Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент

Авторы патента:


Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент
Конструкция для закрепления батареи топливных элементов и твердооксидный топливный элемент

 


Владельцы патента RU 2442247:

Топсеэ Фюэль Селл А/С (DK)

Изобретение относится к конструкции для закрепления батареи плоских твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), к батарее твердооксидных топливных элементов и способу сжатия батареи. Согласно изобретению конструкция для закрепления батареи плоских твердооксидных топливных элементов содержит гибкую пластину и жесткий теплоизолирующий концевой блок, причем гибкая пластина выполнена с возможностью сгибания в основном в выпуклую форму, причем жесткий теплоизолирующий концевой блок имеет форму прямоугольного основания с плоской поверхностью и противоположной поверхностью, которая имеет в основном выпуклую форму, при этом гибкая пластина расположена смежно противоположной поверхности твердого теплоизолирующего концевого блока и при этом гибкая пластина согнута для получения формы, которая является в основном выпуклой. Техническим результатом является равномерное распределение сжимающих сил во время работы батареи ТОТЭ, снижение массы и объема. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

ОПИСАНИЕ

Изобретение относится к конструкции для закрепления батареи твердооксидных топливных элементов. Более конкретно, данное изобретение относится к батарее плоских твердооксидных топливных элементов, которые сжимают с применением конструкции для закрепления, которая включает четырехстороннюю плоскую гибкую пластину.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Батарея плоских твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) состоит из повторяющейся последовательности твердооксидных топливных элементов, через которые создается электрическое напряжение, чередующихся с межкомпонентными соединениями.

Батарея обычно включает от 5 до 200 топливных элементов и состоит из последовательности топливных элементов, содержащих анод, катод и твердооксидный электролит, где каждый элемент чередуется с межкомпонентным соединением. Топливные элементы снабжены топливом и окислителем с помощью системы коллектора через систему внутренних каналов. Топливо и окислитель распределяются от слоя к слою в батарее топливных элементов с помощью системы каналов. Во время работы электрохимическое напряжение создается сквозь отдельные топливные элементы. Межкомпонентное соединение служит для подачи окислителя и топлива в топливные элементы по отдельным каналам и для сбора электронов из одного топливного элемента и передачи их на смежный топливный элемент.

Стенки системы внутренних каналов должны быть газонепроницаемыми для того, чтобы избежать утечек газа во внешнюю среду или несвоевременного смешивания окислителя и топлива. Это обеспечивается применением изолирующего материала из, например, стекла и/или обеспечением однородного и непосредственного соединения между топливными элементами и взаимосвязью доступных уплотняющих поверхностей.

Свойства газонепроницаемости и желаемый электрический контакт между топливными элементами и межкомпонентными соединениями обеспечиваются в батарее ТОТЭ сжатием топливных элементов и межкомпонентных соединений вместе с применением строго определенной сжимающей силы при использовании конструкции для закрепления. В некоторых случаях требуемая сжимающая сила может достигать 100 Н/см2 на поверхности каждого топливного элемента во время работы батареи топливных элементов. Величина сжимающей силы зависит от фактической конструкции межкомпонентного соединения и топливного элемента и от давления газа во время работы. Сжимающую силу применяют на концевых поверхностях батареи.

Батарея ТОТЭ обычно работает при температуре 600-850°С. Такие высокие температуры создают проблему при разработке механической конструкции для закрепления, требуемой для создания сжимающих сил такой величины.

Важно, чтобы сжимающая сила действовала на площади поверхности, соответствующей площади поверхности топливного элемента в батарее. Внутренние секции концевых поверхностей батареи должны быть сжаты для поддержания электрического контакта, и периметры концевых поверхностей должны быть сжаты для того, чтобы сделать батарею газонепроницаемой. Обычно топливные элементы имеют площади поверхностей 80-1000 см2, и могут потребоваться сжимающие силы вплоть 100000 Н.

Различные типы конструкций для закрепления или устройств известны, например устройства с применением лент для сжатия батарей плоских топливных элементов. В патенте США №5993987 описана батарея топливных элементов, содержащая, по меньшей мере, одну ленту, описывающую концевые пластины и расположенные между ними электрохимические топливные элементы. Упругий элемент, взаимодействующий с лентой, стягивает концевые пластины по направлению друг к другу, тем самым прикладывая сжимающую силу к топливному элементу, чтобы способствовать герметизации и электрическому контакту между слоями, образующими батарею топливных элементов.

В патентной заявке США №2006093890 описана батарея топливных элементов, поддерживаемая в сжатом состоянии ленточным узлом, который включает сжимающую ленту, продолжающуюся вокруг концевых пластин батареи топливных элементов.

Традиционные конструкции для закрепления основаны на сжатии металлических плоских фланцев концевых пластин, расположенных на каждой концевой поверхности батареи ТОТЭ, и продолжаются за площадь поверхности, образованную топливными элементами батареи в батарее. Два фланца концевых пластин соединены друг с другом по их периметру с внешней стороны топливного элемента посредством конструкции для закрепления, состоящей из стяжек, отрезков труб, пружин и гаек для создания сжимающей силы в батарее.

Силы, возникающие в стяжках, могут быть установлены с помощью эластичности стяжек с применением дисковых пружин, спиральных пружин, газовых пружин или с применением пневматических или гидравлических цилиндров.

Батареи ТОТЭ обычно работают при температурах 600-850°С. При таких температурах большинство металлических материалов, подвергнутых механическому напряжению, деформируются со временем. Поэтому предпочтительно держать металлические секции, которые подвергнуты механическому напряжению, при наименьшей возможной температуре.

Стяжки обычно вставляют через два плоских фланца концевых пластин, затем через участки трубок определенной длины, продолжающиеся за батарею ТОТЭ, и через пружины, расположенные на концах участков трубок. Участки трубок действуют как распорки для отделения пружин от батареи топливных элементов таким образом, чтобы пружины подвергались менее жестким рабочим температурам, чем высокие температуры, достигаемые при работе батареи. Гайки, расположенные после пружин, применяют для соединения этих компонентов и регулирования сжимающей силы, прикладываемой к батареи ТОТЭ.

Во время работы батареи ТОТЭ стяжки имеют температуру, приблизительно эквивалентную температуре работы батареи. Напряжение, создаваемое в стяжках, вызывает деформацию стяжек.

Во время работы батареи ТОТЭ плоские фланцы концевых пластин также подвергаются механическому натяжению под влиянием сил, возникающих в обеих стяжках крепления и батарее, вызывая деформацию плоских фланцев. Плоские фланцы поэтому стремятся принять выпуклую форму.

В альтернативной конструкции для закрепления стяжки и плоских фланцев концевых пластин во время работы имеют гораздо более низкую температуру, чем температура работы батареи ТОТЭ. Это становится возможным с помощью теплоизоляции батареи ТОТЭ по всем сторонам батареи с применением изоляционного материала. Размещение дополнительного изоляционного материала на всех концах батареи, которые находятся рядом с плоскими концевыми пластинами, позволяют переносить сжимающую силу, возникающую при сжатии, через дополнительный изоляционный материал. Стяжки и плоские фланцы концевых пластин, таким образом, испытывают большее напряжение перед возникновением нежелательной деформации. Недостатки такого типа креплений с применением стяжек связаны с тем, что плоские фланцы концевых пластин, расположенных на каждой концевой поверхности батареи ТОТЭ, продолжаются за площадь поверхности, образованную топливными элементами в батарее. Каждый плоский фланец концевой пластины подвергается действию сгибающей силы, под действием механических сил, происходящих от стяжек и батареи.

Эти нежелательные эффекты вызывают уменьшение сжимающей силы по всей батарее или неравномерное распределение сжимающей силы по батарее, что приводит к ослаблению электрического контакта и/или к тому, что батарея становится менее газонепроницаемой и становятся возможными утечки газа в окружающую среду.

Поэтому применяемые фланцы должны иметь значительную толщину, обычно 5-20 мм, для того, чтобы абсорбировать эти силы и свести к минимуму деформацию фланцев, одновременно предотвращая утечку газа и потерю электрического контакта в батарее.

В патентной заявке WO №2006/012844 описана батарея топливных элементов из твердооксидных топливных элементов с устройством для закрепления и теплоизолирующим устройством. Теплоизолирующее устройство расположено между топливными элементами и устройством для закрепления, которое включает элементы распределения давления в форме плоских пластин, которые параллельны друг другу, полусферической оболочке или полуцилиндрической форме. Элементы распределения давления обеспечивают равномерное распределение давления по всей поверхности теплоизолирующих элементов.

Подробная конструкция элементов распределения давления не представлена, но в данной области техники известно применение плоских пластин из металла. Далее, применение полусферических оболочек подразумевает применение жесткого или твердого материала в форме полусферы.

В общем, элементы распределения давления в форме плоских пластин производят из металла. Распределяющие давление оболочки или цилиндры из металла могут быть получены процессами формовки металла, такими как глубокая вытяжка, которая является более сложным процессам, чем процесс, применяемый для получения плоских пластин.

Экономия, связанная с твердооксидными топливными элементами, является значительной, и поэтому существует постоянная необходимость в снижении затрат на батареи ТОТЭ без потери химических и/или физических свойств различных компонентов батареи.

Более того, также существует необходимость в компонентах твердооксидных топливных элементов, которые имеют приемлемые физические свойства, снижая при этом массу и/или объем батареи.

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении конструкции для закрепления плоских батарей ТОТЭ, которая позволяет избежать неравномерного распределения сжимающих сил во время работы батареи ТОТЭ.

Другая задача данного изобретения состоит в обеспечении плоской батареи ТОТЭ, имеющей пониженную массу и объем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к конструкции для закрепления батареи плоских твердооксидных топливных элементов, содержащей плоскую гибкую пластину и жесткий теплоизолирующий концевой блок, где плоская гибкая пластина способна сгибаться, главным образом, в выпуклую форму, где жесткий теплоизолирующий концевой блок имеет форму прямоугольного основания с плоской поверхностью и противоположной поверхностью, имеющей в основном выпуклую форму, при этом гибкая пластина расположена на противоположной поверхности жесткого теплоизолирующего концевого блока и при этом гибкая пластина сгибается для получения формы, которая является в основном выпуклой при приложении сжимающей силы к поверхности каждого твердооксидного топливного элемента.

Данное изобретение также относится к батарее ТОТЭ, содержащей конструкцию для закрепления, где батарея содержит один или более плоских твердооксидных топливных элементов, расположенных между концевыми пластинами, причем по меньшей мере одна концевая пластина расположена смежно конструкции для закрепления, содержащей гибкую пластину и теплоизолирующий концевой блок, причем гибкая пластина способна сгибаться в в основном выпуклую форму, при этом теплоизолирующий концевой блок имеет форму прямоугольного основания с плоской поверхностью и противоположной поверхностью, имеющей в основном выпуклую форму, при этом гибкая пластина расположена смежно противоположной поверхности теплоизолирующего концевого блока и при этом гибкая пластина сгибается для получения формы, которая является в основном выпуклой, и, по меньшей мере, одна концевая пластина контактирует с плоской поверхностью прямоугольного основания теплоизолирующего концевого блока при воздействии сжимающей силы на поверхность каждого твердооксидного топливного элемента.

Данное изобретение относится к способу сжатия батареи твердооксидных топливных элементов, включающему расположение одного или более плоских твердооксидных топливных элементов между концевыми пластинами, размещение рядом с, по меньшей мере, одной концевой пластиной для закрепления, включающего гибкую пластину и теплоизолирующий концевой блок, где гибкая пластина сгибается в в основном выпуклую форму, где теплоизолирующий концевой блок имеет форму прямоугольного основания с плоской поверхностью и противоположной поверхностью, имеющей в основном выпуклую форму, где гибкая пластина расположена рядом с противоположной поверхностью теплоизолирующего концевого блока, и поэтому гибкая пластина принимает форму, которая является в основном выпуклой и, по меньшей мере, одна концевая пластина контактирует с плоской поверхностью прямоугольного основания теплоизолирующего концевого блока при применении сжимающей силы к поверхности каждого твердооксидного топливного элемента.

Форма, которая является в основном выпуклой, образована как форма, которая изогнута и округлена наружу. В основном выпуклая форма может быть изогнута только в одном направлении, т.е. одинарный изгиб, и может быть изогнута во всех направлениях, т.е. двойной изгиб. Изгиб и, следовательно, форма, могут быть плавно или уступами выгнуты наружу. Предпочтительны формы, изогнутые только в одном направлении, т.е. с одинарным изгибом.

Под гибкостью понимают способность легко сгибаться или быть гибким, то есть не жестким.

При применении конструкции для закрепления в соответствии с данным изобретением к плоской батарее ТОТЭ можно полностью избежать применения плоских фланцев концевых пластин. Это является преимуществом, так как позволяет снизить массу ТОТЭ.

Конструкция для закрепления в соответствии с данным изобретением является гибкой по природе и может компенсировать силы, присутствующие в батарее во время работы без деформации различных элементов в батарее.

Таким образом, электрический контакт между различными слоями батареи сохраняется, батарея остается газонепроницаемой и невозможна утечка газа в окружающую среду.

Дополнительно, батарея ТОТЭ в соответствии с данным изобретением меньше чем обычная батарея ТОТЭ, так как отсутствуют толстые плоские концевые пластины. Так как плоские концевые пластины обычно делают из металла, при их отсутствии батарея ТОТЭ в соответствии с данным изобретением является легче и требует меньшего количества металла для их изготовления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРЕТЕЖЕЙ

На фиг.1 показана традиционная батарея ТОТЭ по частям.

На фиг.2 показана традиционная батарея ТОТЭ в сборе.

На фиг.3 показана традиционная батарея ТОТЭ в сборе.

Фиг.4 - традиционная батарея ТОТЭ по частям.

Фиг.5 - батарея ТОТЭ в соответствии с данным изобретением по частям.

Фиг.6 - батарея ТОТЭ в соответствии с данным изобретением в сборе.

Фиг.7а, 7b, 7 с, 7d и 7е - вид в поперечном сечении различных геометрических вариантов изолирующего концевого блока.

Фиг.8а и 8b - различные геометрические варианты гибкой пластины, вид сверху.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Конструкция для закрепления в соответствии с данным изобретением является очень простой по структуре и содержит гибкую плоскую пластину, способную сгибаться и становиться в основном выпуклой по форме. Оно содержит также изолирующий концевой блок, обеспечивающий термоизоляцию, который имеет выпуклую форму внешней поверхности. Такая в основном выпуклая форма изолирующих концевых блоков вынуждает гибкую пластину принимать выпуклую форму при контакте с изолирующими концевыми блоками при сжатии. Форма плоской гибкой пластины адаптируется к форме изолирующего концевого блока. В основном выпуклая поверхность изолирующего концевого блока, прилегающая к гибкой пластине, таким образом, плотно прилегает к выпуклости гибкой пластины.

Изолирующий концевой блок расположен непосредственно между гибкой пластиной и поверхностью батареи ТОТЭ. Нет необходимости в установке плоских фланцев концевых пластин между батареей ТОТЭ и концевым блоком. Поверхность изолирующего концевого блока рядом с батареей ТОТЭ является плоской и имеет площадь поверхности, идентичную площади поверхности батареи ТОТЭ, т.е. две поверхности имеют одинаковые общие размеры. Батарея ТОТЭ также может быть теплоизолирована на оставшихся поверхностях.

В основном выпуклая поверхность изолирующего концевого блока вынуждает гибкую пластину изменять форму от плоской до выпуклой при сжатии. Полученная выпуклая гибкая пластина, таким образом, изгибается в направлении от батареи ТОТЭ. Поэтому механическое напряжение в гибкой пластине лежит в плоскости гибкой пластины. Гибкая пластина не испытывает влияния изгибающих сил. Это позволяет делать гибкие пластины значительно меньшей толщины и поэтому более легкими по сравнению с обычными фланцами плоских концевых пластин. Силы между гибкой пластиной и изолирующим концевым блоком поэтому распределяются так, чтобы обеспечить сжатие изолирующего концевого блока.

Плоская гибкая пластина предпочтительно имеет длину и ширину в 1-2 раза от боковой длины твердооксидных топливных элементов в батарее. Если гибкую пластину сгибают с получением формы, которая выгнута только в одном направлении, то есть форму с одинарным изгибом, это предпочтительно делают штамповкой или лазерной резкой тонкого металлического листа с дальнейшим сгибанием вдоль изгиба теплоизоляции. Пластина может быть настолько тонкой, что для ее сгибания не требуется инструмент, но это не подходит для пластин, которые изогнуты во всех направлениях, т.е. имеют двойной изгиб. Такая форма требует глубокого вытягивания.

Гибкая пластина может быть плавно или ступенчато закруглена наружу. В основном выпуклая форма, которую она принимает во время сгибания, может быть изогнута во всех направлениях (т.е. иметь двойной изгиб) или изогнута только в одном направлении (т.е. иметь одинарный изгиб). Гибкая пластина может быть согнута в форме, которая имеет изгибы по всем направлениям и образует сегмент сферы, например куполообразную форму.

Предпочтительно гибкую пластину сгибают с получением в основном выпуклой формы, которая изогнута только в одном направлении (т.е. имеет одинарный изгиб). Например, гибкая пластина может быть изогнута с получением формы, которая изогнута только в одном направлении и образует сегмент цилиндра, например арочную форму.

На фиг.7а, 7b, 7c, 7d и 7е показано поперечное, т.е. вертикальное поперечное, сечение различных геометрических форм изолирующего концевого блока. Во всех случаях изолирующий концевой блок имеет прямоугольное основание, имеющее плоскую поверхность, и противоположную поверхность, которая является в основном выгнутой по форме и может быть плавно или ступенчато закруглена наружу, например она может быть ступенчатой, арочной или пирамидальной. Различные геометрические варианты изолирующего концевого блока обеспечивают то, что гибкая пластина принимает в основном выпуклую форму и выгибается только в одном направлении. На фиг.7а, 7d, 7е гибкие пластины плавно округлены наружу, а на фиг.7b и 7c гибкая пластина ступенчато округлена наружу.

При применении конструкции для закрепления в соответствии с данным изобретением избегается деформация, ведущая к искривлению компонентов топливного элемента. Также не требуются толстые фланцы концевой пластины, что позволяет снизить объем и количество материала, требуемого для производства фланцев, тем самым снижая стоимость батареи топливных элементов. В конечном итоге это приводит к снижению массы батареи ТОТЭ, что является желательным.

Конструкция для закрепления в соответствии с данным изобретением позволяет распределять газ по сторонам батареи топливных элементов. Конструкция для закрепления может применяться на любом конце батареи топливных элементов. Кроме того, изоляция может быть положена на обе противоположные стороны четырех сторон батареи топливных элементов, предпочтительно оставляя две другие противоположные стороны доступными для размещения входов и выходов для топлива и воздуха в батарею топливных элементов.

Конструкция для закрепления также может содержать стяжки, пружины и гайки, известные в данной области техники и полезные для создания сжимающей силы при скреплении батареи ТОТЭ. Гибкая пластина поэтому может иметь устройства для присоединения по краям, которые позволяют продевать через них, например, стяжки, применяемые при сборе батареи ТОТЭ.

Присутствие изолирующего концевого блока позволяет гибкой пластине иметь температуру ниже, чем температура батареи. Изолирующий концевой блок имеет предпочтительную толщину 5-100 мм и теплопроводность 0,01-2,0 Вт/(мК). Толщина изолирующего концевого блока, его теплопроводность и температура окружающей среды определяют температуру гибкой пластины во время работы батареи ТОТЭ. Предпочтительно, чтобы размеры изолирующего концевого блока были такими, которые позволяют гибкой пластине иметь температуру 100-650°С во время работы.

Размер гибкой пластина имеет, по меньшей мере, такой же, как размер элементов в батарее, но из-за изгиба одной из двух сторон должен быть несколько больше, предпочтительно в 1-2 раза, чем длина соответствующей стороны элемента.

Гибкая пластина предпочтительно сделана из стали. Однако также применяются другие типы металлических сплавов, например сплавы на основе титана, алюминия или никеля. Подходящим сплавом является инконель, который применяют при высоких температурах, обычных при работе батареи, благодаря его свойствам термостойкости. Гибкая пластина может быть в виде тонкой металлической пластины, имеющей толщину, например, 0,05-5 мм, в которой сохраняется гибкость.

Альтернативно гибкая пластина может быть выполнена из металлической проволочной сетки, керамического полотна или композитного материала. Подходящие керамические полотна могут быть, например, на основе стекловолокон или на основе пленки из керамического полотна, такой как 3М™ Nextel™. Подходящий композитный материал может быть на основе углерода, Kevlar® или стекловолокон, вплетенных в полиэфирную или эпоксидную смолу. Применение этих материалов является предпочтительным из-за их повышенной гибкости.

Гибкая пластина, при помещении на противоположную сторону изолирующего концевого блока, который является в основном выпуклым, принимает форму, которая изогнута только в одном направлении, т.е. имеет одинарный изгиб, соответствующий изгибу противоположной поверхности изолирующего концевого блока. Предпочтительно, чтобы изгиб противоположной поверхности имел радиус от 0,6 до 5 раз от ширины элемента. Предпочтительно, чтобы он имел большой радиус, так как это снизит общую высоту устройства.

При применении гибкой пластины на противоположной стороне изолирующего концевого блока, который в основном является выпуклым и ступенчатым с плоским верхом, образуются пустоты между гибкой пластиной и ступеньками изолирующего концевого блока. Эти пустоты могут предпочтительно быть заполнены вторым изолирующим материалом, имеющим более хорошие изолирующие свойства, чем изолирующий концевой блок, тем самым улучшая общий эффект изоляции.

Кроме того, присутствие ступенчатых сторон с плоской вершиной дает высоту изолирующего концевого блока от центра прямоугольного основания с плоской поверхностью до плоской вершины противоположной стороны, которая меньше, чем высота, полученная для варианта, который плавно закруглен наружу.

Изолирующий концевой блок может быть частично или полностью сделан из любого коммерчески доступного жесткого изоляционного материала, например окиси алюминия, силиката кальция или блоков на основе вермикулита. Предпочтительными изолирующими материалами являются материалы типа силиката кальция, так как они обладают хорошей обрабатываемостью, имеют низкую массу и обладают низкой теплопроводностью и хорошей прочностью при сжатии.

В основном выпуклая поверхность изолирующего концевого блока в контакте с гибкой пластиной может иметь различные геометрические формы, которые могут обеспечивать то, что гибкая пластина принимает по существу выпуклую форму при контакте двух поверхностей друг с другом. Вертикальное поперечное сечение изолирующих концевых блоков показывает в основном выпуклую поверхность которая, например, имеет постоянный радиус и имеет вид Романской арки, которая изогнута по форме и перекрывает отверстие. В этом варианте гибкая пластина принимает выпуклую форму, изогнута в одном направлении и плавно закруглена наружу. В основном выпуклая поверхность не ограничена фиксированным радиусом. Однако предпочтителен радиус от 0,6 до 5 раз от ширины элемента.

В другом варианте вертикальное поперечное сечение изолирующего концевого блока показывает в основном выпуклую поверхность изолирующего концевого блока, имеющую одну или более ступенчатых сторон и плоскую вершину. В этих вариантах гибкая пластина становится в основном выпуклой по форме и ступенчато закруглена наружу. Она изогнута только в одном направлении.

В варианте в соответствии с данным изобретением батарея ТОТЭ имеет гибкую пластину и изолирующий концевой блок с в основном выпуклой поверхностью, т.е. имеет конструкцию для закрепления в соответствии с данным изобретением только на одной стороне батареи. В другом варианте данного изобретения батарея ТОТЭ имеет гибкую пластину и изолирующий концевой блок с в основном выпуклой поверхностью, например имеет конструкцию для закрепления в соответствии с данным изобретением на обеих сторонах батареи.

На фиг.1 показано разобранное устройство традиционной противоточной батареи ТОТЭ с с двумя топливными элементами. Батарея ТОТЭ содержит два твердооксидных топливных элемента 1, чередующихся с межкомпонентными соединениями 2. Батарея ТОТЭ обычно имеет концевую пластину 3 из металла или керамики на одном конце и на другом конце многослойную пластину 4, обычно выполненную из металла, и помогающую передаче газов в топливные элементы 1. При сборе элементов батареи ТОТЭ сжимающую силу получают скреплением батареи между фланцами плоской концевой пластины 5 с применением системы жестких стяжек 6, пружин 7 и гаек 8. В этом типе устройства стяжки 6 вставляют через трубки 9, применяемые для отодвигания пружин 7 от батареи топливных элементов для того, чтобы сохранять пружины 7при более низкой температуре, чем температура батареи.

На фиг.2 показана традиционная батарея ТОТЭ по фиг.1 в сборе. Можно видеть, что трубки 9 обеспечивают размещение пружин 7 на расстоянии от батареи ТОТЭ.

На фиг.3 показан другой пример традиционной батареи ТОТЭ в сборе. В этом типе конструкции для закрепления стяжки 6 и фланцы плоской концевой пластины 5 при работе имеют более низкую температуру, чем рабочая температура батареи ТОТЭ. Это становится возможным благодаря термоизоляции батареи ТОТЭ по сторонам батареи с применением изоляционного материала 10. Помещение дополнительного изоляционного материла 11 на любой конец батареи, смежный фланцам плоской концевой пластины 5, позволяет переносить сжимающую силу, полученную во время скрепления, через дополнительный изоляционный материал 11. Стяжки 6 и фланцы плоских концевых пластин 5 могут выдерживать большее напряжение до нежелательной деформации.

На фиг.4 показана традиционная батарея ТОТЭ по фиг.3 в разобранном состоянии. Изоляционный материал 10 на сторонах батареи и дополнительный изоляционный материал 11 на любой стороне батареи, смежный фланцам плоской концевой пластины 5, все имеют плоскую форму.

Как указано выше, фланцы плоской концевой пластины в этих традиционных конструкциях для закрепления испытывают изгибающую силу при влиянии механических сил, создаваемых стяжками 6 и батарей. Тем не менее может ухудшиться электрический контакт и образуются утечки газа, если эти изгибающие силы заставят фланцы концевых пластин изогнуться.

На фиг.5 показан вариант данного изобретения, в котором различные компоненты закрепления батареи ТОТЭ показаны в разобранном виде. Батарею ТОТЭ вставляют между двумя изолирующими концевыми блоками 12. Каждый изолирующий концевой блок 12 имеет плоскую поверхность 13 смежно батарее ТОТЭ и противоположную поверхность 14, которая имеет в основном выпуклую поверхность рядом с гибкой пластиной 15. Вертикальное поперечное сечение изолирующего концевого блока 12 показывает в основном выпуклую поверхность, имеющую полуцилиндрическую форму и расположенную на прямоугольном основании, имеющем такие же общие размеры, как батарея ТОТЭ. Стороны батареи ТОТЭ также изолированы изолирующим материалом 10 в этом варианте.

Гибкая пластина 15 принимает выпуклую форму при контакте с изолирующим концевым блоком 12, и компоненты батареи ТОТЭ собраны для закрепления. Гибкая пластина 15 имеет полностью прямоугольную форму, где более длинные стороны 16 частично контактируют с изолирующими концевыми блоками 12 и частично контактируют с изолирующим материалом 10 по сторонам изолирующего концевого блока, и более короткие стороны 17 гибкой пластины 15 расположены вниз по сторонам батареи ТОТЭ. Более короткие стороны 17 изогнуты под определенным углом и по длине имеют отверстия 18 для прохождения стяжек 6. Гибкая пластина 15 изогнута только в одном направлении и плавно закруглена.

На фиг.6 показан тот же вариант с фиг.5. Однако различные компоненты крепления батареи ТОТЭ собраны. Можно видеть, что после крепления гибкая пластина 15 имеет выпуклую форму. Поэтому гибкая пластина 15 не подвергается сгибающей силе и механическому напряжению в плоскости гибкой пластины.

Сжимающую силу получают после скрепления с помощью гаек 8, пружин 7 и стяжек 6, проходящих через отверстия 18 в гибкой пластине 15.

В других вариантах данного изобретения, на фиг.7а, 7b, 7c, 7d и 7е показано поперечное, т.е. вертикальное, сечение различных геометрических форм изолирующего концевого блока. Во всех случаях изолирующий концевой блок 12 имеет прямоугольное основание с плоской поверхностью 13 и противоположную поверхность 14, которая имеет в основном выпуклую форму и может быть геометрически сформована различным образом. Различные геометрические варианты изолирующих концевых блоков 12 обеспечивают то, что гибкая пластина 15 становится в основном выпуклой и изгибается плавно или ступенчато от батареи ТОТЭ, изгибаясь только в одном направлении.

На фиг.7а показано поперечное, т.е. вертикальное, сечение изолирующего концевого блока 12, показывающее противоположную поверхность 14, имеющую в основном выпуклую поверхность, которая имеет постоянный радиус и внешний вид арки. Гибкая пластина 15, таким образом, имеет в основном выпуклую форму, плавно закруглена наружу и изгибается только в одном направлении.

На фиг.7b показано поперечное, т.е. вертикальное, сечение изолирующего концевого блока 12, показывающее противоположную поверхность 14, имеющую в основном выпуклую поверхность, которая имеет постоянный радиус, две ступеньки 19 и плоскую вершину 20, т.е. противоположная поверхность 14 является ступенчатой. В этом варианте гибкая пластина 15 имеет в основном ступенчатую форму и ступенчато закруглена наружу, изгибаясь только в одном направлении. Этот вариант имеет пустоты 21 между ступеньками 19 и гибкой пластиной 15. Пустоты 21 могут предпочтительно быть заполнены вторым изоляционным материалом (не показан), имеющим лучшие изолирующие свойства по сравнению с изолирующим концевым блоком 12, что улучшает общий эффект теплоизоляции.

На фиг.7c показано поперечное, т.е. вертикальное сечение изолирующего концевого блока 12, показывающее противоположную поверхность 14, имеющую в основном выпуклую поверхность, которая имеет стороны с диагональным наклоном 21 и плоской вершиной 20. В этом варианте гибкая пластина 15 имеет в основном выпуклую форму, изгибается только в одном направлении и ступенчато закруглена наружу.

Варианты, показанные на фиг.7b и 7 с, имеют гибкую пластину, ступенчато закругленную наружу с плоской вершиной и изгибающуюся только в одном направлении. Высота изолирующего концевого блока от центра прямоугольного основания с плоской поверхностью до плоской вершины противоположной поверхности меньше, чем высота, полученная для варианта, который плавно закруглен наружу, такого как вариант, показанный на фиг.7а. Батарея твердооксидных топливных элементов, имеющая изолирующий концевой блок со ступеньками и плоской поверхностью, таким образом, предпочтительно имеет меньший объем и массу по сравнению с плавно закругленным наружу.

На фиг.7d показано поперечное, т.е. вертикальное, сечение изолирующего концевого блока 12, показывающее противоположную поверхность 14, имеющую в основном выпуклую поверхность, которая имеет радиус больше, чем радиус арки на фиг.7а. Таким образом, гибкая пластина имеет выпуклую форму, изгибается только в одном направлении и плавно закруглена наружу. Предпочтительно радиус составляет от 0,6 до 5 раз от ширины элементов.

На фиг.7е показано поперечное, т.е. вертикальное, сечение изолирующего концевого блока 12, показывающее противоположную поверхность 14, имеющую в основном выпуклую поверхность, которая имеет треугольную или пирамидальную форму с закругленным концом. В этом варианте гибкая пластина 15 также имеет в основном выпуклую форму, изгибается только в одном направлении и плавно закруглена наружу.

В еще одном варианте данного изобретения на фиг.8а и 8b показаны различные геометрические формы гибкой пластины с верхней точки батареи. На Фиг.8а показана гибкая пластина 15 и на фиг.8b показана гибкая пластина 15, показанная на фиг.8а, расположенная на изолирующем концевом блоке 12. Изолирующий концевой блок 15 выглядит выпуклым с одной стороны батареи и в то же время является выпуклым, если смотреть под углом, перпендикулярным первому виду. Поэтому наиболее вероятно, что выпуклая форма является скорее полусферической, чем полуцилиндрической. Выпуклость может быть установлена сочетанием геометрий, показанных на фиг.7а-7е. В этих вариантах гибкая пластина 15 изогнута во всех направлениях, т.е. имеет двойной изгиб.

1. Конструкция для закрепления батареи плоских твердооксидных топливных элементов, содержащая гибкую пластину и жесткий теплоизолирующий концевой блок, причем гибкая пластина выполнена с возможностью сгибания с получением в основном выпуклой формы, при этом жесткий теплоизолирующий концевой блок имеет форму прямоугольного основания с плоской поверхностью для контактирования с концевой пластиной плоского твердооксидного топливного элемента и противоположной поверхностью, которая имеет в основном выпуклую форму, причем гибкая пластина расположена на противоположной поверхности жесткого теплоизолирующего концевого блока, при этом гибкая пластина изогнута для получения формы, которая является в основном выпуклой при сжатии.

2. Конструкция для закрепления по п.1, где гибкая пластина изогнута для получения формы, которая изогнута только в одном направлении.

3. Конструкция для закрепления по п.1, где гибкая пластина изогнута для получения формы, изогнутой во всех направлениях.

4. Конструкция для закрепления по п.2 или 3, где противоположная поверхность жесткого теплоизолирующего концевого блока плавно или ступенчато закруглена наружу, в основном, в выпуклую форму.

5. Конструкция для закрепления по п.1, где гибкая пластина выполнена из металла.

6. Конструкция для закрепления по п.5, где металл представляет собой сталь или сплав титана, алюминия или никеля.

7. Конструкция для закрепления по п.1 или 5, где гибкая пластина выполнена из материала из керамических волокон, металлической проволочной сетки или композитного материала на основе стекла, Kevlar® или углеродных волокон, вплетенных в полиэфирную или эпоксидную смолу.

8. Конструкция для закрепления по п.1, где жесткий теплоизолирующий концевой блок имеет теплопроводность 0,01-2,0 Вт/мК.

9. Конструкция для закрепления по п.1, где жесткий теплоизолирующий концевой блок выполнен из оксида алюминия, силиката кальция или материала на основе вермикулита.

10. Конструкция для закрепления по п.4, где противоположная поверхность жесткого теплоизолирующего концевого блока имеет ступенчатую или пирамидальную форму.

11. Конструкция для закрепления по п.1, где гибкая пластина имеет длину и ширину в 1-2 раза больше соответствующих длины и ширины твердооксидного топливного элемента в батарее.

12. Конструкция для закрепления по п.1, где изогнутая гибкая пластина имеет радиус 0,6-5 ширины твердооксидных топливных элементов.

13. Батарея твердооксидных топливных элементов, содержащая конструкцию для закрепления по п.1, где батарея состоит из одного или более плоских твердооксидных топливных элементов, расположенных между концевыми пластинами, при этом по меньшей мере одна концевая пластина расположена смежно конструкции для закрепления, содержащей гибкую пластину и теплоизолирующий концевой блок, причем гибкая пластина выполнена с возможностью сгибания в основном в выпуклую форму, при этом теплоизолирующий концевой блок имеет форму прямоугольного основания с плоской поверхностью и противоположной поверхностью, которая имеет в основном выпуклую форму, при этом гибкая пластина расположена смежно противоположной поверхности теплоизолирующего концевого блока, причем гибкая пластина изогнута для получения формы, которая является в основном выпуклой, и, по меньшей мере, одна концевая пластина контактирует с плоской поверхностью прямоугольного основания теплоизолирующего концевого блока.

14. Батарея твердооксидных топливных элементов по п.13, где конструкция для закрепления расположена на каждой концевой пластине.

15. Способ сжатия батареи твердооксидных топливных элементов по п.13, предусматривающий расположение одного или более плоских твердооксидных топливных элементов между концевыми пластинами, размещение смежно по меньшей мере одной концевой пластины конструкции для закрепления, содержащей гибкую пластину и теплоизолирующий концевой блок, при этом гибкая пластина может изгибаться в основном в выпуклую форму, при этом теплоизолирующий концевой блок имеет форму прямоугольного основания с плоской поверхностью и противоположной поверхностью, которая имеет в основном выпуклую форму, размещение гибкой пластины смежно противоположной поверхности теплоизолирующего концевого блока, изгибание гибкой пластины для получения формы, которая является в основном выпуклой, и размещение, по меньшей мере, одной концевой пластины в контакте с плоской поверхностью прямоугольного основания теплоизолирующего концевого блока, и воздействие сжимающей силы на поверхность каждого твердооксидного топливного элемента.

16. Способ по п.15, где сжимающую силу получают при использовании гаек, пружин и стяжек.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области топливных элементов, более конкретно к узлу сжатия для распределения наружного усилия сжатия в стопке твердооксидных топливных элементов и к стопке твердооксидных топливных элементов.

Изобретение относится к трубчатым твердооксидным топливным элементам. .

Изобретение относится к конструкции батарей твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), и более конкретно к конструкциям батарей элементов указанного типа, состоящим из металлических несущих трубчатых решеток с внутренними мембранами в виде топливных элементов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для изготовления батареи топливных элементов с твердым полимерным электролитом, предназначенной как для портативных мобильных электронных устройств, так и для изготовления зарядного устройства на основе батарей топливных элементов.

Изобретение относится к штабелю (10) высокотемпературных топливных элементов, стягиваемому с помощью временного стягивающего устройства, также к способу временной затяжки штабеля (10) топливных элементов и к способу удаления временного стягивающего устройства (12-22) для штабеля (10) высокотемпературных топливных элементов.

Изобретение относится к высокотемпературных электрохимическим устройствам с твердым электролитом. .

Изобретение относится к области создания и использования батарей топливных элементов, позволяющих преобразовывать химическую энергию непосредственно в электрическую.

Изобретение относится к топливным элементам, в частности к МЭУ (мембранно-электродному узлу). .

Изобретение относится к электрохимическим топливным элементам и, в частности, к способу и устройству для сборки множества пластин топливных элементов в виде пакета топливных элементов.

Изобретение относится к энергетике и может использоваться в автономных, резервных, авиационных энергоустановках. .

Изобретение относится к системе с множеством последовательно соединенных высокотемпературных топливных элементов, в частности твердотопливных элементов типа твердотопливных элементов на основе оксида (ТТЭО).

Изобретение относится к топливному элементу, транспортному средству с топливными элементами и модулю мембранного электрода. .

Изобретение относится к системе топливных элементов для летательного аппарата. .

Изобретение относится к энергетике и электрохимии, в основном касается выработки электроэнергии за счет прямого электрохимического окисления твердофазного органического топлива и, более конкретно, относится к топливному элементу, содержащему твердый оксид.

Изобретение относится к движущемуся объекту, оборудованному топливными элементами. .

Изобретение относится к топливным элементам с протонообменными мембранами. .

Изобретение относится к топливным элементам, более конкретно к узлам разделительных пластин для топливных элементов. .

Изобретение относится к энергетическим установкам на основе топливных элементов (ТЭ). .

Изобретение относится к системе топливных элементов. .

Изобретение относится к системе топливных элементов для преобразования энергии из жидкого и газообразного топлива в электрический ток
Наверх