоустановок на базе АП-ТОТЭ.
С целью изготовления энергоустановок требуемой мощности отдельные АП-ТОТЭ объединяют в сборки, называемые батареями ТОТЭ. Наиболее часто отдельные ТОТЭ объединяются в батарею по последовательной схеме, где катод и анод элемента под номером n имеют электрический контакт с анодом элемента n-1 и катодом элемента n+1, соответственно. Для снабжения анодов ТОТЭ топливом их газовые пространства соединяются с общими для всех ТОТЭ в батарее полостями, называемыми магистральными газовыми каналами.
Известно множество способов сборки единичных ТОТЭ в батарею, отличающихся такими параметрами, как организация газовых магистралей (их геометрия и взаимное расположение), способы распределения реагентов по поверхностям и съема тока с поверхностей электродов, расположение и тип герметизации топливного и окислительного объемов и т.д.
К примеру, в патенте US 2010081026 (опубл. 2010.04.01, МПК Н01М 8/04, Н01М 8/10) описана конструкция батареи с широкими магистральными газовыми каналами, проходящими через поля биполярной пластины и лежащими за пределами топливного элемента. В конструкции реализована скрещенная конфигурация газовых потоков. Несмотря на кажущуюся простоту, предложенная конструкция не позволяет эффективно оптимизировать массогабаритные характеристики батареи ТОТЭ, а конфигурация газовых магистралей приводит к появлению большого количества герметизируемых швов, что усложняет процесс сборки и снижает надежность батареи ТОТЭ.
Известна конструкция, наиболее близкая к предлагаемой, в которой топливо к анодному электроду ТОТЭ подается через магистраль, организованную с использованием сквозных отверстий непосредственно в мембране ТОТЭ (US 2014127604 А1, опубл. 2014.05.08, МПК Н01М 8/02). Такой подход позволяет максимально упростить конструкцию, ограничившись биполярной пластиной и герметизирующими прокладками. В предлагаемой патентом (US 2014127604 А1) конструкции реализуется сонаправленная конфигурация газовых (окислительного и топливного) потоков, позволяющая добиться более равномерного распределения температуры и электрического потенциала в объеме батареи ТОТЭ. Применение внешнего обдува окислительной смесью, при котором батарея не содержит в себе замкнутых воздушных магистралей, а катодные пространства ТОТЭ выходят на боковую поверхность батареи, уменьшает количество герметизируемых швов и существенно улучшает массогабаритные характеристики батареи ТОТЭ.
К недостаткам предложенной конструкции (US 2014127604 А1) можно отнести:
Неравномерное распределение окислительной и топливной смеси по плоскости электродов. Ширина топливной магистрали существенно меньше ширины анодного электрода ТОТЭ, что может приводить к образованию областей застоя в углах анодного газового пространства. Топливные магистрали с примыкающими плоскостями необходимыми для их герметизации создают, в свою очередь, условия для образования аналогичных областей в центральной области катодной полости батареи.
Уменьшение эффективной площади электродов ТОТЭ. Площадь сквозных отверстий с прилегающими областями их герметизации не может быть эффективно использована для обеспечения протекания реакции окисления топлив.
Усложнение конструкции единичного ТОТЭ. Наличие сквозных отверстий требует введения дополнительных операций в процесс изготовления топливного элемента.
Неудачное расположение области максимального градиента температур. Охлаждение батарей ТОТЭ традиционно производится избыточным воздушным потоком. В предложенной конструкции (US 2014127604 А1) холодный воздух подается непосредственно на боковую грань батареи ТОТЭ. Таким образом, в область максимального температурного градиента попадает область, состоящая из чередующихся металлических (биполярные пластины) и керамических (АП-ТОТЭ) пластин с различающимися тепломеханическими характеристиками
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении эффективности и надежности батареи АП-ТОТЭ за счет выноса магистральных топливных каналов за границы топливного элемента, что позволяет повысить равномерность распределения газовых смесей, увеличить эффективную площадь электродов ТОТЭ и вынести из области максимального температурного градиента керамические компоненты батареи ТОТЭ.
Для достижения указанного технического результата батарея АП-ТОТЭ планарной геометрии имеет повторяющийся узел, состоящий из, как минимум, одного топливного элемента анод-поддерживающей конструкции планарной геометрии без отверстий, одной биполярной пластины с магистральными топливными каналами, лежащими вне области топливного элемента, высокотемпературного герметика и двух разделительных элементов, дополняющих конструкцию батареи АП-ТОТЭ в области магистральных топливных каналов.
На фиг. 1 показан вид с разнесенными частями повторяющегося узла батареи ТОТЭ, содержащий следующие основные элементы:
1 - высокотемпературный герметик;
2 - разделительные элементы;
3 - топливный элемент;
4 - биполярная пластина;
5 - магистральный топливный канал, формируемый совмещаемыми отверстиями в прокладках высокотемпературного герметика 1, разделительных элементах 2 и биполярных пластинах 4.
На фиг. 1 не показаны контактные материалы. При сборке батареи разделительные элементы 2 укладываются по сторонам от топливного элемента 3 на плоскость биполярной пластины 4 через прокладки высокотемпературного герметика 1. Толщина разделительных элементов 2 выбирается с учетом толщины топливного элемента 3 и контактных слоев так, чтобы получалась общая плоскость герметизации прианодной газовой полости, на которую затем укладывается единая прокладка высокотемпературного герметика 1. Таким образом, обеспечивается герметизация как магистрального топливного канала 5, так и анодного газового пространства. Во время работы топливный газ проходит по магистральным каналам, герметично изолированным от окислительной атмосферы, и равномерно распределяется по плоскости анодного электрода ТОТЭ. При этом вынос топливных магистралей за габарит топливного элемента позволяет получить более равномерное распределение газов по плоскости электродов при сохранении максимальной эффективной площади электродов и отсутствии усложнений геометрии топливного элемента.
Применение разделительных элементов позволяет, при сохранении внешнего обдува окислительной смесью и сонаправленной конфигурации газовых потоков, вынести область максимального температурного градиента за пределы керамического топливного элемента.
Изготовлены разделительные элементы могут быть как из металлов, так и керамических материалов, при условии согласования величины КЛТР с остальными элементами конструкции батареи АП-ТОТЭ.