ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
GAS DISTRIBUTION ELEMENT FOR FUEL ELEMENT

Область технического применения
Настоящее изобретение относится к газораспределительному элементу для топливного элемента или электролизному устройству, в частности газораспределительному элементу для распределения реагирующей текучей среды на электрод топливного элемента или электролизного устройства.
Предпосылки создания настоящего изобретения
Топливные элементы являются электрохимическими устройствами, предназначенными для преобразования химической энергии, находящейся в топливах, непосредственно в электрическую энергию путем осуществления электрохимической реакции. В большинстве случаев кислород или ионы кислорода вступают в реакцию с водородом, СО или другими топливами, таким образом, образуя поток электронов и, следовательно, обеспечивая электрический ток, а также тепло. В реакции используют восстанавливающее средство и окислитель в качестве реагирующих веществ, которые должны непрерывно подаваться в топливный элемент, как правило, водород используют в качестве восстанавливающего средства, а кислород или воздух, содержащий такой кислород, используют в качестве окислителя.
В большинстве случаев топливный элемент может быть использован в обратном порядке для осуществления реакции электролиза, в которой должны быть предусмотрены электрический ток и, возможно, тепло. В целях упрощения ниже описан только режим функционирования топливного элемента.
Энергетическая установка с топливными элементами в целом содержит следующие компоненты: один или несколько наборов топливных элементов, а также вспомогательного оборудования, также называемого как баланс установки. Набор топливных элементов выполнен из отдельных повторяющихся блоков, которые модельно объединены и соединены электрически. Отдельные повторяющиеся блоки содержат одну или несколько мембран элемента, в которых происходят электрохимические реакции, как указано выше. Повторяющиеся блоки также содержат компоненты для подачи реагирующих веществ, обеспечивающие электрический контакт или уплотнение и т.д.
Вспомогательное оборудование обеспечивает приведение поступающих потоков в соответствующее состояние, таким образом, предоставляется воздух или кислород и топливо при правильной температуре и условиях давления, а также необязательный топливный процессор или реформер топлива. Кроме того, вспомогательное оборудование может содержать теплообменники для правильной рабочей температуры набора топливных элементов и для использования тепловой энергии, образованной в результате электрохимических реакций, для предварительного нагревания поступающих потоков топлива или окислителя, и для подачи полезного тепла пользователю. Пример такого теплообменника описан в документе WO 2006/048429 А1.
Вспомогательное оборудование может также содержать системы управления электрической энергией.
Как правило, мембрана элемента состоит из электролита, находящегося в контакте с анодом и катодом на каждой его стороне. Электролит является ионным проводником, но электрическим изолятором. При функционировании в качестве топливного элемента топливо непрерывно подают на анод, то есть отрицательный электрод, а окислитель непрерывно подают на катод, то есть положительный электрод. Электрохимические реакции происходят на электродах для генерирования ионного тока через электролит, как только обеспечивается возможность протекания электрического тока от/к соответствующим электродам через внешний контур, таким образом, обеспечивается выполнение работы под нагрузкой.
Блоки элемента, содержащие мембраны элемента, как было указано выше, могут иметь различные формы, такие как пластины или трубчатые конструкции. Каждая мембрана элемента должна находиться в электрическом контакте. Кроме того, газы реагирующего вещества должны быть подходящим образом распределены по поверхности электродов для максимального увеличения эффективности реакции. Это достигается, например, путем выполнения газораспределительных слоев с определенной геометрией, находящихся в контакте с поверхностью электродов. Таким образом, электропроводимость и газораспределение часто объединяются в конкретных частях. Вместе с мембранами элемента и дополнительными отдельными компонентами этот подузел представляет собой один повторяющийся блок набора топливных элементов.
Для плоских мембран элемента отдельные повторяющиеся блоки наиболее части располагаются поверх друг друга для образования набора.
В данном случае в повторяющихся блоках газораспределительные слои используются не только для перемещения реагирующих веществ в электроды, но также для проведения электрического тока от одного электрода первой мембраны элемента ко второму электроду другой мембраны элемента, таким образом, соединяя несколько элементов последовательно.
В блоке элемента плотный электролит обеспечивает физическое препятствие для предотвращения непосредственного смешивания газовых потоков топлива и окислителя. В плоских наборах двухполярные пластины обычно обеспечивают одинаковое разделение газов между смежными повторяющимися блоками, обеспечивая также электрический контакт через газораспределительные слои.
Должно быть предусмотрено большое количество центров катализатора на контактных поверхностях между слоем электролита и электродами, то есть зона, которая имеет смешанную проводимость для электронов и ионов. Производительность мембран топливного элемента непрерывно повышалась в результате попыток улучшения проводимости электролита, разработки улучшенных каталитических активностей электродов и перемещения реагирующего вещества, и увеличения температурного диапазона, при котором элементы могут функционировать.
Электроды, как правило, являются пористыми и выполнены из материала с электрической и, возможно, ионной проводимостью. При низких температурах лишь немногие относительное редкие и дорогие материалы обеспечивают достаточную электрокаталитическую активность, таким образом, в этих случаях катализаторы осаждаются в небольших количествах на контактной поверхности между пористым электродом и электролитом. В высокотемпературных топливных элементах большее количество материалов подходит для материала электрода благодаря их улучшенной электрокаталитической активности.
Таким образом, пористые электроды имеют основную функцию, заключающуюся в предоставлении поверхности для протекания электрохимических реакций. Кроме того, их функцией является отведение электронов от или в трехфазную контактную поверхность и обеспечение токосъема и соединения с любыми другими элементами или нагрузкой.
В то время как производительность мембран элемента в основном обусловлена выбором материалов, их размером или микроструктурой и способом их объединения друг с другом, производительность набора топливных элементов также зависит в очень существенной степени от качества распределения реагирующих веществ по мембранам элемента, электрического контакта электродов, однородности потоков реагирующего вещества и температур среди различных повторяющихся блоков. Последнее, но не менее важное, выбор обработки топлива и рабочих точек имеет существенное влияние на производительность и срок службы топливного элемента.
Был разработан ряд топливных элементов, которые в данный момент находятся на различных этапах промышленного внедрения. Наиболее общая классификация топливных элементов относится к типу используемого электролита, например, твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), топливные элементы на основе полимерного электролита (ПЭТЭ), щелочные топливные элементы (ЩТЭ), фосфорнокислые топливные элементы (ФКТЭ) или топливные элементы на основе расплавленного карбоната (РКТЭ).
Топливный элемент на основе полимерного электролита (ПЭТЭ) имеет электрод, который сконфигурирован в виде ионообменной мембраны, в частности, полимера на основе фторированной сульфокислоты, который имеет свойство хорошего протонного проводника. Единственной жидкостью, присутствующей в топливном элементе, является вода, поскольку топливо представляет собой главным образом углеводородное топливо, обеспечивающее ионы водорода, а окислитель является воздухом, обеспечивающим кислород для осуществления электрохимической реакции. Рабочая температура обычно составляет меньше, чем 100°С, поскольку мембрана должна быть гидратирована водой, и такая вода, таким образом, не должна испаряться быстрее, чем она образуется. Таким образом, рабочая температура составляет приблизительно от 60°С до 80°С. Как правило, используются угольные электроды с платиновым электрокатализатором как для анода, так и для катода. Двухполярные или разделительные пластины выполнены из углерода или металла. Топливо не должно содержать СО, поскольку анод легко отравляется остатками СО. Важным коммерческим применением ПЭТЭ являются транспортные средства на топливных элементах, а также электролизеры.
-
Щелочной топливный элемент (ЩТЭ) имеет электролит КОН, который удерживается в матрице, например, выполненной из асбеста, и может быть использован широкий диапазон электрокатализаторов, например, Ni, Ag, оксиды металла, шпинели, благородные металлы. Ионы ОН являются носителями заряда по всему электролиту.
2
2
3
Рабочая температура обычно составляет приблизительно 250°С, если используется КОН с концентрацией приблизительно 85 вес. %, и может быть ниже 120°С, если используется КОН с концентрацией от 35% до 50%. Топливо может не содержать ни СО, ни СО, которые бы вступали в реакцию с электролитом с образованием КСО, тем самым изменяя его. Таким образом, в качестве топлива для ЩТЭ предпочтительно используется чистый водород. Как правило, электроды, состоящие из переходных металлов, используются с платиновым электрокатализатором как для анода, так и для катода; двухполярные пластины выполнены из металла.
В фосфорнокислом топливном элементе (ФКТЭ) используется фосфорная кислота высокой концентрации в качестве электролита, который удерживается в матрице, например, выполненной из карбида кремния и в основном платина используется в качестве электрокатализаторов. Ионы, перемещаемые в электролит, являются протонами. Обычная рабочая температура ФКТЭ находится в диапазоне от 150°С до 220°С в связи с тем, что концентрированная фосфорная кислота имеет высокую стабильность даже при этих сравнительно высоких температурах. При более низких температурах фосфорная кислота является слабым ионным проводником, и происходит отравление посредством СО платинового электрокатализатора. При более высоких рабочих температурах содержание до 1% СО в качестве растворителя является допустимым. Как правило, электроды, состоящие из углерода, используются как для анода, так и для катода; двухполярные пластины выполнены из графита. В связи с коррозионными свойствами фосфорной кислоты должны использоваться дорогие материалы, такие как графит. Основной областью применения ФКТЭ являются стационарные применения.
2
2
В топливном элементе на основе расплавленного карбоната (РКТЭ) используется соединение щелочных карбонатов в качестве электролита, который удерживается в матрице из LiАlO. Обычная рабочая температура РКТЭ составляет приблизительно от 600°С до 700°С, при этом щелочные карбонаты образуют расплав соли с высокой проводимостью, при этом ионы карбоната обеспечивают ионную проводимость. Анод обычно состоит из никеля, а катод - из оксида никеля, при этом межблочные соединения выполнены из нержавеющей стали или никеля. Электроды из никеля/оксида никеля обеспечивают достаточную активность при высокой рабочей температуре, таким образом, электрокатализатор не требуется. Топливо может содержать СО и углеводороды; кроме того, на катоде требуется источник СО, который может быть обеспечен посредством выпуска из анода. Основной областью применения РКТЭ являются стационарные применения.
2
2
3
2
2
3
2
2
В твердооксидном топливном элементе (ТОТЭ) используется твердый электролит, который представляет собой беспористый оксид металла, такой как 3%-10% диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ), то есть ZrO, стабилизированный YO, или СеО, легированный SmО (SDC), или СеО, легированный GdO (GDC). Обычная рабочая температура ТОТЭ зависит от материала электролита и составляет приблизительно от 500°С до 1100°С, при этом ионы кислорода обеспечивают ионную проводимость. Анод и катод обычно также содержат керамические материалы. Топливный электрод обычно выполнен из соединения металла и керамики с образованием металлокерамики, например, в основном металлокерамики на основе Ni-YSZ. Кислородный электрод обычно содержит электропроводный допированный перовскит или соединение перовскита и керамики с ионной проводимостью, например, YSZ или GDC. Обычные перовскиты, используемые в качестве катода, содержат комбинацию La, Sr, Со, Fe, Mn.
Двухполярные пластины обычно выполняют из нержавеющей стали. Дополнительная информация о возможных компонентах для катода, анода и электролита, а также для необязательных промежуточных слоев и катализаторов может быть найдена в документе US 7632586 В2, который включается в данное описание посредством ссылки.
2
2
2
2
Топливо может содержать наряду с водородом СО и другие углеводороды, такие как метан или аммиак, при этом только Н и СО легко подвергаются электрохимическому преобразованию. Другие топлива потребляются опосредованно или для них требуется этап диссоциации перед преобразованием. Кроме того, в ТОТЭ может допускаться использование топлива, которое разбавлено инертными газами, такими как N, СО, или паром. Углеводородами могут быть природный газ, бензин, дизельное топливо или также биогаз. Однако данный тип топливного элемента остается чувствительным к некоторым отравляющим элементам, содержащимся в топливах, таких как сера, в частности HS и COS, которые рассматриваются в качестве отравляющего вещества уже при концентрации выше 1 частицы на миллион.
Блок катод-анод-электролит мембраны элемента выполнен с двумя пористыми электродами, между которыми расположен электролит. Потоки воздуха вдоль катода, таким образом, перемещают молекулы кислорода на катод. Когда молекула кислорода контактирует с контактной поверхностью катод/электролит, она захватывает электроны с катода. Ионы кислорода диффундируют в материале электролита и перемещаются на другую сторону элемента, где они контактируют с анодом. Ионы кислорода сталкиваются с топливом на контактной поверхности анод/электролит и вступают в каталитическую реакцию, в результате которой образуется вода, диоксид углерода, тепло и электроны. Электроны подаются на внешний контур для обеспечения электрической энергии.
2
Основной областью применения ТОТЭ являются стационарные применения, такие как стационарная электрогенерация, передвижные энергоустановки, вспомогательные энергоустановки для транспортных средств, специальные применения. Как правило, удельные мощности, достигаемые ТОТЭ, находятся в диапазоне от 200 до 500 мВт/см для стационарных применений.
ТОТЭ представляет собой топливный элемент, который был подвергнут наиболее длительному непрерывному периоду разработки, начиная с конца 1950-х годов. В связи с тем, что предусмотрен твердый электролит, мембрана элемента может быть образована в виде ряда форм, например, трубчатых, плоских или монолитных форм. Электрический КПД в большой степени зависит от используемого топлива. При использовании водорода в качестве топлива может быть достигнут электрический КПД в диапазоне 45%-55% (LHV), с максимальным значением, близким к 60%, на уровне повторяющегося блока. При использовании метана в качестве топлива электрический КПД системы 60% может быть достигнут для электрического КПД набора, близкого к 70%. Кроме того, выбросы кислого газа или каких-либо твердых веществ являются незначительными.
Компоновка системы твердооксидного топливного элемента для генерирования электроэнергии путем соединения кислорода с активным газом, т.е. топливным газом, описана в документе WO 2006/048429. Твердооксидный топливный элемент имеет конфигурацию набора, содержащую слой электролита, расположенный между двумя электродами. Один из электродов при работе находится в контакте с кислородом или воздухом, другой электрод находится в контакте с топливным газом при рабочей температуре, находящейся в диапазоне от приблизительно 500°С до приблизительно 1100°С. Как правило, во время изготовления элемента используется опорный слой для вмещения слоя электрода и для предоставления дополнительной механической устойчивости элементов. Опорный слой может также функционировать в качестве токосъемника. Катод содержит перовскит, манганит лантана или стронция или диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия. Ионы кислорода образуются из газообразного кислорода, предоставленного на катод, которые перемещаются через слой электролита для соединения с газообразным водородом, предоставленным на анод. Анод содержит никель и/или диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия. На аноде образуется вода и образуются электроны, которые собираются в токосъемнике.
Одним из свойств систем топливного элемента является то, что их производительность почти не зависит от размера. Это означает, что могут быть разработаны небольшие, сравнительно высокоэффективные энергетические установки, начиная от бытовых установок комбинированного цикла мощностью в несколько киловатт до силовых установок с мощностью в несколько мегаватт.
Проблема, связанная с топливными элементами, в целом заключается в том, что одна мембрана элемента генерирует постоянный ток с напряжением порядка 1 В, которое является слишком небольшим для использования в жилищных или автомобильных применениях. По этой причине несколько мембран элемента объединяют в набор мембран элемента, последовательно электрически соединенных для обеспечения напряжения достаточной величины, для эффективного преобразования в переменный ток и использования в большинстве коммерческих применений.
Обычные наборы выполнены из мембран элемента в количестве от нескольких десятков до нескольких сотен, соединенных частично последовательно и параллельно, при этом некоторые конструкции содержат даже пару тысяч элементов.
Сборка набора из повторяющихся блоков должен, таким образом, с одной стороны, требовать как можно меньше этапов сборки, а с другой стороны, обеспечивать соответствующие рабочие условия для каждой из мембран элемента.
В связи с соединением повторяющихся блоков последовательно, любое ограничение производительности на одной мембране элемента может иметь существенные последствия на общую производительность набора, поскольку оно может ограничить общий ток, который может быть получен, и, таким образом, итоговую электрическую энергию.
Конструкция набора зависит от типа используемых мембран элемента. В первой основной группе наборов используются трубчатые мембраны элемента, такие как представлены в документе WO 01/91218 А2.
Во второй группе наборов используются плоские мембраны элемента, которые могут быть взаимно соединены посредством накладывания друг на друга. Принципиальная разница между ними касается типа и схемы подачи топлива и окислителя, или конфигурации газораспределения по электродам и их электрического контакта.
Первая концепция, которая была предложена, например, в документе ЕР 1864347 В1, представляет собой набор цилиндрической формы. Таким образом, мембрана элемента представляет собой дискообразную керамическую трехслойную мембрану, состоящую из положительного электрода, электролита и отрицательного электрода (блок КАЭ). Топливо подается в центральный канал и направляется радиально наружу, а кислородсодержащий газ подается с края и направляется к центральному каналу.
В документе US 2011/0269048 А1 изображена концепция набора на основе прямоугольных мембран элемента, где указанные мембраны прикреплены к газораспределительному блоку, имеющему впускные и выпускные патрубки для топлива, и где окислитель подается и извлекается с края указанного газораспределительного блока. Для улучшения газораспределения газа, протекающего через поверхность мембраны элемента, каналы для газа изогнуты. Ранее трубчатые коллекторы на участке для входа и выхода газа мембраны элемента представляли препятствие для потока газа, что приводило к неоднородной области потока газа, протекающего через мембрану элемента. Согласно документу US 2011/0269048 А1 были предложены изогнутые каналы для газа, которые направляют газ рядом с препятствиями к областям позади препятствий. Таким образом, может быть достигнуто более равномерное распределение потока газа и компенсируется отрицательное влияние препятствий на поток газа.
Подача реагирующего вещества и отведение раствора, описанные в документе ЕР 1864347 В1, требуют согласно документу US 7632586 В2 относительно сложного процесса изготовления соединительных пластин. Чтобы избежать этого, 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.
Кроме того, следует принимать во внимание эффекты расширения блока КАЭ и конструкции для подачи реагирующего вещества в блок КАЭ и отведения реагирующих веществ из него.
Кроме того, электроды и контактные поверхности после достижения избыточных температур стремятся к деградации.
Таким образом, требуется активное охлаждение блоков элемента в связи с экзотермической реакцией, которое может быть в основном достигнуто посредством воздушного охлаждения. Для ограничения температурных градиентов и избыточных разниц температур в блоке КАЭ и в газораспределительных конструкциях требуется надлежащее распределение охлаждающего воздуха в блоке 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 потреблением 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.
Дополнительным 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.
Проблема, связанная с набором топливных элементов из известного уровня техники, 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 искривлению 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.
Действие тепловой нагрузки может быть дополнительно уменьшено в основном посредством набора, имеющего аналогичную конфигурацию, как показано в документе US 6670068 В1. Таким образом, несколько блоков КАЭ находятся в электропроводном контакте с контактной пластиной и направляющий элемент для текучей среды образован в виде части из листового металла определенной формы и соединен 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 тепловое 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.
Дополнительное решение по уменьшению эффектов теплового напряжения и теплового расширения предоставлено в документе WO 2004/021488. Данное решение предусматривает систему из первого и второго пленочных элементов, окружающих проход для топлива. Блок КАЭ прикреплен к первому из пленочных элементов, при этом анод непосредственно прилегает к первому пленочному элементу на противоположной стороне прохода для топлива. Топливо попадает на анод путем прохождения первого пленочного элемента, который имеет перфорированные отверстия для этой цели. Второй пленочный элемент является непроницаемым для текучей среды и служит в качестве разделительного элемента для разделения потока топлива от потока кислородсодержащего газа, такого как воздух. Хороший электрический контакт обеспечивается путем предоставления проволочной сетки в проходе для топлива и путем предоставления дополнительной проволочной сетки на втором пленочном элементе на стороне, противоположной проходу для топлива. Опорная конструкция согласно документу WO 2004/021488, таким образом, может довольно свободно увеличиваться, и плотное присоединение блока КАЭ к пленочным элементам выступает в качестве теплорассеивающей конструкции.
В документах ЕР 1742285 А1, WO 96/34421, US 2008/0280177 A1 и ЕР 1830426 А1 раскрыты газораспределительные элементы. Одним недостатком таких газораспределительных элементов является то, что распределение газа негомогенно, так что может возникнуть нехватка топлива в определенных областях блока катод-анод-электролит, и риск локального перегрева возрастает.
Таким образом, целью настоящего изобретения является улучшение существующих топливных элементов, выполнение их более надежными и обеспечение более дешевого изготовления.
Сущность настоящего изобретения
Цель настоящего изобретения достигается посредством газораспределительного элемента для топливного элемента или электролизного устройства, имеющего повышенную производительность, в частности, посредством твердооксидного топливного элемента, дополнительно называемого как ТОТЭ, или твердооксидного электролизного устройства, дополнительно называемого как ТОЭЯ, имеющего газораспределительный элемент. В частности, настоящее изобретение обеспечивает однородное распределение активного газа на отрицательном топливном электроде, что является предпочтительным для производительности топливного элемента, в частности, ТОТЭ или ТОЭЯ. Кроме того, это улучшает распределение температур на электроде и, следовательно, на блоке элемента, содержащего блок катод-электролит-анод.
Решение согласно настоящему изобретению является предметом пункта 1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы 2-13 относятся к дополнительным предпочтительным конфигурациям или вариантам осуществления настоящего изобретения. Пункт 14 формулы изобретения относится к топливному элементу или электролизному устройству. Пункт 15 формулы изобретения относится к способу эксплуатации газораспределительного элемента топливного элемента или электролизного устройства.
Газораспределительный элемент для топливного элемента или электролизного устройства обеспечивает соответствующее распределение активного газа на топливном электроде топливного элемента, а также нормальный электрический контакт с последним. Таким образом, настоящее изобретение 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. Таким образом, 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 или двухполярных пластин.
Таким образом, газораспределительный элемент для топливного элемента, в частности твердооксидного топливного элемента, или электролизного устройства, содержит первый слой и второй слой, при этом указанные первый и второй слои имеют газораспределительную конструкцию, образующую конфигурацию для потока текучей среды для первой реагирующей текучей среды и, наконец, второй реагирующей текучей среды.
Второй слой является гомогенизирующим элементом, который имеет первые прорези, при этом, по меньшей мере, некоторые из первых прорезей имеют длину и ширину, где длина больше, чем ширина, и длина проходит в поперечном направлении относительно основного направления потока текучей среды. Таким образом, указанная конфигурация содержит, в частности, несколько каналов, при этом второй слой содержит прорези, которые имеют длину, проходящую в поперечном направлении относительно основного направления потока. Газораспределительная конструкция также содержит прорези, которые образуют конфигурацию канальных конструкций или системы каналов.
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.
2
2
2
2
2
2
4
2
2
Когда газораспределительный элемент функционирует в топливном элементе, первый электрод является катодом, а второй электрод является анодом, и поток реагирующей текучей среды направляется в катод. Для топливных элементов или электролизирующих устройств может использоваться несколько реагирующих текучих сред, по меньшей мере первая реагирующая текучая среда и вторая реагирующая текучая среда. Первая реагирующая текучая среда является текучей средой, которая может реагировать с О в экзотермической реакции в режиме функционирования топливного элемента или может диссоциировать в эндотермической реакции при образовании О в режиме электролиза. Как правило это может быть любая смесь Н, N, НО, СО, СО, аммиака, СН и любых других гидрокарбонатных газов. Смесь газа может варьировать в зависимости от функционирования в качестве топливного элемента или электролизирующего устройства и от типа топливного элемента. Вторая реагирующая текучая среда является О-содержащим газом, предпочтительно воздухом. В случае электролизирующего устройства, следует отметить, что необязательно требуется внешняя подача этого О-содержащего газа.
Для твердооксидного топливного элемента или электролизного устройства очень важно, чтобы реагирующая текучая среда равномерно распределялась на и распространялась по соответствующему электроду с целью увеличения эффективности и обеспечения надежной работы. На практике, это требует, чтобы газораспределительная конструкция, выполненная в виде канальной системы или пористой конструкции, проявляла равномерное сопротивление газовому потоку, и, соответственно, равномерное падение давления. Для канальной системы, как правило, это требует очень точной геометрии, включая очень жесткие производственные допуски и, следовательно, влечет за собой большие затраты.
Гомогенизирующий элемент может содержать вторые прорези. В частности, вторые прорези имеют длину и ширину, где длина больше, чем ширина, и ширина проходит в направлении поперечном основному направлению текучей среды. Эти первые или вторые прорези могут образовывать канальные конструкции, которые расположены, в частности, под прямым углом или наклонены в направлении каналов, расположенных в первом слое. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что текучая среда, протекающая внутрь газораспределительной конструкции, образующей, в частности, прорезь в первом слое, может направляться посредством газораспределительной конструкции, расположенной на первом слое, в направлении прорези второго слоя. Прорези первого и второго слоев обеспечивают магистраль для текучей среды и, следовательно, проход для текучей среды образуется поверх или поперек газораспределительной конструкции. Когда соответствующая реагирующая текучая среда протекает через или сквозь газораспределительную конструкцию первого слоя, она попадает в прорезь второго слоя над газораспределительной конструкцией первого слоя, т.е. она попадает в прорезь второго слоя над газораспределительной конструкцией первого слоя и распределяется внутри канала в первом слое и затем продолжается за газораспределительной конструкцией, и соседние прорези первого слоя ввиду того, что предусмотрены первые прорези, которые имеют длину и ширину, и их длина больше, чем их ширина, а их длина проходит в поперечном направлении к основному направлению потока текучей среды.
Первые или вторые прорези во втором слое, в частности, могут быть выполнены в виде углублений, которые имеют прямоугольное, квадратное или круглое поперечное сечение. Газораспределительная конструкция образует конфигурацию для потока текучей среды первого слоя, которая может содержать по меньшей мере один из каналов, прерывающихся каналов, трехмерных конструкций, в частности, выступы, такие как штыри, решетчатые конструкции или пеноконструкции, такие как сплошные или прерывистые пеноконструкции. Эти конструкции могут быть изготовлены из сплошного или пористого металла или проводящей керамики. Предпочтительно конструкция канала состоит из предусмотренных одного листа или пары листов, которые образуют газораспределительный элемент со вторым слоем или гомогенизирующим слоем.
Электрический контакт между различными слоями газораспределительного элемента можно получить посредством механического контакта, сварки, пайки или тонких контактных слоев.
2
2
2
Каждый из первого или второго слоев может служить как катод, так и электрод. Их функция может меняться в зависимости от природы электролита или работы газораспределительного элемента для топливного элемента или электролизного устройства. Первое реагирующее вещество имеет большое содержание кислорода, например воздух. Второе реагирующее вещество содержит по меньшей мере один из элементов: Н, СО, СО, НО, аммиак или газы, содержащие углерод.
Может быть предусмотрен третий слой, который является, в частности, базовым слоем. Кроме того, может быть выполнен опорный слой, который, в частности, используется в качестве газораспределительного слоя для кислородного электрода.
Газораспределительный элемент имеет следующие преимущества:
Гомогенизирующий элемент позволяет исправлять дефекты в геометрии газораспределительной конструкции первого слоя. Таким образом, для первого и второго слоев применимы малозатратные производственные процессы, при этом поддерживается высокое качество газораспределения. В дополнение, наборы могут изготавливаться в различных конфигурациях с различными площадями основания. Система топливного элемента или электролизное устройство может быть приспособлено для различного применения в зависимости от потребностей. Под площадью основания следует понимать все размеры длины и ширины основания набора топливных элементов.
2
В одном варианте осуществления на модуле набора на испытаниях в Швейцарском федеральном технологическом институте (EPFL) было получено 65% электрической эффективности на основе низшей теплотворной способности топлива. Набор был заправлен метаном после парового риформинга (с отношением пар-углерод, составляющим 2) и функционировал при 750°С с плотностью потока энергии 250 мВт/см.
С таким полезным действием распределенное генерирование электричества в киловаттных блоках, использующих ТОТЭ технологию более эффективно, чем централизованное генерирование в мегаваттных установках, использующих наилучшие из доступных парогазовых турбин (CCGT).
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. Таким образом, блоки используются в качестве альтернативного источника электрической энергии для домов, которые содержат по меньшей мере 0,5 кВт-ный набор и предпочтительно 2,5 кВт-ный набор.
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.
Способ эксплуатации газораспределительного элемента для топливного элемента или электролизного устройства включает следующие этапы: протекание первой реагирующей текучей среды вдоль первой стороны газораспределительного элемента, протекание второй реагирующей текучей среды вдоль второй стороны газораспределительного элемента и предоставление посредством первой или второй реагирующей текучей среды реагирующих веществ, ионов, переносящих заряд, и электронов в блок катод-анод-электролит на каждую его сторону, так что ионы, переносящие заряд, могут проходить через электролит для осуществления электрохимической реакции. Газораспределительный элемент содержит первый слой и второй слой, при этом указанные первый и второй слои имеют газораспределительную конструкцию, образующую конфигурацию для потока текучей среды, при этом второй слой представляет собой гомогенизирующий элемент, который имеет первые прорези или вторые прорези, которые имеют длину и ширину, при этом длина больше ширины, а длина, по меньшей мере, некоторых из первых прорезей проходит в поперечном направлении относительно основного направления потока текучей среды, так что поток через гомогенизирующий элемент равномерно распределяется по поверхности второго слоя. Таким образом, реакционноспособная поверхность в основном соответствует поверхности газораспределительного элемента и электрохимические реакции осуществляются равномерно по всей поверхности гомогенизирующего элемента.
Основные применения ТОТЭ относятся к областям дистанционного питания, распределенному генерированию энергии, комбинированной выработке тепла и электроэнергии (CHP), 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 газораспределительного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 3 представлен вид в поперечном сечении блока элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 4 представлен вид в разобранном положении блока элемента согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 4А представлен увеличенный вид опорного слоя,
на фиг. 4В представлен вид в разобранном положении дополнительного варианта осуществления газораспределительного элемента,
на фиг. 4С представлен вид в разобранном положении дополнительного варианта осуществления 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. 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. 6К, 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.
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 правильной скоростью потока в топливный элемент, 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 7632586 В2, 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 (CHP). 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 7632586 В2 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. Максимальное преобразование топлива 94% было достигнуто с производительностью, достигающей 61% с применением водорода в качестве топлива и 69% с применением 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 7632586 В2.
Для распределения реагирующих веществ предусмотрен газораспределительный элемент 10, который подробно изображен на фиг. 2. Газораспределительный элемент расположен между двумя соседними блоками 5 катод-анод электролит. Под блоком 50 элемента следует понимать блок, состоящий из блока 5 катод-анод-электролит и газораспределительного элемента 10.
Газораспределительный элемент 10 используется для предоставления, по меньшей мере, горючего газа в соответствующий электрод. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления газораспределительный элемент 10 также используется для предоставления реагирующего вещества, содержащего кислород, то есть окисляющего средства, и топлива, то есть горючего газа, в соответствующий электрод. В данном варианте осуществления газораспределительный элемент 10 используется для предоставления первой реагирующей текучей среды, которая имеет высокое содержание кислорода, и второй реагирующей текучей среды, которая содержит топливо, в соответствующий электрод. 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 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 блока 50 топливного элемента, который в данном документе также называется как блок 50 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 предоставления реагирующего вещества, содержащего кислород, в положительный кислородный электрод 51 блока 5 КАЭ катод-анод-электролит и второго реагирующего вещества, содержащего топливо, в его отрицательный электрод 53. Такой газораспределительный элемент 10 предпочтительно содержит опорный слой, при этом опорный слой 4 содержит проводящие каналы для текучей среды, предназначенные для реагирующего вещества, содержащего кислород.
2
2
2
В большинстве случаев содержащее кислород реагирующее вещество является воздухом, тем не менее, в газораспределительный элемент 10 также может подаваться чистый кислород или кислородсодержащий газ. Второе реагирующее вещество, горючий газ, содержит любую смесь Н, СО, НО, СО, метана, аммиака, других углеводородов или необязательных растворителей.
В предпочтительном варианте осуществления второе реагирующее вещество (топливо) распределяется внутри газораспределительного элемента 10. Отрицательный электрод 53 блока 5 КАЭ катод-анод-электролит, таким образом, обращен ко второму слою 3 газораспределительного элемента 10.
Газораспределительный элемент 10 может быть предусмотрен для топливного элемента ПЭТЭ, ЩТЭ или РКТЭ, таким образом, его применение ни в коей мере не ограничено ТОТЭ. Газораспределительный элемент 10 также может быть использован для работы электролизного устройства в обратном порядке.
Газораспределительный элемент 10 объединяет три основных функции набора 103 топливных элементов: он осуществляет токосъем с электродов 51, 53; он распределяет реагирующее вещество, в частности, топливо и также предпочтительно кислородсодержащий газ между элементами и в них; и он содержит базовый элемент 1, целью которого является уплотнение проходов для реагирующего вещества относительно друг друга и от окружающей среды. Базовый элемент 1 также называется двухполярной пластиной.
Газораспределительный элемент 10, 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, 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, например, графита, формования, порошковой металлургии. 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, приклеивание или реакционное связывание или любая их комбинация, для электрического контакта и/или уплотнения.
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 газораспределительный элемент 10 согласно второму варианту осуществления изобретения.
Газораспределительный элемент 10 согласно второму варианту осуществления, показанному на фиг. 3, состоит из базового слоя 1, второго слоя 3 и первого слоя 2. Первый слой 2 также содержит прорези; однако сечение расположено таким образом, что вырезанные части прорезей не видны на фиг. 3. Блок 5 катод-анод-электролит состоит из первого электрода 51, второго электрода 53 и электролита 52, расположенного 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. В дополнительном варианте осуществления блок 50 элемента может также содержать опорный слой 4 для подачи первой реагирующей текучей среды, 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 представлен в разобранном положении газораспределительного элемента 10 и блока 5 катод-анод-электролит согласно третьему варианту осуществления изобретения. Блок 5 катод-анод-электролит состоит из первого электрода 51, второго электрода 53 и электролита 52, расположенного между первым и вторым электродами 51, 53. Обычно керамический 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.
Газораспределительный элемент 10 для топливного элемента 50 или электролизного устройства содержит базовый слой 1, первый слой 2 и второй слой 3; указанные 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.3 показан вид в разрезе газораспределительного элемента 10 по линии С-С. 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 также 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 опорный слой 4 может быть расположен на стороне базового слоя 1 или может быть соединен с базовым слоем 1. В предпочтительном варианте осуществления опорный слой 4 имеет форму второго газораспределительного элемента. На фиг. 4 показан путь потока окисляющего средства О, опорный слой, имеющий каналы 20. На фиг. 4А показан увеличенный вид предпочтительной конструкции опорного слоя 4, при этом путь потока окисляющего средства О разделяется на два пути О1, О2 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 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. 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, 9 с 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. 5 показан частичный вид сверху первого и второго слоев 2, 3 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. 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 газораспределительный элемент 10, в котором каждый из каналов 13, К1…К6 имеет идентичную ширину, идентичную высоту и идентичное сопротивление потока, так что каждый из потоков 9а, 9b, 9с, 9d, 9е, 9f горючего газа имеет приблизительно одинаковую скорость потока и приблизительно одинаковую 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, 9 с; 9d, 9e, 9f горючего газа, как описано, первые прорези 15 также имеют такой эффект, что в первая прорезь 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 К1…К6 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 различные скорости потока. 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 скорости потока 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 может значительно варьировать в зависимости от различных форм каналов К1…К6. 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 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 одинаковую скорость потока. Несколько прорезей 15 расположены и разнесены друг от друга в направлении 9 потока.
На фиг. 6Н показан вид сверху 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 различные скорости потока. 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 скорости потока между потоками 9а, 9b, 9с; 9d, 9е, 9f газа снижается. 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. 6I 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 различные скорости потока. В отличие от варианта осуществления, изображенного на фиг. 6Н, прорези 15 в варианте осуществления согласно фиг. 6I имеют различную длину 28 и, таким образом, могут соединять по текучей среде два, три, четыре или даже больше параллельно проходящих каналов К1…К6. 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 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 скорости потока 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 приходит в соответствие.
На фиг. 6К 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 структурах. 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 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 газораспределительный элемент 10 и опорный слой 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, каналов 13, расположенных 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 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, при этом пути O1 потока, являющийся окисляющим средством, обеспечивают блок 5 катод-анод-электролит окисляющим средством O3. Путь O2 потока служит в качестве средства для охлаждения для охлаждения базового слоя 1 и/или блока 5 катод-анод-электролит.
На фиг. 8В показан вид в сечении схематического вида сбоку набора 103 топливного элемента, содержащего четыре газораспределительных элемента 10 и три блока 5 катод-анод-электролит, а также соответствующего опорного слоя 4 между ними. Окисляющее средство О подают на одну сторону всех опорных слоев 4, при этом окисляющее средство О затем разделяется с образованием двух отдельных путей O1, O2 потока вдоль опорных слоев 4, и два отдельных пути O1, O2 потока объединяются после выхода из опорных слоев 4, и пути потока всех опорных слоев 4 также объединяются в один путь потока, который выходит из набора 103 топливных элементов.
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%.
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 газораспределительном элементе 10 топливного элемента является то, что 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 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 еще одном предпочтительном этапе способа, по меньшей мере, некоторые из первых прорезей 15 проходят перпендикулярно направлению потока 9, так что горючий газ меняет направление потока при протекании через первые прорези 15.
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 7632586 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 7632586 В2.