полярная пластина, в частности концевая пластина или биполярная пластина, для топливного элемента

Формула изобретения

1. Полярная пластина (10, 12), в частности концевая пластина (10) или биполярная пластина (12), для топливного элемента (14), содержащая по меньшей мере одно поле (16) течения, которое доступно с по меньшей мере одной стороны полярной пластины (10, 12), причем полярная пластина (10, 12) содержит пластину (22) с полем течения, содержащую упомянутое по меньшей мере одно поле (16) течения, и глухую пластину (24), содержащую множество входных отверстий (18), при этом упомянутое по меньшей мере одно поле (16) течения доступно через упомянутое множество входных отверстий (18), отличающаяся тем, что множество входных отверстий (18) отделены друг от друга по меньшей мере одной или несколькими усилительными распорками (20).

2. Полярная пластина (10, 12) по п.1, отличающаяся тем, что она по меньшей мере частично состоит из стали, в частности из ферритной стали.

3. Полярная пластина (10, 12) по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое по меньшей мере одно поле (16) течения предусмотрено для подвода водородсодержащего рабочего газа к мембранно-электродному узлу (26).

4. Полярная пластина (10, 12) по п.2, отличающаяся тем, что упомянутое по меньшей мере одно поле (16) течения предусмотрено для подвода водородсодержащего рабочего газа к мембранно-электродному узлу (26).

5. Полярная пластина (10, 12) по п.3, отличающаяся тем, что она является концевой пластиной (10).

6. Полярная пластина (10, 12) по п.3 или 4, отличающаяся тем, что она является биполярной пластиной (12) и что на противоположной входным отверстиям (18) стороне биполярной пластины (12) предусмотрены распределительные приспособления (28) для подвода кислородсодержащего газа к другому мембранно-электродному узлу (26).

7. Завершающий узел (30) для батареи (32) топливных элементов, содержащий:

полярную пластину (10) по п.5 и

мембранно-электродный узел (26), покрывающий множество входных отверстий (18).

8. Повторяющийся узел (34) для батареи (32) топливных элементов, содержащий:

полярную пластину (12) по п.6 и

мембранно-электродный узел (26), покрывающий множество входных отверстий (18).

9. Батарея (32) топливных элементов, содержащая:

по меньшей мере один завершающий узел (30) по п.7 и

множество повторяющихся узлов (34) по п.8.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полярной пластине, в частности к концевой пластине или биполярной пластине, для топливного элемента, содержащей по меньшей мере одно поле течения, которое доступно с по меньшей мере одной стороны полярной пластины. Далее изобретение относится к завершающему и повторяющемуся узлу для батареи топливных элементов, а также к батарее топливных элементов.

Например, в системах твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ или SOFC) батарея топливных элементов может состоять из наложенных стопкой друг на друга повторяющихся узлов, а также двух завершающих узлов.

На фигурах 1, 2, 4 и 6 изображена полярная пластина согласно уровню техники, причем на фигуре 1 дан схематический вид в разрезе полярной пластины, на фигуре 2 - деформированная из-за механических напряжений полярная пластина по фигуре 1, на фигуре 4 - детальный вид Y с фигуры 1, а на фигуре 6 - перспективное изображение полярной пластины. Известная полярная пластина 10' включает в себя пластину 22' с полем течения, образующую нижнюю часть корпуса и имеющую не изображенное более детально поле 16' течения, и глухую пластину 24', образующую верхнюю часть корпуса. Глухая пластина 24' включает в себя, наряду с двумя не представляющими особого интереса отверстиями для подачи рабочих сред, входное отверстие 18', через которое обеспечивается доступ к полю 16' течения, что лучше всего видно на фигуре 6. Пластина 22' с полем течения и глухая пластина 24' газонепроницаемо соединены посредством не изображенного более детально сварного шва. Над входным отверстием 18' и/или в нем расположен мембранно-электродный узел 26', который прикреплен с силовым замыканием, например, при помощи стеклянного припоя, к краевой зоне глухой пластины 24'. Уплотнения, способствующие контакту слои и т.д., дополнительно предусмотренные в реальных вариантах исполнения, для большей наглядности не изображены.

Мембранно-электродный узел 26' может быть изготовлен, например, из стабилизированного иттрием оксида циркония, в то время как полярная пластина 10' может быть изготовлена из ферритной стали. Эти столь различные материалы обладают различными коэффициентами расширения, которые при термической циклизации приводят к механическим напряжениям (например, в системе твердооксидных топливных элементов ТОТЭ температура может колебаться от комнатной температуры до рабочей температуры в 800°С или даже более). Как стабилизированный иттрием оксид циркония, так и ферритная сталь в принципе способны поглощать растягивающие и сжимающие напряжения, при этом практически не деформируясь. Распознаваемая в особенности на фигуре 1 трехмерная структура полярной пластины 10' с узкими кромками приводит, однако, к тому, что могут появиться изгибающие моменты и тем самым изгибание структуры. Кроме этого, могут появиться отклонения из-за механического события загиба. Если, к примеру, мембранно-электродный узел 26' при комнатной температуре находится под воздействием сжимающего напряжения, а полярная пластина 10', состоящая из пластины 22' с полем течения и глухой пластины 24', находится под воздействием растягивающего напряжения, то возникает изгибающий момент, как это показано на фигуре 4. При этом возникающая в результате сжимающего и растягивающего напряжений сила F взаимодействует с плечом рычага L₁. Этот изгибающий момент может привести к деформации полярной пластины 10', как это изображено на фигуре 2. Изображенная деформация представляет собой релаксацию напряжений. Возникает положение равновесия, при котором изменяются также и значения длины. Например, изображенный на фигуре 2 размер х₂ больше, чем изображенный на фигуре 1 размер х₁.

Деформации повторяющихся узлов или завершающих узлов 30', как показано на фигуре 2, могут привести к разрыву уплотнений и/или к обрыву или сдвигу электрических контактов.

Поэтому в основе изобретения лежит задача по меньшей мере значительного снижения деформаций завершающих и/или повторяющихся узлов батареи топливных элементов при термической циклизации.

Эта задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения.

Выгодные варианты осуществления и усовершенствования изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Полярная пластина согласно изобретению основана на современном уровне техники в том, что упомянутое по меньшей мере одно поле течения доступно через множество входных отверстий. В основе этого решения лежит открытие того, что если вместо одного большого входного отверстия предусматриваются несколько малых входных отверстий, то имеющийся между входными отверстиями материал придает жесткость всей конструкции и, кроме этого, приводит к снижению изгибающих моментов. В результате этого по меньшей мере значительно снижается деформация завершающих и/или повторяющихся узлов, что дает повышенную стойкость к циклизации. Поскольку уплотнения больше не разрываются, то улучшается герметичность. А так как предотвращается обрыв или сдвиг электрических контактов, то достигается меньшее ухудшение контактов во всей батарее топливных элементов, то есть контактирования анода и катода и т.д.

В предпочтительных вариантах исполнения предусматривается, что множество входных отверстий отделены друг от друга по меньшей мере одной или несколькими усилительными распорками. Например, возможно разделить одно большое прямоугольное или квадратное входное отверстие расположенными перпендикулярно друг другу усилительными распорками на множество прямоугольных или квадратных входных отверстий меньшего размера. В этой связи считается особенно преимущественным, когда усилительные распорки образуются за счет материала так называемой глухой пластины, как это будет подробнее разъяснено ниже.

Кроме этого, для полярной пластины согласно изобретению является предпочтительным, чтобы она включала в себя пластину с полем течения, содержащую по меньшей мере одно поле течения, и глухую пластину, содержащую множество входных отверстий. По аналогии с уровнем техники, пластина с полем течения и глухая пластина газонепроницаемо соединены друг с другом, например, посредством сварки.

В предпочтительных вариантах исполнения полярной пластины согласно изобретению предусматривается, что она по меньшей мере частично состоит из стали, в частности, из ферритной стали. Ферритная сталь, например, подходит для того, чтобы выдерживать те температуры, которые встречаются при эксплуатации систем твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Далее, для полярной пластины согласно изобретению является предпочтительным, чтобы упомянутое по меньшей мере одно поле течения было предусмотрено для подвода водородсодержащего рабочего газа к мембранно-электродному узлу. По аналогии с уровнем техники, мембранно-электродный узел может быть изготовлен, например, по большей части из стабилизированного иттрием оксида циркония.

В определенных вариантах исполнения полярной пластины согласно изобретению предусматривается, что она представляет собой концевую пластину. Для одной из концевых пластин батареи топливных элементов достаточно, чтобы она содержала поле течения для распределения водородсодержащего рабочего газа.

В других вариантах исполнения полярной пластины согласно изобретению предусматривается, что она представляет собой биполярную пластину и что на противоположной входным отверстиям стороне биполярной пластины предусмотрены распределительные приспособления для подвода кислородсодержащего газа к еще одному мембранно-электродному узлу. Распределительные приспособления могут быть выполнены, к примеру, каналообразными и крепиться на противоположной полю течения стороне пластины с полем течения или же выполняться заодно с ней.

Завершающий узел согласно изобретению для батареи топливных элементов может, в частности, включать в себя:

- полярную пластину в виде концевой пластины для батареи топливных элементов с по меньшей мере одним полем течения, которое доступно с по меньшей мере одной стороны концевой пластины через множество входных отверстий, и

- мембранно-электродный узел, закрывающий это множество входных отверстий,

причем упомянутое по меньшей мере одно поле течения предусмотрено для подвода водородсодержащего рабочего газа к мембранно-электродному узлу.

Повторяющийся узел согласно изобретению для батареи топливных элементов может, в частности, включать в себя:

- полярную пластину в виде биполярной пластины для батареи топливных элементов с по меньшей мере одним полем течения, которое доступно с по меньшей мере одной стороны концевой пластины через множество входных отверстий, и

- мембранно-электродный узел, закрывающий это множество входных отверстий,

причем упомянутое по меньшей мере одно поле течения предусмотрено для подвода водородсодержащего рабочего газа к мембранно-электродному узлу, и при этом на противоположной входным отверстиям стороне биполярной пластины предусмотрены распределительные приспособления для подвода кислородсодержащего газа к другому мембранно-электродному узлу, относящемуся к другому завершающему и повторяющемуся узлу.

Кроме этого, батарея топливных элементов согласно изобретению включает в себя:

- по меньшей мере один завершающий узел согласно изобретению и

- множество повторяющихся узлов согласно изобретению.

Предпочтительные варианты реализации изобретения поясняются в качестве примера ниже более подробно со ссылкой на соответствующие чертежи. При этом на фигурах изображено следующее:

фигура 1 - уже описанный в начале вид в разрезе завершающего узла согласно уровню техники;

фигура 2 - также уже описанный в начале завершающий узел по фигуре 1 в деформированном состоянии;

фигура 3 - схематический вид в разрезе одного варианта исполнения завершающего узла согласно изобретению;

фигура 4 - уже описанный в начале детальный вид Y с фигуры 1;

фигура 5 - детальный вид Z с фигуры 5;

фигура 6 - уже описанное в начале перспективное изображение полярной пластины согласно уровню техники;

фигура 7 - перспективное изображение варианта исполнения полярной пластины согласно изобретению;

фигура 8 - схематический вид в разрезе варианта исполнения повторяющегося узла согласно изобретению;

фигура 9 - схематический вид в разрезе варианта исполнения батареи топливных элементов согласно изобретению.

На фигурах одинаковые или похожие ссылочные позиции обозначают одинаковые или похожие элементы, которые во избежание повторений поясняются только один раз.

Как это лучше всего видно при сравнении фигур 6 и 7, полярная пластина 10 согласно изобретению имеет вместо одного единственного большого входного отверстия 18' (см. фигуру 6) множество входных отверстий 18, как это изображено на фигуре 7. При этом множество входных отверстий 18 отделены друг от друга несколькими усилительными распорками 20, образованными за счет материала глухой пластины 24. Через множество входных отверстий 18 имеется доступ к полю 16 течения, образованному пластиной 22 с полем течения или размещенному в ней. Как пластина 22 с полем течения, так и глухая пластина 24 могут преимущественно изготавливаться из ферритной стали.

На фигурах 3 и 5 образующая множество входных отверстий 18 зона глухой пластины 24 изображена пунктирной линией. Сравнение фигур 4 и 5 показывает, что плечо рычага L₂ по сравнению с плечом рычага L ₁ с фигуры 4 значительно сокращается за счет усилительных распорок 20. Благодаря этому меньший изгибающий момент действует на еще более жесткую за счет усилительных распорок 20 структуру. Тем самым по меньшей мере заметно уменьшается как деформация завершающего узла 30 согласно изобретению (см. фигуру 3), так и деформация повторяющегося узла 34 согласно изобретению (см. фигуру 8) по сравнению с уровнем техники. Изображенный на фигуре 8 повторяющийся узел 34 отличается от изображенного на фигуре 3 завершающего узла 30 тем, что на противоположной полю 16 течения стороне пластины 22 с полем течения предусмотрены распределительные приспособления 28 для подвода кислородсодержащего газа к другому мембранно-электродному узлу. Эти распределительные приспособления 28 могут быть выполнены в любой подходящей, хорошо знакомой специалистам форме, например в виде поперечин.

Взаимодействие завершающего узла 30 согласно изобретению с двумя повторяющимися узлами 34 согласно изобретению и еще одним дополнительным, не представляющим здесь особого интереса завершающим узлом 36 другой конструкции можно видеть на фигуре 9, которая иллюстрирует один вариант исполнения батареи топливных элементов согласно изобретению. При этом на каждый мембранно-электродный узел через соответствующее поле 16 течения может подаваться с одной стороны водородсодержащий рабочий газ, а с другой стороны через соответствующие распределительные приспособления 28 - кислородсодержащий газ, как это известно само по себе. Хотя отдельные компоненты батареи 32 топливных элементов устроены несимметрично, как в уровне техники, в целом достигаются меньшие изгибающие моменты и более жесткая структура, которая при возникающих в результате колебания температур механических напряжениях заметно меньше деформируется по сравнению с уровнем техники.

Раскрытые в предыдущем описании, на чертежах, а также в формуле признаки изобретения могут быть существенными для реализации изобретения как отдельно, так и в любой комбинации.

Список ссылочных позиций

10, 10' -полярная пластина;

12 - полярная пластина;

14 - топливный элемент;

16, 16' - поле течения;

18, 18' - входное(ые) отверстие(я);

20 - усилительные распорки;

22, 22' - пластина с полем течения;

24, 24' - глухая пластина;

26, 26' - мембранно-электродный узел;

28 - распределительные приспособления;

30, 30' - завершающий узел;

32 - батарея топливных элементов;

34 - повторяющийся узел;

36 - завершающий узел другой конструкции.