Батарея топливных элементов

Авторы патента:


 

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является обеспечение равномерности плотности тока и подвода реагентов по всей поверхности топливных ячеек и равномерного температурного поля в пределах батареи, что обеспечивает высокую эффективность и большой ресурс работы батареи, а наличие однотипных топливных ячеек упрощает изготовление и сборку батареи. Для этого предложена батарея топливных элементов, состоящая из топливных ячеек, содержащих тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, вставленных в обойму с расточкой, охватывающей топливную ячейку, с токосъемниками и электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов, причем топливные ячейки выполнены прямоугольными, плоская обойма прямоугольной формы с внутренней электродной камерой выполнена с прямоугольными расточками для топливных ячеек на внешних противоположных сторонах и нанесенными на промежутки между соседними расточками с наружной стороны обоймы токосъемниками, обеспечивающими последовательное соединение топливных ячеек, обоймы в верхней и нижней частях выполнены с каналами по ширине топливной ячейки и установлены в прямоугольные расточки верхнего и нижнего коллекторов, обеспечивающих подвод и отвод восстановительного или окислительного газообразных реагентов в электродные камеры, а коллекторы выполнены с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов, топливные ячейки прямоугольной формы установлены в расточки обоймы длинной стороной друг к другу, а электродное покрытие внутренней стороны топливной ячейки переходит на торец топливной ячейки, где подсоединено к токосъемнику предыдущей нижней расточки, а электродное покрытие внешней стороны топливной ячейки подсоединено к токосъемнику последующей верхней расточки. Кроме того, высота топливных ячеек составляет 10÷15 мм, ширина топливных ячеек превышает высоту в 6÷15 раз, а количество топливных ячеек с одной стороны обоймы составляет 8÷16 шт. 1 н.п.ф., 2 з.п.ф., 10 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Известны технические решения по конструкции ТОТЭ, например, пат. РФ 2290726, в котором батарея состоит из пакета чередующихся пластин с топливными элементами прямоугольной формы, расположенных в обоймах сложного профиля, и пластин разделения газовых потоков со сквозными отверстиями подвода и отвода реагентов через каналы, образованные сочетанием пластин. Недостатками такого технического решения являются низкая объемная плотность мощности, сложная конфигурация пластин, наличие значительного количества разнородных деталей, что усложняет конструкцию и снижает ресурс работы.

Известно техническое решение (пат. РФ 2084053), принятое за прототип, в соответствие с которым батарея топливных элементов состоит из топливных ячеек, содержащих тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, вставленных в обойму с расточкой, охватывающей топливную ячейку, с токосъемниками и электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов.

Недостатками данного технического решения являются невозможность обеспечения одинаковой плотности тока и равномерного подвода реагентов по всей поверхности топливных ячеек при произвольном их размере, что снижает эффективность батареи, и сложность обеспечения равномерного температурного поля топливных ячеек, что может привести к короблению топливных ячеек и выходу их из строя. Недостатком является также необходимость изготовления двух групп топливных ячеек с разным расположением электродных покрытий, что усложняет процесс изготовления и сборки батареи.

Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является обеспечение равномерности плотности тока и подвода реагентов по всей поверхности топливных ячеек и равномерного температурного поля в пределах батареи, что обеспечивает высокую эффективность и большой ресурс работы батареи, а наличие однотипных топливных ячеек упрощает изготовление и сборку батареи.

Для достижения указанного результата предложена батарея топливных элементов, состоящая из топливных ячеек, содержащих тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, вставленных в обойму с расточкой, охватывающей топливную ячейку, с токосъемниками и электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов, причем топливные ячейки выполнены прямоугольными, плоская обойма прямоугольной формы с внутренней электродной камерой выполнена с прямоугольными расточками для топливных ячеек на внешних противоположных сторонах и нанесенными на промежутки между соседними расточками с наружной стороны обоймы токосъемниками, обеспечивающими последовательное соединение топливных ячеек, обоймы в верхней и нижней частях выполнены с каналами по ширине топливной ячейки и установлены в прямоугольные расточки верхнего и нижнего коллекторов, обеспечивающих подвод и отвод восстановительного или окислительного газообразных реагентов в электродные камеры, а коллекторы выполнены с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов, топливные ячейки прямоугольной формы установлены в расточки обоймы длинной стороной друг к другу, а электродное покрытие внутренней стороны топливной ячейки переходит на торец топливной ячейки, где подсоединено к токосъемнику предыдущей нижней расточки, а электродное покрытие внешней стороны топливной ячейки подсоединено к токосъемнику последующей верхней расточки. Кроме того, высота топливных ячеек составляет 10÷15 мм, ширина топливных ячеек превышает высоту в 6÷5 раз, а количество топливных ячеек с одной стороны обоймы составляет 8÷16 шт.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что обеспечивается равномерность плотности тока и подвода реагентов по всей поверхности топливных ячеек и равномерное температурное поле в пределах батареи, что обеспечивает высокую эффективность и большой ресурс работы батареи, а наличие однотипных топливных ячеек упрощает изготовление и сборку батареи.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемой батареи топливных элементов, где

1 - обойма,

2 - верхний коллектор,

2 - нижний коллектор,

4 - штуцера подвода и отвода реагентов.

На фиг. 2 приведен разрез батареи по А-А, где

5 - топливная ячейка.

На фиг. 3 приведен вид сбоку батареи, где

6 - токосъемники.

На фиг. 4 приведен вырыв по И батареи, где

7 - электродная камера,

8 - каналы подвода и отвода реагентов,

9 - расточка нижнего коллектора,

10 - внутренний канал коллектора.

На фиг. 5 приведен вид на обойму с топливными ячейками.

На фиг. 6 приведен разрез обоймы по Г-Г, где

11 - электродные покрытия топливной ячейки.

На фиг. 7 приведен разрез обоймы по Д-Д.

На фиг. 8 приведен разрез обоймы по Е-Е.

На фиг. 9 приведен вид обоймы без топливных ячеек, где

12 - расточка обоймы.

На фиг. 10 приведен разрез по Ж-Ж обоймы без топливных ячеек.

Предлагаемая батарея топливных элементов (фиг. 1) состоит из набора обойм 1, установленных между верхним 2 и нижним 3 коллекторами, имеющими штуцера подвода и отвода реагентов. В обоймах 1 установлены топливные ячейки 5 (фиг. 2), соединенные между собой токосъемниками 6 (фиг. 3). Обоймы выполнены с внутренними электродными камерами 7 (фиг. 4), соединенными каналами подвода и отвода реагентов 8 через расточки 9 коллектора с внутренним каналом 10 коллекторов 2 и 3.

Топливные ячейки 5 выполнены с электродными покрытиями 11 (фиг. 6), причем (фиг. 8) электродное покрытие 11 внутренней стороны топливной ячейки 5 переходит на торец топливной ячейки, где подсоединено к токосъемнику 6 предыдущей нижней расточки 12 (фиг. 9 и 10) обоймы 1, а электродное покрытие 11 внешней стороны топливной ячейки 5 подсоединено к токосъемнику 6 последующей верхней расточки 12 обоймы 1.

Предлагаемая батарея топливных элементов работает следующим образом. Окислительный и восстановительный реагенты подаются один через штуцер подвода 4, внутренний канал 10 и расточку 9 нижнего коллектора 3, каналы подвода 8 в электродные камеры 7 обойм 1 к внутренним электродным покрытиям 11 топливных ячеек 5, а второй реагент омывает обоймы 1 снаружи, реагируя на внешних электродных покрытиях 11 топливных ячеек 5. Возникающее при этом напряжение снимается токосъемниками 6, соединяющими последовательно топливные ячейки 5 с каждой стороны обоймы 1, и отводится от батареи потребителю. Продукты реакции отводятся из электродных камер 7 через каналы 8 во внутренний канал 10 верхнего коллектора 2.

Оптимизация конструктивных параметров предлагаемой батареи показала, что максимальная объемная плотность мощности достигается при высоте топливных ячеек 10÷15 мм, что обеспечивает равномерную плотность тока по поверхности топливной ячейки, ширине топливных ячеек в 6÷15 раз больше высоты и количестве топливных ячеек с одной стороны обоймы 8÷16 шт.

Таким образом, батарея топливных элементов за счет обеспечения равномерности плотности тока и подвода реагентов по поверхности топливных ячеек и равномерного температурного поля в пределах батареи обеспечивает высокую эффективность и большой ресурс работы батареи. Наличие однотипных топливных ячеек упрощает изготовление и сборку батареи.

1. Батарея топливных элементов, состоящая из топливных ячеек, содержащих тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, вставленных в обойму с расточкой, охватывающей топливную ячейку, с токосъемниками и электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов, отличающаяся тем, что топливные ячейки выполнены прямоугольными, плоская обойма прямоугольной формы с внутренней электродной камерой выполнена с прямоугольными расточками для топливных ячеек на внешних противоположных сторонах и нанесенными на промежутки между соседними расточками с наружной стороны обоймы токосъемниками, обеспечивающими последовательное соединение топливных ячеек, обоймы в верхней и нижней частях выполнены с каналами по ширине топливной ячейки и установлены в прямоугольные расточки верхнего и нижнего коллекторов, обеспечивающих подвод и отвод восстановительного или окислительного газообразных реагентов в электродные камеры, а коллекторы выполнены с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов.

2. Батарея топливных элементов по п. 1, отличающаяся тем, что топливные ячейки прямоугольной формы установлены в расточки обоймы длинной стороной друг к другу, а электродное покрытие внутренней стороны топливной ячейки переходит на торец топливной ячейки, где подсоединено к токосъемнику предыдущей нижней расточки, а электродное покрытие внешней стороны топливной ячейки подсоединено к токосъемнику последующей верхней расточки.

3. Батарея топливных элементов по п. 1, отличающаяся тем, что высота топливных ячеек составляет 10÷15 мм, ширина топливных ячеек превышает высоту в 6÷15 раз, а количество топливных ячеек с одной стороны обоймы составляет 8÷16 шт.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:
Наверх