ШТАБЕЛЬ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
STACK OF HIGH-TEMPERATURE FUEL CELLS

Изобретение относится к штабелю высокотемпературных топливных элементов, стягиваемому с помощью временного стягивающего устройства. Кроме того, изобретение относится к способу временной затяжки штабеля топливных элементов и к способу удаления временного стягивающего устройства для штабеля высокотемпературных топливных элементов. Изобретение относится также к специфическому использованию пластмассовых монтажных элементов.
Штабель высокотемпературных топливных элементов, как, например, штабели SOFC, изготавливаются и собираются под действием определенного стягивающего усилия. Это стягивающее усилие должно поддерживаться непрерывно. Из-за использования в штабелях высокотемпературных топливных элементов компонентов и материалов с отличающимися коэффициентами теплового расширения, а также из-за разницы между рабочей температурой и температурой сборки, составляющей, например, 850°С, а также комнатной температуры в охлажденном состоянии возникают внутренние напряжения, которые при отсутствии достаточного стягивающего усилия могут вызвать, например, отслаивание контактных слоев, разрыв уплотнений и тем самым снижение эффективности штабеля топливных элементов. Поддержание постоянства стягивающего усилия может, например, означать, что стягивающее усилие должно поддерживаться во время изготовления штабеля высокотемпературных топливных элементов, во время выемки его из печи, во время транспортировки штабеля высокотемпературных топливных элементов, во время установки штабеля высокотемпературных топливных элементов в соответствующей системе, во время передачи стягивающего усилия конечного стягивающего устройства системы и во время эксплуатации штабеля высокотемпературных топливных элементов в системе. Для вышеуказанных различных фаз известны различные технологии создания стягивающего усилия. В процессе изготовления штабеля высокотемпературных топливных элементов стягивающее усилие может создаваться, например, путем наложения груза. Из DE 10334129 А1 известно, что штабель высокотемпературных топливных элементов собирается с помощью одного или нескольких воздействующих элементов в условиях регулирования величины усилия и/или направления его действия. Если постоянное внутреннее стягивающее усилие штабеля высокотемпературных топливных элементов осуществляется с помощью стяжного болта и упругих элементов или жестких стягивающих элементов с встроенным механизмом теплового расширения (см., например, WO 2004102706 А2 или СА 2453061), то это стягивающее усилие может использоваться, начиная с выемки из печи и кончая эксплуатацией штабеля высокотемпературных топливных элементов. Однако применение стяжного болта из высокопрочных сталей является дорогостоящим и, кроме того, связано с угрозой невозможности поддержания равномерности стягивающего усилия на протяжении длительного времени из-за наличия процессов ползучести. Упругие элементы для компенсации процессов ползучести, выдерживающие высокие рабочие температуры, например, 850°С, являются дорогостоящими и достаточно дефицитными, вследствие чего упругие элементы для компенсации процессов ползучести часто устанавливаются поверх изоляции штабеля высокотемпературных топливных элементов. Для этого во многих случаях в изоляции необходимо предусмотреть отверстия, приводящие к тепловым потерям.
Из DE 10308382 D3 известно, что штабель высокотемпературных топливных элементов после охлаждения в печи сначала стягивается с помощью временного стягивающего устройства, затем изолируется, снабжается поверх изоляции конечным стягивающим устройством, после чего временное стягивающее устройство удаляется. Согласно техническому решению, известному из DE 10308382 В3, в изоляции необходимо предусматривать отверстия для удаления временного стягивающего устройства, после чего соответствующие отверстия заполняются изоляционным материалом. После этого штабель высокотемпературных топливных элементов может быть введен в эксплуатацию. Недостаток этого решения заключается в том, что удаление временного стягивающего устройства вручную и герметизация отверстий в изоляции требуют затрат и отрицательно сказываются на целостности и функционировании изоляции. Кроме того, при удалении временного стягивающего устройства можно легко повредить штабель высокотемпературных топливных элементов.
В основу изобретения положена задача устранения вышеуказанных недостатков.
Эта задача решается с помощью признаков, приведенных в независимых пунктах формулы изобретения.
Предпочтительные формы выполнения и усовершенствованные варианты осуществления изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.
Штабель высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению формируется на основе сведений из уровня техники в этой области, согласно которым временное стягивающее устройство состоит из пластмассы, сгорающей при температуре ниже рабочей температуры штабеля высокотемпературных топливных элементов. Благодаря такому решению появляется возможность удаления временного стягивающего устройства путем ввода в эксплуатацию штабеля высокотемпературных топливных элементов с его, предпочтительно, полным сжиганием, после того как будет установлено конечное стягивающее устройство, предпочтительно, поверх временной изоляции. Таким образом, отпадает необходимость в принятии дорогостоящих и опасных мер по удалению временного стягивающего устройства, например, согласно DE 10308382 В3.
В этой связи представляется предпочтительным вводить в пластмассу полимеризационные пластмассы, в частности полипропилен и/или полиэтилен. Полипропилен может иметь, например, температуру плавления 132°С, в то время как полиэтилен может иметь температуру плавления, например, 163°С; при этом оба полимера при более высоких температурах сгорают.
В предпочтительных вариантах выполнения штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению предусмотрено, чтобы временное стягивающее устройство содержало по меньшей мере один пластмассовый винт, по меньшей меру одну полимерную ленту, по меньшей мере одну пластмассовую втулку, по меньшей мере один пластмассовый стержень и/или пленку с усадочными свойствами. В принципе речь может идти обо всех пластмассовых элементах, которые способны к созданию усилий, необходимых для затяжки, а также к сгоранию при температурах, более низких, чем рабочая температура штабеля высокотемпературных топливных элементов.
Согласно предпочтительному усовершенствованному варианту выполнения штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению предусмотрено, чтобы штабель высокотемпературных топливных элементов содержал по меньшей мере две в основном параллельные концевые пластины, которые благодаря временному стягивающему устройству стягиваются во встречном направлении, и чтобы временное стягивающее устройство не выступало или лишь незначительно выступало за габариты концевых пластин. Концевые пластины могут иметь, например, по своим углам выступающие серьги, снабженные отверстиями, причем каждые два отверстия могут быть подогнаны друг к другу и рассчитаны на установку винтов с потайной головкой. В этом случае появляется возможность предусмотреть верхнюю и нижнюю стороны штабеля высокотемпературных топливных элементов практически плоскими, что позволяет, например, беспрепятственно укладывать такие штабели высокотемпературных топливных элементов штабелями.
Способ временной затяжки штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению отличается тем, что затяжку штабеля высокотемпературных топливных элементов производят с помощью временного стягивающего устройства, состоящего из пластмассы, сгорающей при температуре ниже рабочей температуры штабеля высокотемпературных топливных элементов.
Благодаря этому закладывается основа для осуществления поясняемого ниже способа удаления временного стягивающего устройства для штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению.
В сочетании со способом временной затяжки штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению предпочтительно также, чтобы пластмасса включала в себя полимеризационные пластмассы, в частности полипропилен и/или полиэтилен.
Способ удаления временного стягивающего устройства для штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению отличается тем, что активируют штабель высокотемпературных топливных элементов и одновременно выжигают временное стягивающее устройство.
Это решение также исключает известные из DE 10308382 В3 и опасные меры по удалению временного стягивающего устройства.
В связи со способом удаления временного стягивающего устройства согласно изобретению предпочитается также, чтобы пластмасса включала в себя полимеризационные пластмассы, в частности полипропилен и/или полиэтилен.
Кроме того, изобретение относится к применению в качестве временного стягивающего устройства для штабеля высокотемпературных топливных элементов по меньшей мере одного пластмассового винта, по меньшей мере одной пластмассовой гайки, по меньшей мере одной полимерной ленты, по меньшей мере одной пластмассовой втулки, по меньшей мере одного пластмассового стержня и/или пленки с усадочными свойствами.
Предпочтительно, чтобы пластмасса включала в себя полимеризационные пластмассы, в частности полипропилен и/или полиэтилен.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на фигуры сопровождающих чертежей, в числе которых:
Фиг.1 изображает в изометрии форму выполнения штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению, к которому применим способ временной затяжки штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению и по отношению к которому применим способ удаления временного стягивающего устройства,
Фиг.2а-2е изображают различные пластмассовые элементы, которые согласно изобретению могут быть использованы в качестве временного стягивающего устройства для штабеля высокотемпературных топливных элементов.
На фиг.1 в изометрии изображена форма выполнения штабеля 10 высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению. Изображенный штабель высокотемпературных топливных элементов содержит известным самим по себе способом множество идентичных элементов 24, установленных между верхней 26 и нижней 28 концевой пластиной. Верхняя 26 и нижняя 28 концевая пластина  имеют по своим соответствующим углам серьги 30, снабженные раззенкованными отверстиями. В варианте выполнения, изображенном на фиг.1, временное стягивающее устройство образовано четырьмя втулками 12 (из которых видны только три) и восемью винтами 14 (из которых видны только шесть) с потайными головками. Как втулки 12, снабженные внутренней резьбой, так и винты 14 изготовлены из пластмассы, которая сгорает полностью при температуре, предпочтительно, ниже рабочей температуры штабеля высокотемпературных топливных элементов, которая может составлять, например, 850°С. Пластмасса может включать, например, полимеризационные пластмассы, например полипропилен и/или полиэтилен.
Для приведения штабеля высокотемпературных топливных элементов в состояние, изображенное на фиг.1, он собирался сначала при нагреве, например, таким образом, как это описано в DE 10334129 А1. Таким образом, штабель топливных элементов при его изготовлении не только подвергается определенному давлению за счет наложения груза, как это описано в DE 10308382 В3, но и силовому воздействию. Это силовое воздействие дополнительно обеспечивает возможность отслеживания процесса осадки и оказания на него воздействия путем изменения силы сжатия. Полученная таким образом сила находит применение в процессе сборки (при расплавлении уплотнительного материала и при присоединении электрических контактов) во время охлаждения до комнатной температуры и вплоть до передачи стягивающего усилия на временное стягивающее устройство, которое монтируется после сборки и охлаждения, например, в результате осуществления способа временной затяжки штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению.
Временное стягивающее устройство обеспечивает возможность надежной доставки штабеля топливных элементов с места производства на место его окончательной установки и эксплуатации в системе топливных элементов. После установки в системе топливных элементов предусматривается конечное стягивающее устройство. Последнее должно быть выполнено известным образом, например, так, как это указано в DE 195066690 А1, DE 10308382 D3 или JP 11007975. Особенно предпочтительной является затяжка с помощью изоляции, устанавливаемой вокруг временного стягивающего устройства.
Затем осуществляется процесс удаления временного стягивающего устройства для штабеля высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению. Для этого достаточно простого активирования штабеля высокотемпературных топливных элементов. Во время нагревания до рабочей температуры, равной, например, 850°С, временное стягивающее устройство сгорает, и необходимое стягивающее усилие обеспечивается за счет конечного стягивающего устройства.
На фиг.2а-2b представлены возможные пластмассовые элементы, которые могут образовывать временное стягивающее устройство. На фиг.2а изображена втулка, снабженная внутренней резьбой. На фиг.2b изображены винт с потайной головкой, снабженный наружной резьбой, и шестигранная гайка 16. На фиг.2с показан ленточный стягивающий элемент в виде принятого в торговле кабельного биндера. На фиг.2d схематически изображен кусок пленки 20 с усадочными свойствами, поскольку такая пленка также может быть использована в качестве временного стягивающего устройства. Наконец, на фиг.2е изображен пластмассовый стержень 22, снабженный наружной резьбой по меньшей мере на концевых участках.
2
2
В общем случае применение пластмассы для временного стягивающего устройства, в частности, имеет следующие преимущества: стягивающее усилие может тонко регулироваться, поскольку пластмассовые элементы имеют очень малый модуль упругости и при соответствующих размерах могут нагружаться сверх предела текучести при растяжении и тем самым позволяют устанавливать максимальное стягивающее усилие. Благодаря этому отпадает необходимость в использовании пружин и гарантированно предотвращается повреждение из-за избыточных стягивающих усилий. Кроме того, нет необходимости в затратном удалении временного стягивающего устройства, поскольку оно и так оказывается электрически изолированным и, таким образом, не может вызвать короткого замыкания. Кроме того, временное стягивающее устройство при активировании штабеля высокотемпературных топливных элементов разлагается и в газовой фазе покидает окружение системы. Эти газы (например, СО и НО) безвредны для окружающей среды и для топливного элемента. При этом переход с временного стягивания на конечное происходит автоматически, и нет никакой необходимости в дальнейших расходах на обслуживание. Риск повреждения при переходе с временного стягивания на конечное в результате неправильного обслуживания отсутствует. При использовании внешней конечной системы затяжки в соответствии с DE 195066690 A1, DE 10308382 B3 или JP 11007975 A отпадает необходимость в затратном удалении временного стягивающего устройства и герметизации отверстий в изоляции.
Штабель высокотемпературных топливных элементов согласно изобретению предпочтительно не имеет стягивающих элементов, выступающих в направлении вверх или вниз, и поэтому может монтироваться в систему. В этом случае штабелирование нескольких малых штабелей (модулей из 30 элементов) в один общий штабель топливных элементов (из 60 или 90 элементов) не вызывает никаких проблем.
Хотя это не показано на фигурах чертежей, временное стягивающее устройство в рамках настоящего изобретения по меньшей мере частично может выходить за повторные элементы штабеля 10 высокотемпературных топливных элементов.
Признаки, раскрытые в вышеприведенном описании, на чертежах, а также в пунктах формулы изобретения, могут быть использованы для осуществления изобретения как по отдельности, так и в любом сочетании.
Перечень позиций
10 штабель высокотемпературных топливных элементов
12 пластмассовая втулка
14 пластмассовый винт
16 пластмассовая гайка
18 полимерная лента/полимерный кабельный биндер
20 пленка с усадочными свойствами
22 пластмассовый стержень
24 повторный элемент
26 конечная пластина
28 конечная пластина
29 серьга