1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29314
(51) H01M 8/24 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/1108.1
(22) 21.08.2013
(45) 15.12.2014, бюл.№12
(72) Токмолдин Серекбол Жарылгапович (KZ);
Игнатьев Алекс (US); Исова Айнур
Танирбергенкызы (KZ); Бектурганов Нуралы
Султанович (KZ); Токмолдин Нурлан Серекболович
(KZ); Елеуов Мухтар Ауезович (KZ)
(73) Товарищество с ограниченной
ответственностью "Физико-технический институт"
(56) US 20110256463 A1, 2011
(54) СПОСОБ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СБОРКИ
БАТАРЕИ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ В ТОПЛИВНЫЙ ПАКЕТ И
СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ К РАЗВЕТВЛЕННОЙ
ГАЗОВОЙ МАГИСТРАЛИ
(57) Предлагается способ укладки элементов в
топливных батареях, согласно которому все
топливные элементы укладываются в плоской
конфигурации с чередующимися упрощенными
межсоединениями. Межсоединения
изготавливаются из металлической фольги и
подсоединяются к топливным элементам с
помощью герметика. Параллельно упакованные
элементы образуют топливный пакет, имеющий
высокое значение тока и низкое значение
напряжения. Подобные пакеты далее могут
соединяться последовательно для увеличения
напряжения на топливной батарее.
Также предлагается способ подсоединения
топливных пакетов к разветвленной газовой
магистрали, позволяющий плотное размещение друг
около друга топливных пакетов, подсоединенных к
различным газовым магистралям. Подобная
конфигурация позволяет создавать модули,
работающие на определенных значениях тока (в
зависимости от выходного тока параллельных
пакетов) и напряжения (в зависимости от
количества параллельных пакетов, соединенных
последовательно).
(19)KZ(13)A4(11)29314
2. 29314
2
Изобретение относится к способу укладки
элементов в топливных батареях для максимальной
простоты дизайна и технологичности. Это
осуществляется посредством изменения
традиционного последовательного электрического
соединения элементов на параллельное, что снимает
необходимость использования сложных
структурированных и крупногабаритных
межсоединений. Данное изобретение может быть
использовано в топливном элементе любого
дизайна, но будет описано в применении к
твердооксидному топливному элементу.
Топливные элементы представляют собой
устройства преобразования энергии, использующие
окислитель (к примеру, кислород из воздуха) для
преобразования химической энергии топлива (к
примеру, водорода) в электрическую.
Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)
обычно состоит из твердотельного
электролитического слоя с окислительным
электродом (катодом), с одной стороны, и
топливным электродом (анодом), с другой.
Электроды должны быть пористыми или, по
крайней мере, проницаемыми для окислителя со
стороны катода и для топлива со стороны анода, в
то время как электролитический слой должен быть
плотным для предотвращения утечек газов.
Подобный элемент, состоящий из тонкопленочного
электролита, тонкопленочного катода и
поддерживающего анода, показан на Фиг.1.
Топливные элементы с анодом и катодом
изготовляются известными способами: к примеру,
тонкопленочные твердооксидные элементы
традиционно изготавливаются химическим или
физическим осаждением тонкопленочного
электролита и катода на анодную подложку, как это
описано в Патенте US 6645656.
Отдельный элемент имеет номинальное значение
выходного напряжения от 0,7 В до 1,1 В, в то время
как значение выходного тока варьируется в
широком диапазоне от нескольких миллиампер до
нескольких ампер, в зависимости от размера и
формы элемента, то есть его дизайна. Низкое
номинальное значение выходного напряжения от
элемента требует того, чтобы отдельные элементы
были соединены последовательно для получения
более высокого напряжения на выходе батареи.
Однако, подобное соединение отличается низким
значением выходного тока, имеет риск того, что
выход из строя одного элемента влияет на работу
всей батареи, а также имеет недостатки в дизайне,
связанные с устойчивостью материалов и
структурной сложностью межсоединений, в
особенности с учетом высоких рабочих температур
(от 750°С до 950°С) для большинства
твердооксидных топливных батарей.
Упрощение дизайна, повышение
технологичности и соответствующая экономия
затрат возможны благодаря замене дизайна
электрических соединений в элементе на
параллельное. Прототипом предлагаемого способа
является способ параллельной укладки топливных
элементов в топливный пакет по патенту US
2011/0256463А1, согласно которому, параллельное
соединение осуществляется при помощи шины
питания при совместном использовании
промежуточных электродов смежными топливными
элементами. Недостатками этого способа
соединения является отсутствие каналов
постоянной подачи газообразного топлива к
топливным элементам, отсутствие механизмов
герметизации доступа газообразного топлива и
окислителя к электродам отдельных топливных
элементов, а также сложность сборки подобного
пакета, связанная с необходимостью создания
проводящих контактов между слоями,
относящимися к различным топливным элементам,
а, следовательно, требующая специальных методов
нанесения этих слоев. Предлагаемый способ
соединения топливных элементов в топливный
пакет устраняет отмеченные недостатки, позволяя
использование раздельных герметичных каналов
непрерывной подачи газообразного топлива и
окислителя к отдельным топливным элементам, а
также раздельных топливных элементов любого
типа. Более того, предлагаемый способ
демонстрирует возможность подсоединения
нескольких топливных пакетов к общей единой
разветвленной магистрали, позволяющей
обеспечивать непрерывную подачу газообразного
топлива к топливным элементам.
Сущность изобретения
Описывается способ сборки пакета топливных
элементов, подключенных параллельно. Элементы
топливной батареи, предпочтительно, представляют
собой тонкопленочные твердооксидные топливные
элементы, однако данный метод применим к
топливным элементам любого типа.
При описываемом способе параллельного
соединения элементы батареи соединены анодом к
аноду и катодом к катоду. Компонентом,
обеспечивающим соединение анодов и катодов,
является межсоединение, имеющее свойства
газопроницаемости, устойчивости в окисляющих и
восстанавливающих средах и электропроводности.
В качестве межсоединения используется устойчивая
к высокой температуре и окисляющей среде фольга
из таких сплавов, как и инконель, хастеллой и
нержавеющая сталь, для применения с анодной (в
восстанавливающей среде) и катодной (в
окисляющей среде) стороны элемента.
Предлагаемое межсоединение имеет уникальный
дизайн, придавая фольге зигзагообразную форму;
при этом фольга может транспортировать газ вдоль
катодной или анодной сторон элемента, в
зависимости от того, где она расположена.
Результатом является упрощенный дизайн
межсоединения и значительное упрощение
изготовления межсоединения. Межсоединения
имеют удлиненную контактную площадку и при
комплектовании могут быть соединены
электрически с оставшимися межсоединениями той
же полярности (+ или -).
Для более полного понимания данного
изобретения и его преимуществ, далее следует его
детальное описание с сопровождающими
3. 29314
3
рисунками, в которых цифры относятся к
соответствующим деталям, упоминаемым в тексте:
Фиг.1. Схематическая диаграмма (вид сбоку)
межсоединения для соединения двух элементов
топливной батареи, соединенных параллельно.
Размеры являются номинальными и варьируются в
зависимости от размера элемента.
Фиг.2. Схематическая диаграмма (вид сбоку)
межсоединения и топливного элемента с
герметиком по краям межсоединения и элемента.
Фиг.3. Схематическая диаграмма (вид сбоку)
межсоединения между двумя топливными
элементами с герметиком по краям межсоединения
и элементов.
Фиг.4. Схематическая диаграмма (вид сбоку)
Фиг.3, повернутого на 90° по вертикальной оси в
плоскости рисунка, демонстрирующая способ
подсоединения второго межсоединения с поворотом
на 90° относительно первого межсоединения с
герметиком по краям межсоединения и элемента.
Фиг.5. Схематическая диаграмма (вид сбоку)
пакета топливных элементов с межсоединениями,
позволяющими осуществлять параллельное
соединение элементов.
Фиг.6. Схематическая диаграмма (вид с торца,
сверху и сбоку) пакета топливных элементов,
соединенных параллельно и помещенных в корпус
со входом для топлива.
Фиг.7. Схематическая диаграмма (вид сверху и
сбоку) двух пакетов топливных элементов,
подсоединенных к топливной трубе в плоской
конфигурации.
Фиг.8. Схематическая диаграмма (вид сбоку)
четырех пакетов топливных элементов,
подсоединенных к топливной трубе в плоской
групповой конфигурации.
Фиг.9. Схематическая диаграмма (вид сбоку)
нескольких групп топливных пакетов,
подсоединенных к нескольким топливным трубам.
Предпочтительно, топливный элемент, к
примеру, тонкопленочный твердооксидный
топливный элемент (ТПТОТЭ), создается на тонком
электролитическом слое для уменьшения рабочей
температуры. Однако, вследствие этого топливный
элемент становится менее прочным, что приводит к
ухудшению качества механического подсоединения
компонентов топливного элемента. Одним из таких
компонентов является межсоединение,
соединяющее один топливный элемент с другим для
формирования пакета. Межсоединение должно быть
проницаемым для движения газа либо к аноду, либо
к катоду топливного элемента, а также
электропроводящим. При обыкновенном
последовательном соединении элементов
топливного пакета, катод одного элемента соединен
с анодом другого. Далее, поскольку анод находится
в атмосфере газообразного топлива, а катод - в
атмосфере газообразного окислителя, течение газа,
контролируемое межсоединением, должно
осуществляться через ортогональные каналы на
противоположных сторонах межсоединения.
Вследствие этого, требуется либо очень сложная
процедура изготовления и обработки
межсоединений, либо использование очень
громоздких, крупногабаритных и массивных
межсоединений.
Параллельное соединение элементов топливной
батареи облегчает решение проблем, связанных со
сложностью и крупногабаритностью
межсоединений, используемых при
последовательном соединении элементов. Для
схемы с параллельным соединением используется
относительно простая в конструкции
зигзагообразная тисненная фольга, показанная на
Фиг.1. Для придания металлической фольге,
имеющей состав, структуру и проводимость,
которые остаются устойчивыми как в
восстанавливающей, так и в окисляющей средах
вплоть до температур порядка 700°С, конечной
формы межсоединения 110 используется тиснение
трафаретом. В качестве материала металлической
фольги пользуются, но не ограничиваются,
нержавеющей сталью (различного состава),
сплавами инконель, хастеллой и др. Толщина
металлической фольги варьируется от 0,0254 мм до
свыше 1,6510 мм. Трафарет, используемый для
тиснения, изготавливается таким образом, чтобы
устранить или минимизировать образование трещин
в фольге, к примеру, на острых краях изгибов.
Детали дизайна тисненной фольги, такие как высота
и длина зигзагообразной части 105, размер и
расположение контактной площадки 101, краевой
уплотнительный сектор фольги 102, подгоняются к
специфическому дизайну топливного элемента и
общему дизайну пакета.
Дизайн межсоединения на Фиг.1 демонстрирует
наличие контактной площадки 101, выходящей за
грани квадратной области межсоединения (в
соответствии, в данном случае, с квадратной
формой топливных элементов), а также изменение
высоты и длины зигзага 105 по краям
межсоединения 102 для использования герметика.
При сборке пакета из параллельно соединенных
элементов к одному из элементов 205 присоединяют
межсоединение 110, используя герметик 208 по
обоим концам 102 межсоединения, имеющим
сокращенную высоту/длину зигзага. Сокращенная
высота/длина зигзага позволяет поддерживать
электрический контакт вдоль поверхности
топливного элемента при нанесении герметика,
избегая растяжения/деформации фольгового
межсоединения вследствие добавочной толщины
герметика 208. Герметик 208 может состоять из
разнообразных высокотемпературноустойчивых
уплотнительных материалов, включающих стекло,
керамический клей, высокотемпературная
эпоксидная смола, и т.п.
Сборка продолжается добавлением второго
топливного элемента 305 к свободной стороне
первоначального межсоединения 110 посредством
использования герметика 208 по обеим его
сторонам. Второй топливный элемент 305
соединяется либо катодной, либо анодной стороной
с межсоединением, таким образом, чтобы к
межсоединению подходил электрод той же
полярности, что и на первоначально соединенном
4. 29314
4
топливном элементе, т.е. таким образом, чтобы
осуществлялось параллельное соединение.
Третий топливный элемент 405 соединяется с
первыми двумя элементами 205 и 305 (и одним
межсоединением 110) посредством второго
межсоединения 410, присоединяемого к пакету при
повороте на 90° относительно первого
межсоединения 110. Тем самым электрическая
контактная площадка 401 устанавливается под
углом в 90° к первому межсоединению 110, что
обеспечивает разделение положительного и
отрицательного контактов («+» и «-»).
Подсоединение межсоединения 410 осуществляется
при помощи краевого герметика 408 с поворотом на
90°, что создает возможность для поперечного
течения газа. Процесс укомплектования элементов с
чередующимися анодом и катодом «сверху» и с
прослойками межсоединений, поворачиваемыми на
90°, завершается формированием параллельного
пакета 500 с выходным током, зависящим от
количества элементов (являясь суммой токов
отдельных элементов), и выходным напряжением,
зависящим от напряжения отдельных элементов.
Поскольку обычно требуются напряжения,
превышающие номинальное значение, равное 0,7-
1,0 В, параллельные пакеты впоследствии
соединяются последовательно.
По окончании сборки всех элементов в пакет
проводится окончательная доработка пакета 600.
Для этого пакет элементов помещается между двумя
изолирующими пластинами 602, и вся конструкция
скрепляется винтами из нержавеющей стали 604.
Затем, со стороны пакета, противоположной той,
где располагаются контактные площадки,
подсоединяется изолирующий патрубок 605,
осуществляющий подачу водорода или любого
иного топлива к пакету. Изолирующий патрубок
605 изготавливается либо полностью из материала,
являющегося электрическим изолятором, либо из
любого другого материала при наличии
изолирующей среды между патрубком и пакетом, и
соединяется с пакетом герметически. Для
выполнения этой задачи пригодно множество
материалов, к примеру, керамический клей,
стеклообразный герметик, высокотемпературная
эпоксидная смола и т.п. Кислород подается к пакету
при циркуляции воздуха сквозь пакет, находящийся
в воздушной атмосфере. Второй изолирующий
патрубок 609 (не показанный на рисунке) может
быть подсоединен под углом в 90° к первому 605
для контролируемой подачи кислорода или другого
окислителя к батарее.
Одним из способов соединения параллельных
пакетов является подсоединение их к общей
разветвленной магистрали 710, подающей водород
или другое газообразное топливо. Патрубки 605,
ведущие к четырем отдельным пакетам,
находящимся в одной плоскости 810,
подсоединяются к разветвленной магистрали 710 с
интервалом в 90°, или с любым другим интервалом
в зависимости от количества размещаемых пакетов,
их формы и размера. Группы пакетов 810,
соединенных с разветвленной магистралью 710,
далее могут компоноваться в плоскости 910 с
возможностью многоуровнего комплектования
пакетов. Подобная конфигурация позволяет
осуществлять последовательное соединение групп
пакетов и создавать напряжение от каждого
параллельного пакета, намного превышающее
номинальное значение от 0,7 до 1,0 В для одного
элемента. Также подобная конфигурация позволяет
создавать модули, работающие на определенных
значениях тока (в зависимости от выходного тока
параллельных пакетов) и напряжения (в
зависимости от количества параллельных пакетов,
соединенных последовательно).
Описанная конфигурация является одним из
примеров возможного расположения параллельных
пакетов и не ограничивает сферу применения
изобретения. Вышеизложенные разглашение и
описание используются в целях иллюстрации и
объяснения, и различные модификации деталей
метода и устройства могут быть произведены без
нарушения основного смысла изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ параллельной сборки твердооксидных
топливных элементов в топливный пакет,
отличающийся тем, что включает в себя
следующие этапы:
a) первый топливный элемент, соединяют с
одной из сторон первого межсоединения
посредством герметика, при этом межсоединение
выполнено таким образом, чтобы позволять допуск
газообразного топлива или окислителя к
соединенному с ним топливному элементу;
b) второй топливный элемент соединяют с
обратной стороной межсоединения с ориентацией,
противоположной первому топливному элементу;
c) третий топливный элемент соединяют к
одному из предыдущих топливных элементов таким
образом, чтобы либо анод, либо катод третьего
элемента находился в электрическом контакте с
электродом одного из первых двух элементов,
имеющим ту же полярность, т.е. таким образом,
чтобы осуществлялось параллельное подключение;
d) второе межсоединение соединяют с третьим
топливным элементом с поворотом на 90°
относительно первого межсоединения;
e) четвертый топливный элемент соединяют со
вторым межсоединением таким образом, чтобы анод
или катод четвертого элемента, находящийся в
контакте со вторым межсоединением, имел ту же
полярность, что и электрод третьего элемента,
соединенный со вторым межсоединением;
f) продолжают последовательную укладку
элементов, описанной в п.п а)-е), вплоть до
получения конечного топливного пакета;
g) с обеих сторон топливного пакета помещают
две изолирующие пластины для фиксации всей
конструкции ;
h) по обеим сторонам топливного пакета
используют систему крепления удерживающих
пластин;
5. 29314
5
i) для подачи топлива к пакету используют
изолирующий патрубок;
2. Способ параллельной сборки твердооксидных
топливных элементов в топливный пакет по п.1,
отличающийся тем, что топливные элементы
являются топливными элементами любого типа,
включая твердооксидные топливные элементы и
топливные элементы с протонной обменной
мембраной.
3. Способ параллельной сборки твердооксидных
топливных элементов в топливный пакет по п.1,
отличающийся тем, что межсоединения
изготавливают из проводящих материалов, таких
как нержавеющая сталь, инконель, хастеллой и т.п.
4. Способ параллельной сборки твердооксидных
топливных элементов в топливный пакет по п.1,
отличающийся тем, что межсоединения
представляют собой фольгу, тисненную в
зигзагообразную форму для газопроницаемости с
обеих сторон межсоединения.
5. Способ параллельной сборки твердооксидных
топливных элементов в топливный пакет по п.1,
отличающийся тем, что межсоединения
изготавливают таким образом, чтобы осуществлять
пропускание газов к обеим сторонам
межсоединения.
6. Способ параллельной сборки твердооксидных
топливных элементов в топливный пакет по п.1,
отличающийся тем, что межсоединения соединяют
с топливными элементами посредством герметика
для создания герметичного уплотнения.
7. Способ параллельной сборки твердооксидных
топливных элементов в топливный пакет по п.1,
отличающийся тем, что в качестве герметика,
соединяющего межсоединения с элементами,
используют стекло, керамический клей,
высокотемпературную эпоксидную смолу и т.п.
8. Способ параллельной сборки твердооксидных
топливных элементов в топливный пакет по п.1,
отличающийся тем, что при помощи
герметического уплотнителя к пакету топливных
элементов присоединяют патрубок для подачи
топлива.
9. Способ соединения к разветвленной газовой
магистрали, отличающийся тем, что включает в
себя следующие этапы:
a) по крайней мере, один параллельный пакет
топливных элементов, подсоединяют к
разветвленной магистрали через изолирующий
газовый патрубок;
b) второй параллельный пакет топливных
элементов, находящийся в одной плоскости с
первым пакетом топливных элементов,
подсоединяют к разветвленной газовой магистрали;
c) требуемое количество остальных пакетов
топливных элементов подсоединяют к
разветвленной газовой магистрали таким образом,
чтобы сохранялась плоская конфигурация,
позволяющая размещать все топливные пакеты друг
около друга.
10. Способ соединения к разветвленной газовой
магистрали по п.9, отличающийся тем, что пакеты
топливных элементов могут подсоединять к газовой
магистрали, не имеющей трубовидную форму.
11. Способ соединения к разветвленной газовой
магистрали по п.9, отличающийся тем, что пакеты
топливных элементов, подсоединяющиеся к газовой
магистрали, не находятся в плоской конфигурации.
12. Способ соединения к разветвленной газовой
магистрали по п.9, отличающийся тем, что при
соединении нескольких газовых патрубок
образуется группа пакетов, все пакеты которой
находятся в плоской конфигурации.
13. Способ соединения к разветвленной газовой
магистрали по п.9, отличающийся тем, что при
соединении друг с другом нескольких
нетрубовидных магистралей, к которым
подсоединены группы топливных пакетов, все
топливные пакеты находятся в плоской или любой
другой конфигурации.
