Патент на изобретение №2300830

(54) СМЕННЫЙ МОДУЛЬ ГЕНЕРАТОРА И ЯЧЕЙКА ДЛЯ НЕГО

(57) Реферат:

Изобретение относится к электрохимическим устройствам, а более конкретно к источникам электрической энергии, выполненным на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов в форме вытянутой пробирки. Техническим результатом изобретения является создание сменного модуля генератора и единичной ячейки для него, которые обладают повышенной надежностью и стабильностью работы. Согласно изобретению сменный модуль генератора твердооксидных топливных элементов содержит корпус модуля, установленный на основании в виде камеры нагнетания топлива, трубу-стояк, блок электрически соединенных удлиненных трубчатых единичных ячеек, зафиксированных на верхней поверхности основания, коллектор подачи газа окислителя, на котором закреплены газоподводящие трубки каждой единичной ячейки, при этом корпус модуля выполнен в виде отдельных цилиндрических корпусов для каждой единичной ячейки, каждый элемент корпуса установлен на основании с возможностью перемещения относительно поверхности основания, труба-стояк в нижней части имеет канал связи с полостью нагнетания окислителя в нижнем этаже основания и общей шиной модуля, а в верхней части фиксирует коллектор газа окислителя, при этом материал трубы-стояка имеет максимальный коэффициент линейного термического расширения по отношению к материалам, используемым в конструкции единичной ячейки. Единичная ячейка содержит твердый электролит в виде пробирки со сформированными на его поверхностях комбинированными электродами в виде припеченного слоя и слоя дисперсных частиц, газоподводящую трубку, установленную внутри пробирки так, что дисперсные частицы внутреннего электрода заполняют полость между наружной поверхностью трубки и слоем припеченного электрода, при этом ячейка снабжена корпусом с упругим элементом фиксации в виде сильфона, расположенным на донной части корпуса. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электрохимическим устройствам, а более конкретно к источникам электрической энергии, выполненным на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов в форме вытянутой пробирки.

Известна батарея твердооксидных топливных элементов в форме пробирок из твердого электролита, к наружной и внутренней поверхностям которых примыкают противоположные электроды (в частности, в данной батарее анод находится снаружи, а катод – внутри), содержащая генераторную зону, в которой размещены топливные элементы, обращенные открытыми торцами к зоне дожига, систему трубок для доставки одного из газореагентов во внутренние полости топливных элементов, газовый коллектор и токосъемники (См. патент РФ №2027258 от 03.07.90. МПК Н01М 8/12).

Мощность такой батареи ограничена размерами генераторной камеры, т.е. количеством установленных в ней элементов. Эти размеры, в свою очередь, ограничены необходимостью создания одинаковых условий работы всех единичных элементов батареи (количество и качество омывающей топливной смеси, стабильность температурного режима и др.), что в большеразмерной камере осуществить достаточно сложно. Указанная конструкция не является удобной для использования ее в качестве отдельного модуля, с увеличением количества которых может быть достигнута необходимая электрическая мощность генератора. Кроме того, в случае возникновения механических напряжений в единичных элементах, приводящих к механическим перемещениям, может возникнуть разрушающее влияние их друг на друга, поскольку пространственно они объединены.

Известна конструкция батареи по патенту США №5741605. Сменный модуль такой батареи содержит основание с полостью для нагнетания и распределения топлива, пучки ячеек, соединенные между собой шиной токосъема, расположенной вдоль образующей ячеек в месте их контакта. Труба – стояк для подачи топлива и его реформинга расположена между пучками ячеек. Подача окислителя осуществляется через распределитель, расположенный вверху, контактирующий с трубками газоввода каждой ячейки. Ячейки имеют механическое закрепление у открытого торца в устройстве для дожига топлива. Сменный модуль, описанный в патенте США, содержит большое количество пучков и расположенных между ними труб-стояков для реформинга, он достаточно дорогостоящ и используется в генераторах для получения большой мощности, порядка 300-500 кВт. Замена отдельных пучков не предусмотрена, что ограничивает возможность применения таких сменных модулей в генераторах не высокой мощности. Однако описанная выше конструкция имеет наибольшее количество совпадающих с заявляемой конструкцией существенных признаков и поэтому выбрана в качестве прототипа.

Кроме того, в прототипе используется конструкция единичной ячейки, которая содержит твердый электролит и расположенные по разные стороны от него электроды и трубку для подачи воздуха внутрь ячейки. Съем тока с наружной поверхности осуществляется через слой никелевой ваты, расположенный по образующей пробирки. Однако длинный путь тока до токосъема приводит к большим потерям мощности, что делает нецелесообразным использование такой конструкции в генераторах, мощность которых не превышает 10-20 кВт.

Известна конструкция ячейки, описанная в патенте США №5143800, в которой съем тока с наружной поверхности осуществляется через слой никелевой ваты, расположенный по образующей пробирки, а внутри расположены гранулы, улучшающие реформинг газа, которые являются одновременно и токосъемником на воздушный электрод, что увеличивает полезную мощность, снимаемую с ячейки на внутреннем электроде. Однако при уменьшении пути тока, снимаемого на внутренний электрод, остается не эффективным съем на наружном электроде. Следовательно, потери мощности остаются значительными.

Описанная выше конструкция является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции и поэтому выбрана в качестве прототипа для конструкции единичной ячейки в сменном модуле генератора.

Использование в конструкции ячейки комбинированных электродов, содержащих слой засыпки в виде гранул, позволяет сократить путь тока, уменьшить потери и повысить снимаемую мощность. Использование такой конструкции позволяет создать компактные модули для генератора небольшой мощности и регулировать набор мощности в широком диапазоне наращиванием количества модулей. Однако большое количество механических контактов зерен засыпки приводит к созданию критических суммарных термомеханических напряжений на тонкостенную пробирку, что особенно сказывается при наличии термоциклических нагрузок, имеющих место в процессе эксплуатации. Это значительно усугубляется при влиянии различия в коэффициентах линейного термического расширения (КЛТР) материалов, используемых в конструкции ячейки. Возникающие напряжения приводят к поломкам ячеек, снижают стабильность и надежность работы всего генератора.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании сменного модуля генератора и единичной ячейки для него, которые обладают повышенной надежностью и стабильностью работы.

Для решения поставленной задачи в сменном модуле генератора твердооксидных топливных элементов, содержащем корпус модуля, установленный на основании в виде камеры нагнетания топлива, трубу-стояк, блок электрически соединенных удлиненных трубчатых единичных ячеек, зафиксированных на верхней поверхности основания, распределитель подачи газа окислителя, на котором закреплены воздушные электроды каждой единичной ячейки, согласно изобретению корпус модуля выполнен в виде отдельных цилиндрических корпусов для каждой единичной ячейки, каждый элемент корпуса установлен на основании с возможностью перемещения относительно поверхности основания, труба-стояк в нижней части имеет канал связи с полостью нагнетания окислителя в нижнем этаже основания и общей шиной модуля, а в верхней части фиксирует распределитель газа окислителя, при этом материал трубы-стояка имеет максимальный коэффициент линейного термического расширения по отношению к материалам, используемым в конструкции единичной ячейки.

Единичная ячейка, содержащая твердый электролит в виде пробирки со сформированными на его поверхностях комбинированными электродами в виде припеченного слоя и слоя дисперсных частиц, газоподводящую трубку, установленную внутри пробирки так, что дисперсные частицы внутреннего электрода заполняют полость между наружной поверхностью трубки и слоем припеченного электрода, согласно изобретению ячейка снабжена корпусом с упругим элементом фиксации в виде сильфона, расположенным на донной части корпуса.

Технический результат от использования заявляемых изобретений заключается в том, что созданы условия работы единичной ячейки при ликвидации технического противоречия, выражаемого в том, что единичная ячейка с эффективным токосъемом не испытывает высоких термомеханических нагрузок на тонкостенном материале пробирки, что повышает надежность и стабильность ее работы.

Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что выполнение индивидуального корпуса в каждом единичном топливном элементе позволяет создать и удерживать слой засыпки по всей длине пробирки, а корпус одновременно исполняет функцию токосъема и обеспечивает эффективный многоточечный токосъем с наружного электрода при малом пути тока. Это снижает потери полезной мощности модуля, что значимо при работе модулей в генераторах невысокой мощности.

Корпус одновременно защищает хрупкую тонкостенную пробирку топливного элемента от поломок из-за механического воздействия элементов генератора за счет наличия в корпусе упругого элемента, установленного в донной части и являющегося переходным в месте крепления корпуса к основанию модуля. Перемещение корпуса относительно поверхности основания позволяет уменьшить напряжения на стенки пробирки, вызванные термомеханическими перемещениями, возникающими из-за различия в КЛТР материалов ячейки и модуля, возникающие в процессе эксплуатации при наличии градиентов температур по объему модуля. Весомость негативного влияния параметра термомеханического перемещения особенно возросла при использовании в модуле ячейки, конструктивное выполнение которой подразумевает большое количества многоточечных контактов, обеспечивающих эффективный токосъем с электродов, повышающих полезную мощность модуля.

Труба-стояк выполняет в конструкции модуля несколько иные и более широкие функции, чем в прототипе. Функцию доставки газа-окислителя, а не топлива, как в прототипе. Выполнение этой функции позволило компактно расположить камеру распределения газа-окислителя в нижнем этаже основания, а камеру реформинга вынести за пределы модуля, что важно при небольших мощностях модуля и выполнении его сменным и более независимым. Труба-стояк служит для передачи тока с воздушных электродов на токосъемную шину модуля, что позволяет исключить силовое замыкание верхних частей цилиндрических корпусов ячеек и увеличить подвижность системы.

При этом труба-стояк выполняет функцию элемента, поддерживающего коллектор газа-окислителя, что снижает механические нагрузки на воздушные электроды ячеек модуля. Значение этой функции также возрастает при использовании в модуле ячейки с наличием многоточечных контактов воздушного электрода с частицами внутреннего электрода. Одной из важных функций трубы-стояка является обеспечение надежного электрического контакта между электродами, элементами засыпки, воздушным электродом и цилиндрическим корпусом. Большее удлинение трубы-стояка относительно ячейки за счет различия в КЛТР материалов, используемых в конструкции трубы и ячейки, приводит к перемещению и развороту частиц засыпки вплоть до их заклинивания, обеспечивая надежный электрический контакт. Взаимодействие конструктивных элементов – корпуса и трубы-стояка приводит к созданию силового замыкания через основание модуля цепочки термомеханических перемещений в модуле при нагреве и возникновении градиента температур. Именно наличие такой цепочки позволяет создать условия для компенсации механических напряжений на упругих элементах корпусов. При этом обеспечивается некритический уровень напряжений внутри цепочки – на топливном элементе, где с помощью конструктивного выполнения, подбором свойств материалов созданы условия, когда напряжения не превышают критический уровень, а топливный элемент обеспечивает надежную и стабильную работу даже при критических параметрах эксплуатационного цикла.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию “новизна”.

В процессе поиска не выявлено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию “изобретательский уровень”.

На фиг.1 приведен общий вид сменного модуля генератора.

На фиг.2 – вид А.

На фиг.3 – схема работы сильфона при перемещениях.

Сменный модуль генератора содержит восемь единичных ячеек 1, установленных на верхней поверхности 2 основания 3. В верхнем этаже основания 3 расположена камера распределения топлива 4, а в нижнем этаже – камера распределения газа-окислителя 5. Штуцер 6 трубы-стояка 7 расположен в камере 5 основания 3 и контактирует с шиной 8, закрепленной на основании 3 через герметичный электрический изолятор 9. Коллектор газа-окислителя 10 установлен на верхней части трубы стояка 7. На газовом коллекторе 10 закреплены воздушные электроды 11, установленные во внутренней полости ячейки 1 – в пробирке 12. Пробирка 12 содержит слой твердого электролита 13 и припеченные электроды: внутренний – катод 14 с засыпкой 15 и наружный – анод 16 с засыпкой 17. Засыпка 17 удерживается цилиндрическим корпусом 18. В нижней части корпуса установлен сильфон 19, герметично закрепленный на корпусе и на основании, при этом упругие стенки сильфона допускают перемещение корпуса и ячейки относительно поверхности 2 основания 3 и вдоль оси корпуса.

Работа отдельного модуля осуществляется следующим образом. Через отверстия в поверхности основания из камеры распределения топлива 4 в каждый корпус 18 поступает топливо, а в воздушный коллектор – газ-окислитель. Затем топливо через слой засыпки проходит к аноду, где происходит электрохимическое взаимодействие топлива с ионами кислорода, поступающими через электролит с катода. При взаимодействии образуются свободные электроны и пары воды. Вода удаляется через слой засыпки, а электроны поступают на электропроводный материал засыпки и через нее к электропроводному цилиндрическому корпусу, выполняющему роль токосъема. По нему электроны поступают в цепь нагрузки. Через цепь нагрузки электроны поступают на газоподводящую трубку, которая контактирует с катодом. На трехфазной границе «газ-окислитель-катод-твердый электролит» происходит электрохимическое взаимодействие электронов с молекулой кислорода с образованием ионов кислорода, которые, двигаясь через электролит, замыкают цепь. Отходящие продукты реакции поступают в пространство между корпусами. Несколько модулей соединены в батарею, обеспечивающую необходимую электрическую мощность.

В процессе нагрева и выхода устройства на рабочие параметры осуществляется разогрев элементов устройства и имеют место градиенты температур, а при наличии различия в коэффициентах линейного температурного расширения материалов устройства в каждом отдельном элементе возникают термомеханические напряжения.

Наличие непосредственного контакта топливного элемента через засыпку с конструкционными элементами модуля приводит к значительным силовым воздействиям на электролит топливного элемента из-за деформации коллектора 10, основания 3, воздушных электродов 11 и других элементов. Напряжения, возникающие в электролите, нейтрализуются, за счет перемещения сильфона как в осевом, так и в радиальном направлениях.

При нагреве модуля линейное удлинение трубы-стояка превышает общее удлинение ячейки за счет большого КЛТР, что приводит к перемещениям и поворотам гранул засыпки, вплоть до их заклинивания между собой, о стенки пробирки, воздушного электрода и цилиндрического корпуса. При выборе зазоров в засыпке дальнейшее перемещение ячейки происходит за счет деформации сильфона, что исключает возникновение критического уровня напряжений на пробирке и обеспечивает стабильную и надежную работу ячеек в модуле в процессе эксплуатации.

Формула изобретения

1. Сменный модуль генератора твердооксидных топливных элементов, содержащий корпус модуля, установленный на основании в виде камеры нагнетания топлива, трубу-стояк, блок электрически соединенных удлиненных трубчатых единичных ячеек, зафиксированных на верхней поверхности основания, коллектор подачи газа окислителя, на котором закреплены газоподводящие трубки каждой единичной ячейки, отличающийся тем, что корпус модуля выполнен в виде отдельных цилиндрических корпусов для каждой единичной ячейки, каждый элемент корпуса установлен на основании с возможностью перемещения относительно поверхности основания, труба-стояк в нижней части имеет канал связи с полостью нагнетания окислителя в нижнем этаже основания и общей шиной модуля, а в верхней части фиксирует коллектор газа окислителя, при этом материал трубы-стояка имеет максимальный коэффициент линейного термического расширения по отношению к материалам, используемым в конструкции единичной ячейки.

2. Единичная ячейка, содержащая твердый электролит в виде пробирки со сформированными на его поверхностях комбинированными электродами в виде припеченного слоя и слоя дисперсных частиц, газоподводящую трубку, установленную внутри пробирки так, что дисперсные частицы внутреннего электрода заполняют полость между наружной поверхностью трубки и слоем припеченного электрода, отличающаяся тем, что ячейка снабжена корпусом с упругим элементом фиксации в виде сильфона, расположенном на донной части корпуса.

РИСУНКИ