RU151921U1

RU151921U1 - FUEL CELL BATTERY

Info

Publication number: RU151921U1
Application number: RU2014152465/07U
Authority: RU
Inventors: Георгий Николаевич Волощенко; Владимир Александрович Гарбузов
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2015-04-20

Abstract

Батарея топливных элементов, состоящая из верхнего и нижнего коллекторов с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов, и прямоугольными пазами с установленными в них обоймами с токосъемниками, нанесенными на наружные стороны верхней и нижней частей обоймы и обеспечивающими электрическое соединение обойм в батарею, электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразного реагента и расточками с прямоугольными топливными ячейками, содержащими тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, отличающаяся тем, что плоская обойма прямоугольной формы с внутренней электродной камерой выполнена в виде рамки с косыми разнонаправленными расточками для топливных ячеек на внутренних боковых противолежащих сторонах поверхности рамки, топливные ячейки прямоугольной формы установлены в расточки обоймы длинной стороной друг к другу внахлестку так, что электродное покрытие внутренней стороны предыдущей топливной ячейки переходит на электродное покрытие внешней стороны следующей топливной ячейки.A fuel cell battery consisting of upper and lower collectors with internal channels connected to reagent inlets and outlets, and rectangular grooves with clips installed in them with current collectors applied to the outer sides of the upper and lower parts of the holder and providing electrical connection of the clips to the battery, electrode chambers, channels for supplying and discharging a reducing or oxidizing gaseous reagent and bores with rectangular fuel cells containing a thin layer solid electrolyte with electrode coatings on opposite sides, characterized in that the rectangular flat cage with the internal electrode chamber is made in the form of a frame with oblique multidirectional bores for fuel cells on the inner side opposite sides of the frame surface, rectangular fuel cells are installed in long bores of the cage overlapping side so that the electrode coating of the inner side of the previous fuel cell passes to the electrode coating ext The outside of the next fuel cell.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).The proposed technical solution relates to energy and can be used in the development of efficient power plants based on high-temperature solid oxide fuel cells (SOFC).

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.Known technical solutions for the design of SOFC, for example, US Pat. RF №2290726, in which the battery consists of a package of alternating plates with rectangular fuel cells, located in the holders of a complex profile, and plates for separating gas flows with through holes for supplying and removing reagents through channels formed by a combination of plates. The disadvantages of this technical solution are the low volume density of the power, the complex configuration of the plates, the presence of a significant number of heterogeneous parts, which complicates the design and reduces the service life.

Известно техническое решение (пат. РФ №2084053), 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.A technical solution is known (Pat. RF No. 2084053), in accordance with which the fuel cell battery consists of fuel cells containing a thin-layer solid electrolyte with electrode coatings on opposite sides, inserted into a clip with a bore covering the fuel cell, with current collectors and electrode chambers, channels for supplying and discharging reducing or oxidizing gaseous reagents. The disadvantages of this technical solution are the impossibility of ensuring the same current density and uniform supply of reagents over the entire surface of the fuel cells at an arbitrary size, which reduces the efficiency of the battery, and the difficulty of ensuring a uniform temperature field of the fuel cells, which can lead to warpage of the fuel cells and their failure. . The disadvantage is the need to manufacture two groups of fuel cells with different locations of the electrode coatings, which complicates the process of manufacturing and assembling the battery.

Известно техническое решение (пат. РФ на полезную модель №147533), принятое за прототип, в соответствие с которым батарея топливных элементов состоит из верхнего и нижнего коллекторов с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов, и прямоугольными пазами с установленными в них обоймами с токосъемниками, нанесенными на наружные стороны верхней и нижней части обоймы и обеспечивающими электрическое соединение обойм в батарею, электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов и расточками с установленными в них прямоугольными топливными ячейками, содержащими тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах.A technical solution is known (patent of the Russian Federation for utility model No. 147533), adopted as a prototype, according to which the fuel cell battery consists of upper and lower collectors with internal channels connected to the reagent inlet and outlet fittings, and rectangular grooves with them installed clips with current collectors deposited on the outer sides of the upper and lower parts of the clip and providing electrical connection of the clips to the battery, electrode chambers, channels for supplying and removing reduction or oxidize nogo gaseous reactants and bores defined therein rectangular fuel cells containing solid electrolyte with a thin layer electrode coatings on opposite sides.

Недостатками данного технического решения являются сниженные удельные характеристики, возникающие за счет лишних массы и размеров промежуточных перегородок между топливными ячейками внутри обоймы и дополнительного омического сопротивления электрических контактов на этих перегородках между соседними топливными ячейками.The disadvantages of this technical solution are the reduced specific characteristics that arise due to the excess mass and size of the intermediate partitions between the fuel cells inside the cage and the additional ohmic resistance of the electrical contacts on these partitions between adjacent fuel cells.

Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является увеличение удельных характеристик батареи топливных элементов.The technical result, which is aimed at the proposed technical solution is to increase the specific characteristics of the battery of fuel cells.

Для достижения указанного результата предложена батарея топливных элементов, состоящая из верхнего и нижнего коллекторов с внутренними каналами, соединенными со штуцерами подвода и отвода реагентов, и прямоугольными пазами с установленными в них обоймами с токосъемниками, нанесенными на наружные стороны верхней и нижней части обоймы и обеспечивающими электрическое соединение обойм в батарею, электродными камерами, каналами для подвода и отвода восстановительного или окислительного газообразных реагентов и расточками с прямоугольными топливными ячейками, содержащими тонкослойный твердый электролит с электродными покрытиями на противоположных сторонах, причем плоская обойма прямоугольной формы с внутренней электродной камерой выполнена в виде рамки с косыми разнонаправленными расточками для топливных ячеек на внутренних боковых противолежащих сторонах поверхности рамки, топливные ячейки прямоугольной формы установлены в расточки обоймы длинной стороной друг к другу внахлестку так, что электродное покрытие внутренней стороны предыдущей топливной ячейки переходит на электродное покрытие внешней стороны следующей топливной ячейки.To achieve this result, a fuel cell battery is proposed, consisting of upper and lower collectors with internal channels connected to reagent supply and outlet fittings, and rectangular grooves with clips installed in them with current collectors applied to the outer sides of the upper and lower parts of the clip and providing electrical connection of clips to the battery, electrode chambers, channels for supplying and discharging reducing or oxidizing gaseous reagents and bores with a rectangular fuel cells containing a thin-layer solid electrolyte with electrode coatings on opposite sides, and a rectangular rectangular cage with an internal electrode chamber is made in the form of a frame with oblique multidirectional bores for fuel cells on the inner lateral opposite sides of the frame surface, rectangular fuel cells are installed in bores lap long side to each other so that the electrode coating of the inner side of the previous fuel cell goes to the electrode coating on the outside of the next fuel cell.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что при равных размерах обойм и топливных ячеек в предложенном техническом решении снижена масса обоймы, увеличено количество топливных ячеек и снижено омическое сопротивление контактов между топливными ячейками, что приводит к снижению массы и повышению мощности батареи, что в совокупности приводит к существенному увеличению удельной мощности батареи топливных элементов.The combination of the above essential features leads to the fact that, with equal sizes of clips and fuel cells in the proposed technical solution, the weight of the clip is reduced, the number of fuel cells is increased, and the ohmic resistance of contacts between the fuel cells is reduced, which leads to a decrease in mass and an increase in battery power, which together leads to a significant increase in the specific power of the battery of fuel cells.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемой батареи топливных элементов, гдеIn FIG. 1 shows a diagram of the proposed fuel cell battery, where

1 - обойма,1 - clip

2 - верхний коллектор,2 - upper collector,

3 - нижний коллектор,3 - lower collector,

4 - штуцера подвода и отвода реагентов.4 - connection for supply and removal of reagents.

На фиг. 2 приведен вырыв по А, гдеIn FIG. 2 shows a breakout along A, where

5 - топливная ячейка,5 - fuel cell,

6 - электродная камера,6 - electrode chamber,

7 - каналы подвода и отвода реагентов,7 - channels for supply and removal of reagents,

8 - расточка нижнего коллектора,8 - boring of the lower manifold,

9 - внутренний канал коллектора,9 - the internal channel of the collector,

10 - токоподводы.10 - current leads.

На фиг. 3 приведен вид обоймы с топливными ячейками.In FIG. 3 shows a view of a cage with fuel cells.

На фиг. 4 приведен разрез обоймы по Б-Б, гдеIn FIG. 4 shows the cross-section of the clip on BB, where

11 - электродные покрытия топливной ячейки.11 - electrode coating of the fuel cell.

На фиг. 5 приведен вид обоймы без топливных ячеек, гдеIn FIG. 5 shows a clip without fuel cells, where

12 - расточки обоймы.12 - boring clips.

На фиг. 6 приведен разрез обоймы по В-В.In FIG. Figure 6 shows a section of a clip along BB.

Предлагаемая батарея топливных элементов (фиг. 1) состоит из набора обойм 1, установленных между верхним 2 и нижним 3 коллекторами, имеющими штуцера 4 подвода и отвода реагентов. В обоймах 1 установлены топливные ячейки 5 (фиг. 2), соединенные между собой внахлестку. Обоймы установлены в расточки верхнего и нижнего 8 коллекторов, имеющих соединенные с внутренним каналом 9 коллектора 3 каналы 7 подвода и отвода реагентов в электродные камеры 6.The proposed fuel cell battery (Fig. 1) consists of a set of clips 1 installed between the upper 2 and lower 3 collectors having a fitting 4 for supplying and removing reagents. In the clips 1 fuel cells 5 are installed (Fig. 2), interconnected lap. The clips are installed in the bores of the upper and lower 8 collectors having channels 7 for supplying and removing reagents to the electrode chambers 6 connected to the internal channel 9 of the collector 3.

Топливные ячейки 5 установлены в обойме 1, образуя последовательное соединение по току от нижнего до верхнего токоподводов 10 (фиг. 3). Топливные ячейки 5 выполнены с электродными покрытиями 11 (фиг. 4), причем косые расточки 12 (фиг. 5 и 6) позволяют установить их внахлестку.The fuel cells 5 are installed in the holder 1, forming a serial current connection from the lower to the upper current leads 10 (Fig. 3). The fuel cells 5 are made with electrode coatings 11 (Fig. 4), and the oblique bores 12 (Figs. 5 and 6) allow them to be installed with an overlap.

Предлагаемая батарея топливных элементов работает следующим образом. Окислительный и восстановительный реагенты подаются один через штуцер подвода 4, внутренний канал коллектора 9 и канал подвода 7 нижнего коллектора 3 в электродные камеры 6 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 последовательно соединенных топливных ячеек снимается токоподводами 10 с нижней и верхней сторон обоймы 1 и отводится от батареи потребителю. Продукты реакции отводятся из электродных камер 6 через каналы отвода во внутренний канал верхнего коллектора 2.The proposed fuel cell battery operates as follows. Oxidizing and reducing reagents are fed one through the supply nozzle 4, the internal channel of the collector 9 and the channel for supplying 7 of the lower collector 3 to the electrode chambers 6 of the cage 1 to the inner electrode coatings 11 of the fuel cells 5, and the second reagent washes the cage 1 from the outside, responding to external electrode coatings 11 fuel cells 5. The resulting voltage of the series-connected fuel cells is removed by current leads 10 from the lower and upper sides of the cage 1 and is removed from the battery to the consumer. The reaction products are discharged from the electrode chambers 6 through the drain channels to the internal channel of the upper collector 2.

Таким образом, батарея топливных элементов за счет снижения массы обоймы, увеличению количества топливных ячеек и снижению омического сопротивления контактов между топливными ячейками имеет меньшую массу и повышенную мощность, что в совокупности приводит к существенному увеличению удельной мощности батареи топливных элементов.Thus, the battery of fuel cells by reducing the weight of the cage, increasing the number of fuel cells and reducing the ohmic resistance of the contacts between the fuel cells has a lower mass and increased power, which together leads to a significant increase in the specific power of the battery of fuel cells.

Claims

A fuel cell battery consisting of upper and lower collectors with internal channels connected to reagent inlets and outlets, and rectangular grooves with clips installed in them with current collectors applied to the outer sides of the upper and lower parts of the holder and providing electrical connection of the clips to the battery, electrode chambers, channels for supplying and discharging a reducing or oxidizing gaseous reagent and bores with rectangular fuel cells containing a thin layer solid electrolyte with electrode coatings on opposite sides, characterized in that the rectangular flat cage with the internal electrode chamber is made in the form of a frame with oblique multidirectional bores for fuel cells on the inner side opposite sides of the frame surface, rectangular fuel cells are installed in long bores of the cage overlapping side so that the electrode coating of the inner side of the previous fuel cell passes to the electrode coating ext The outside of the next fuel cell.