RU212913U1

RU212913U1 - Block of solid oxide fuel cells of planar geometry with a central-axial gluing section

Info

Publication number: RU212913U1
Application number: RU2022106056U
Authority: RU
Inventors: Илья Николаевич Бурмистров; Иван Сергеевич Ерилин; Марк Николаевич Левин; Сергей Иванович Бредихин
Filing date: 2022-03-05
Publication date: 2022-08-12

Abstract

Полезная модель относится к блоку твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), в частности к клеевым прокладкам, которые служат для повышения жесткости блока ТОТЭ планарной геометрии. Полезная модель может быть использована для изготовления энергоустановок на базе ТОТЭ планарной геометрии. Блок ТОТЭ планарной геометрии имеет повторяющийся узел, состоящий из, как минимум, одного топливного элемента планарной геометрии, одной биполярной пластины с дополнительной площадкой склейки в центральной области, токосъемной металлической сетки с отверстием для дополнительной склейки, двух разделительных элементов и набора герметизирующих прокладок на основе стекла с дополнительными прокладками для центрально-осевого участка склейки. Технический результат состоит в повышении надежности блока ТОТЭ планарной геометрии за счет добавления дополнительного участка склейки, расположенного на центральной оси блока ТОТЭ.

The utility model relates to a block of solid oxide fuel cells (SOFC), in particular to adhesive pads that serve to increase the rigidity of a planar SOFC block. The utility model can be used for the manufacture of power plants based on SOFC of planar geometry. A planar SOFC block has a repeating assembly consisting of at least one planar geometry fuel element, one bipolar plate with an additional gluing area in the central region, a current-collecting metal mesh with a hole for additional gluing, two separating elements and a set of sealing gaskets based on glass with additional spacers for the central-axial gluing section. The technical result consists in increasing the reliability of the SOFC block of planar geometry by adding an additional gluing section located on the central axis of the SOFC block.

Description

Полезная модель относится к блокам твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), в частности, к герметизирующим прокладкам, которые служат для разделения топливного и окислительного объемов блока, а также для повышения жесткости блока ТОТЭ планарной геометрии. The utility model relates to blocks of solid oxide fuel cells (SOFCs), in particular, to sealing gaskets that serve to separate the fuel and oxidizing volumes of the block, as well as to increase the rigidity of the SOFC block of planar geometry.

Полезная модель может быть использована для изготовления энергоустановок на базе ТОТЭ планарной геометрии.The utility model can be used for the manufacture of power plants based on SOFC of planar geometry.

С целью изготовления энергоустановок требуемой мощности отдельные ТОТЭ (мембранно-электродные блоки, МЭБ) объединяют в блоки твердооксидных топливных элементов. Наиболее часто отдельные ТОТЭ объединяются в блоки по последовательной схеме, где катод и анод элемента (ТОТЭ, МЭБ) под номером п имеют электрический контакт с анодом элемента n-1 и катодом элемента n+1, соответственно. Для обеспечения электрического контакта между элементами используются конструкционные элементы, изготовленные из материалов с низким удельным сопротивлением, часто металлов, называемые биполярными пластинами или токовыми коллекторами. Также в задачи биполярной пластины входят разделение окислительного и топливного газовых пространств соседних ТОТЭ, газораспределение в объеме блока ТОТЭ и в плоскости электродов отдельных твердооксидных топливных элементов. Для герметизации газовых пространств блока ТОТЭ используют герметизирующие прокладки на основе стекол или компрессионных материалов.In order to manufacture power plants of the required power, individual SOFCs (membrane-electrode blocks, MEAs) are combined into blocks of solid oxide fuel cells. Most often, individual SOFCs are combined into blocks in a series scheme, where the cathode and anode of the element (SOFC, MEA) under the number n have electrical contact with the anode of the element n-1 and the cathode of the element n+1, respectively. To ensure electrical contact between the elements, structural elements made of materials with low resistivity, often metals, are used, called bipolar plates or current collectors. Also, the tasks of the bipolar plate include the separation of the oxidizing and fuel gas spaces of neighboring SOFCs, gas distribution in the volume of the SOFC block and in the plane of the electrodes of individual solid oxide fuel cells. Sealing gaskets based on glasses or compression materials are used to seal the gas spaces of the SOFC unit.

Зачастую, отказы при работе энергоустановок на ТОТЭ связаны с нарушением геометрии блоков твердооскидных топливных элементов. Нарушение геометрии блока ТОТЭ в процессе работы или циклов нагрева/охлаждения может приводить как к разгерметизации газовых пространств блока за счет нарушения целостности топливных элементов или герметизирующих швов, так и снижению снимаемой с блока ТОТЭ мощности по причине нарушения электрического контакта на границах «биполярная пластина | электрод». Основная причина нарушения геометрии блока ТОТЭ - появление внутренних напряжений в процессе работы и циклов нагрева/охлаждения вследствие несоответствия коэффициентов термического расширения ее элементов и наличия существенных температурных градиентов.Often, failures in the operation of SOFC power plants are associated with a violation of the geometry of blocks of solid oxide fuel cells. Violation of SOFC unit geometry during operation or heating/cooling cycles can lead both to depressurization of the gas spaces of the unit due to violation of the integrity of fuel cells or sealing seams, and to a decrease in the power removed from the SOFC unit due to electrical contact failure at the boundaries of the "bipolar plate | electrode". The main reason for violation of SOFC block geometry is the appearance of internal stresses during operation and heating/cooling cycles due to mismatch of thermal expansion coefficients of its elements and the presence of significant temperature gradients.

Целостность и конструкционная жесткость блока ТОТЭ обеспечивается за счет жесткости элементов блока (биполярные пластины, топливные элементы и т.д.) и внешних конструкционных элементов, к которым прикладывается стягивающее вдоль оси блока усилие. При этом внешние конструкционные элементы должны обеспечивать равномерное распределение стягивающего усилия, что при увеличении линейных размеров топливного элемента приводит к росту массы и габаритов внешних конструкционных элементов. В случае использования герметизирующих прокладок на основе стекол, процедура герметизации газовых пространств блока ТОТЭ проводится при температурах размягчения стекла, превышающих рабочие на 100 и более градусов Цельсия. Таким образом, герметизирующие прокладки на основе стекла при температурах, не превышающих рабочие, могут вносить существенный вклад в сохранение целостности и геометрии блока за счет собственной жесткости и хорошей адгезии к склеиваемым поверхностям.The integrity and structural rigidity of the SOFC block is ensured by the rigidity of the block elements (bipolar plates, fuel cells, etc.) and external structural elements, to which a force is applied along the block axis. In this case, the external structural elements must ensure a uniform distribution of the tightening force, which, with an increase in the linear dimensions of the fuel element, leads to an increase in the mass and dimensions of the external structural elements. In the case of using glass-based sealing gaskets, the procedure for sealing the gas spaces of the SOFC unit is carried out at glass softening temperatures that exceed the operating temperatures by 100 degrees Celsius or more. Thus, glass-based sealing gaskets at temperatures not exceeding operating temperatures can make a significant contribution to maintaining the integrity and geometry of the block due to their own rigidity and good adhesion to the surfaces to be glued.

Известна конструкция, наиболее близкая к предлагаемой, в которой жесткость блока твердооксидных топливных элементов обеспечивается за счет жесткости биполярных пластин, топливных элементов, разделительных элементов и герметизирующих прокладок на основе стекла (RU 204343 U1, опубл. 2021.05.21, МПК H01M 8/1213 Н01М 8/2432). Такая конструкция предполагает использование дополнительных внешних конструкционных элементов, обеспечивающих целостность блока ТОТЭ. Также, к недостаткам предложенной конструкции можно отнести использование герметизирующих прокладок в областях, приближенных к внешним границам блока, что при увеличении линейных размеров единичного ТОТЭ должно приводить к росту несоответствия температурного удлинения элементов блока, пропорциональному размеру незакрепленных поверхностей и, следовательно, к росту сдвиговых напряжений на герметизируемые швы.A design is known that is closest to the proposed one, in which the rigidity of the block of solid oxide fuel cells is ensured by the rigidity of the bipolar plates, fuel cells, separator elements and glass-based sealing gaskets (RU 204343 U1, publ. 2021.05.21, IPC H01M 8/1213 H01M 8/2432). This design involves the use of additional external structural elements that ensure the integrity of the SOFC unit. Also, the disadvantages of the proposed design include the use of sealing gaskets in areas close to the outer boundaries of the block, which, with an increase in the linear dimensions of a single SOFC, should lead to an increase in the discrepancy between the thermal elongation of the block elements, proportional to the size of loose surfaces and, therefore, to an increase in shear stresses on sealed seams.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении надежности блока ТОТЭ планарной геометрии за счет добавления дополнительного участка склейки, расположенного на центральной оси блока ТОТЭ, что позволяет уменьшить линейные размеры незакрепленных поверхностей элементов блока и снизить величину сдвиговых напряжений, действующих на герметизируемые швы.The technical result, which the claimed utility model is aimed at, is to increase the reliability of the SOFC block of planar geometry by adding an additional gluing section located on the central axis of the SOFC block, which makes it possible to reduce the linear dimensions of the loose surfaces of the block elements and reduce the amount of shear stresses acting on sealed seams.

Для достижения указанного технического результата блок ТОТЭ планарной геометрии имеет повторяющийся узел, состоящий из, как минимум, одного твердооксидного топливного элемента планарной геометрии, одной биполярной пластины с дополнительной площадкой склейки в центральной области, токосъемной металлической сетки с отверстием для дополнительной склейки, двух разделительных элементов и набора герметизирующих прокладок на основе стекла, дополненного прокладками для дополнительного участка склейки.To achieve the specified technical result, the SOFC unit of planar geometry has a repeating unit consisting of at least one solid oxide fuel element of planar geometry, one bipolar plate with an additional gluing area in the central region, a current-collecting metal grid with a hole for additional gluing, two separating elements and a set of sealing gaskets based on glass, supplemented with gaskets for an additional gluing area.

На фиг. 1 показан вид с разнесенными частями повторяющегося узла блока ТОТЭ планарной геометрии, содержащий следующие основные элементы:In FIG. Figure 1 shows an exploded view of a repeating unit of a SOFC block of planar geometry, containing the following main elements:

1) высокотемпературный герметик (набор герметизирующих прокладок);1) high temperature sealant (set of sealing gaskets);

2) твердооксидный топливный элемент;2) solid oxide fuel cell;

3) разделительные элементы;3) separating elements;

4) биполярная пластина с дополнительной площадкой склейки в центральной области;4) bipolar plate with an additional gluing area in the central region;

5) прокладки на основе герметизирующего стекла для дополнительного участка склейки;5) gaskets based on sealing glass for an additional gluing area;

6) токосъемная металлическая сетка с отверстием для дополнительной склейки;6) current-collecting metal mesh with a hole for additional gluing;

7) дополнительная площадка склейки в центральной области биполярной пластины.7) additional gluing area in the central region of the bipolar plate.

При изготовлении блока ТОТЭ разделительные элементы (3) укладываются по сторонам от твердооксидного топливного элемента (2) на плоскость биполярной пластины (4) через прокладки высокотемпературного герметика (1) и прокладку дополнительного участка склейки (5), совмещаемую с дополнительной площадкой склейки в центральной области биполярной пластины (7). Толщина разделительных элементов (3) выбирается с учетом толщины твердооксидного топливного элемента (2) и контактных слоев так, чтобы получалась общая плоскость герметизации прианодной газовой полости, на которую затем укладывается токосъемная металлическая сетка с отверстием для дополнительной склейки (6), единая прокладка высокотемпературного герметика (1) и прокладка дополнительного участка склейки (5). Толщина токосъемной металлической сетки выбирается равной толщине герметизирующего шва после процедуры герметизации блока ТОТЭ, а отверстие отвечает по форме и совмещается с прокладкой дополнительного участка склейки (5). Таким образом обеспечивается не только герметизация топливных пространств, но и плотное прилегание токосъемных плоскостей биполярной пластины и электродов ТОТЭ. При этом, добавление дополнительной площадки склейки в центральной области биполярной пластины и прокладок на основе герметизирующего стекла для дополнительного участка склейки по двум сторонам топливного элемента формирует единую ось жесткости, расположенную в центральной области блока ТОТЭ. Применение дополнительного участка склейки позволяет уменьшить линейные размеры незакрепленных поверхностей элементов блока, тем самым снижая величину сдвиговых напряжений, действующих на герметизируемые швы, и повышая надежность блока топливных элементов планарной геометрии.When manufacturing the SOFC block, the separating elements (3) are placed on the sides of the solid oxide fuel cell (2) on the plane of the bipolar plate (4) through the gaskets of high-temperature sealant (1) and the gasket of the additional gluing area (5), which is combined with the additional gluing area in the central region bipolar plate (7). The thickness of the separating elements (3) is selected taking into account the thickness of the solid oxide fuel element (2) and the contact layers so that a common sealing plane of the near-anode gas cavity is obtained, on which a current-collecting metal mesh with a hole for additional gluing (6) is then laid, a single gasket of high-temperature sealant (1) and laying an additional gluing section (5). The thickness of the current-collecting metal grid is chosen equal to the thickness of the sealing seam after the sealing procedure of the SOFC unit, and the hole corresponds in shape and is aligned with the gasket of the additional gluing section (5). Thus, not only sealing of the fuel spaces is ensured, but also a tight fit of the current-collecting planes of the bipolar plate and SOFC electrodes. At the same time, adding an additional gluing area in the central region of the bipolar plate and gaskets based on sealing glass for an additional gluing area on both sides of the fuel cell forms a single rigidity axis located in the central region of the SOFC block. The use of an additional gluing area makes it possible to reduce the linear dimensions of the loose surfaces of the block elements, thereby reducing the magnitude of shear stresses acting on the sealed seams and increasing the reliability of the block of planar geometry fuel elements.

Для изготовления прокладок дополнительного участка склейки используется тот же материал, что и для герметизирующих прокладок, что позволяет одновременно удовлетворить требованиям согласования коэффициентов температурного расширения компонентов блока ТОТЭ и равности толщин токосъемной металлической сетки и герметизируемых швов.For the manufacture of gaskets for the additional gluing section, the same material is used as for sealing gaskets, which allows simultaneously meeting the requirements for matching the thermal expansion coefficients of the SOFC unit components and equal thicknesses of the current-collecting metal mesh and sealed joints.

Claims

Block of solid oxide fuel cells of planar geometry, containing a repeating assembly, consisting of at least one fuel cell of planar geometry, one bipolar plate, a current-collecting metal grid, two separating elements and a set of sealing gaskets, characterized in that an additional gluing area in the central region of the bipolar plates and gaskets based on sealing glass for an additional gluing area on both sides of the fuel cell form a single rigidity axis located in the central area of the SOFC block.