(57) Реферат / Формула:
Данное изобретение относится к батареям элементов с элементами, приспособленными для работы в качестве твердых оксидных топливных элементов или твердых оксидных электролитических ячеек, включающим элементы с противопотоками анодного газа по отношению к катодному газу в первой части каждого элемента и с совпадающими по направлению потоками во второй части каждого элемента, что приводит к выравниванию температурного профиля элемента и батареи элементов относительно батарей элементов, в которых только совпадающие по направлению потоки или только противопотоки.
Евразийское (2D 201390436 (13) А1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. H01M 8/04 (2006.01)
2013.09.30 H01M 8/24 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки 2010.09.28
(54) ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА С
СОВПАДАЮЩИМИ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОТОКАМИ/ПРОТИВОТОКАМИ
(86) PCT/EP2010/005898
(87) WO 2012/041338 2012.04.05
(71) Заявитель:
ТОПСЁЭ ФУЛЬ СЕЛЛ А/С (DK)
(72) Изобретатель:
Ензен Крестен Юэль Николай Лаут, Вайхель Стин (DK)
(74) Представитель:
Юрчак Л.С. (KZ) (57) Данное изобретение относится к батареям элементов с элементами, приспособленными для работы в качестве твердых оксидных топливных элементов или твердых оксидных электролитических ячеек, включающим элементы с противопо-токами анодного газа по отношению к катодному газу в первой части каждого элемента и с совпадающими по направлению потоками во второй части каждого элемента, что приводит к выравниванию температурного профиля элемента и батареи элементов относительно батарей элементов, в которых только совпадающие по направлению потоки или только противопотоки.
ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА С СОВГТАДАЮЩИМИ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОТОКАМИ / ПРОТИВОПОТОКАМИ
Данное изобретение относится к батареям элементов, в частности, к батареям твердых оксидных топливных элементов (ТОТЭ) или к батареям твердых оксидных электролитических ячеек (ТОЭЯ), в которых направление потока катодного газа относительно потока анодного газа внутри каждого элемента (ячейки) комбинируются, так что в каждом элементе имеется противопотоки, а также совпадающие по направлению потоки. Дополнительно множественные газовые потоки могут быть объединены после прохождения первой части каждого элемента, перед тем как газовый поток снова разделяют и направляют во вторую часть каждого элемента.
В дальнейшем изобретение поясняется в отношении ТОТЭ. Соответственно, в ТОТЭ катодный газ является окисляющим газом и анодный газ является топливным газом. Однако, изобретение может также применяться в других типах элементов (ячеек), таких как ТОЭЯ, как уже упомянуто, или в равной мере в топливных элементах с полимерным электролитом (ТЭПЭ) или прямых метанольных топливных элементах (ПМТЭ).
ТОТЭ включает электролит, проводящий ион кислорода, катод, на котором кислород восстанавливается, и анод, на котором водород окисляется. Полная реакция в ТОТЭ состоит в том, что водород и кислород реагируют электрохимически, вырабатывая электричество, тепло и воду. Рабочая температура ТОТЭ находится в интервале от 550 до 1000°С, предпочтительно от около 650 до 850°С. Один элемент ТОТЭ выдает при обычном действии напряжение приблизительно 0,8 В. Для того чтобы увеличить общее напряжение на выходе, топливные элементы объединяют в батареи, в которых топливные элементы соединены электрически посредством соединительных пластин.
Для того чтобы произвести необходимый водород, анод обычно обладает каталитической активностью для реформинга потока
углеводородов, в частности, природного газа, при котором генерируются водород, двуокись углерода и моноокись углерода. Реформинг потока метана, главного компонента природного газа, может быть описан следующими уравнениями:
СН4 + Н20 1^. СН4 + С02 ±> СО + Н20 1^.
СО + ЗН2, 2С0 + 2Н2, С02 + Н2.
Во время работы подается окислитель, такой как воздух, в катодную область твердого оксидного топливного элемента. Топливо, такое как водород, подается в анодную область топливного элемента. Альтернативно, углеводородное топливо, такое как метан, подается в анодную область, где оно превращается в водород и окислы углерода в ходе приведенных выше реакций. Водород проходит через пористый анод и реагирует на стыке анода/электролита с ионами кислорода, генерированными на катодной стороне и прошедшими через электролит. Ионы кислорода создаются на катодной стороне в результате приема электрона из внешней цепи элемента.
Соединительные пластины позволяют разделять анодные и катодные стороны соседних элементов и в то же самое время проводят электрический ток между анодом и катодом. Соединительные пластины обычно оснащены множеством каналов для пропускания анодного газа (топлива) с одной стороны соединительной пластины и катодного газа (окисляющего газа) с другой стороны. Направление потока анодного газа определяется в существенной мере как направление от области впуска анодного газа к области выпуска анодного газа отдельного элемента. Таким же образом определяется направление потока катодного газа в существенной мере, как направление от области впуска катодного газа к области выпуска катодного газа отдельного элемента. Таким образом, внутри элемента могут иметь место совпадающие по направлению потоки, когда направление потока анодного газа является в
существенной мере тем же самым, что и направление потока катодного газа, или перекрестные потоки, когда направление потока анодного газа является в существенной мере перпендикулярным направлению потока катодного газа, или противопотоки, когда направление потока анодного газа является в существенной мере противоположным направлению потока катодного газа.
Традиционно элементы объединяют в батареи верхними частями одного с другим с полным перекрыванием, проявляющимся тем в батарее, например, имеющей совпадающие по направлению потоки, что все напуски анодного газа и катодного газа расположены с одной стороны батареи, и все выпуски анодного газа и катодного газа расположены с противоположной стороны батареи. В связи с общей экзотермичностью электрохимического процесса выходящие газы выходят при более высокой температуре, чем температура на входе. Когда это сочетается с ТОТЭ батареей работающей при температуре, например, 750°С, то создается большой температурный градиент вокруг батареи. Эти температурные градиенты вокруг батареи в некоторой степени необходимы для охлаждения батареи, поскольку воздушное охлаждение пропорционально температурному градиенту, однако большие термические градиенты вызывают термические напряжения в батарее, которые очень нежелательны и которые вызывают различия в плотности тока и электрического сопротивления. В связи с этим существует проблема термического регулирования батареи ТОТЭ, которая состоит в уменьшении термальных градиентов до уже достаточных для избегания неприемлемых напряжений, но все еще достаточно больших термальных градиентов, чтобы они способствовали охлаждению батареи упомянутыми газами.
Термальные градиенты, которые необходимы для охлаждения батареи, задают предел электрического эффекта, который может дать батарея элементов. Высокая средняя температура элемента является выгодной в связи с электрическим эффектом, и средняя температура
элемента должна быть возможно ближе к максимальному пределу материалов элемента и батареи элементов. Однако, поскольку температурные градиенты необходимы для охлаждения батареи элементов, средняя температура элемента в действительности ниже, чем этот максимум предельной температуры. Сопротивление ASR (= area specific resistance = удельное сопротивление нормированное по площади) элемента выше при более низких средних температурах, таким образом электрический эффект снижается при понижении средней температуры элемента.
В US 6,830,844 описана система термического регулирования ансамбля топливных элементов, в частности, для предотвращения температурных градиентов выше 200°С вокруг катодов путем периодического реверсирования направления потока воздуха через катод, посредством чередования мест подачи и выпуска катодов.
В US 6,803,136 описана батарея элементов с частичным перекрыванием между элементами, включенными в батарею, приводящим к общей спиральной конфигурации элементов. Элементы расположены под углом друг к другу, что обеспечивает легкое присоединение и термическое регулирование.
Объектом данного изобретения является предоставление в распоряжение батареи элементов, в частности, батареи твердых оксидных топливных элементов с высокой средней температурой элементов, что проявляется в минимизированном удельном сопротивлении ASR, и тем самым в улучшении электрического эффекта элемента и батареи элементов по сравнению с состоянием образцов батарей элементов.
Другим объектом данного изобретения является предоставление в распоряжение батарей элементов, в частности, батарей твердых оксидных топливных элементов, у которых температура у выпуска элемента близка или равна максимуму температуры элемента с учетом длительной прочности компонентов элемента и батареи,
посредством чего улучшается эффективность охлаждения катодного и анодного газа.
Еще один другой объект данного изобретения состоит в предоставлении в распоряжение батареи элементов, в частности, батареи твердых оксидных топливных элементов с распределительной сетью для анодного газа, когда анодный газ, выходящий потоком из каждого элемента батареи элементов собирается и смешивается после прохождения части каждого элемента, а затем разделяется и проходит через оставшуюся часть каждой ячейки, в результате чего оптимизируется использование топлива.
Объект данного изобретения состоит в предоставлении в распоряжение батареи элементов, в частности, батареи твердых оксидных топливных элементов, в которой потоки в каждом элементе изменяются с противопотоков анодного газа по отношению к катодному газу в первой части каждого элемента на совпадающие по направлению потоки во второй части каждого элемента, что оптимизирует распределение тепла в каждом элементе и во всей батарее элементов.
Другой объект данного изобретения состоит в предоставлении в
распоряжение батареи элементов, в частности, батареи твердых
оксидных топливных элементов, в которой отношение площадей
противопотока / совпадающего по направлению потока может
варьироваться для подгонки специфической желательной
операционной точки.
Эти и другие объекты решаются этим изобретением.
Соответственно, мы предоставляем в распоряжение батарею элементов, в частности, батарею твердых оксидных топливных элементов, включающую множество плоских элементов, которые соединены в слои верхними частями каждого в плоскостях параллельных друг другу, в которых каждый единичный элемент
включает анод, электролит и катод, и в которых анод и катод
соседних элементов отделены один от другого соединительной
пластиной. Каждый элемент батареи элементов имеет, как минимум,
одну зону впуска анодного газа и, как минимум, одну зону впуска
катодного газа; как минимум, одну зону выпуска анодного газа и,
как минимум, одну зону выпуска катодного газа. Анодная часть
каждого элемента в батарее или катодная часть каждого элемента в
батарее разделена на, как минимум, первую часть и вторую часть.
В любом из двух этих случаев каждый элемент разделен на, как
минимум, первую часть и вторую часть. Каждый элемент в батарее
элементов имеет противоположное направления потока
(противопоток) анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа в первой части элемента; и совпадающее направление потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа во второй части элемента.
При современном состоянии топливных элементов, должен быть сделан выбор среди преимуществ противопотоков и совпадающих по направлению потоков, соответственно, а эти преимущества состоят в следующем.
Преимущества противопотоков: элемента, связанная с низким элементов.
высокая средняя температура удельным сопротивлением ASR
Преимущество совпадающих по направлению потоков: температура на выходе анодного и катодного газа примерно также высока или равна максимальной температуре батареи (что невозможно в случае противопотоков) . Это максимизирует охлаждающую эффективность катодного газа и анодного газа. На системном уровне эта выгода предполагает малые паразитные потери на вентиляторах и пониженные требования к объему теплообменника.
Однако в моделях потока согласно данному изобретению, в которых первая часть элемента действует в режиме противопотоков и вторая
часть элемента действует в режиме совпадающих по направлению потоков, преимущества противопотоков и совпадающих по направлению потоков комбинируются. Следовательно, низкое удельное сопротивление ASR и максимизированная охлаждающая эффективность реагирующих газов достигаются при комбинации в каждом из отдельных элементов в батарее элементов, поскольку обе геометрии потоков достигаются одновременно. Это особенно имеет место, когда работают с реформинговым, то есть охлаждающим анодным газом. Высокая средняя температура элемента достигается путем оптимизированного распределения тепла в элементе и тем самым в батарее. Оптимизированное распределение тепла также означает, что внутренние напряжения уменьшаются, так как перепад температур в элементе понижается. С другой стороны, внутренние напряжения вызывают значительные компрессионные силы в элементе и могут приводить к повреждению элемента.
Подлинное соотношение между площадью противопотоков и площадью совпадающих по направлению потоков в каждом элементе батареи можно варьировать в зависимости от типа анодного газа, рабочих параметров, специфических характеристик элемента и т.д. для достижения лучшей рабочей эффективности, в особенности с учетом удельного сопротивления ASR и охлаждающей эффективности. В одном из вариантов изобретения, площадь противопотоков элемента составляет около 80% от активной площади элемента, тогда как площадь совпадающих по направлению потоков составляет около 20% активной площади элемента. В другом варианте данного изобретения площадь противопотоков составляет между 85% и 70% каждого элемента или между 95% и 50% каждого элемента.
Возможно применение этих принципов описанных для элементов с противопотоками / совпадающими по направлению потоками для катодной стороны элемента так же, как анодной стороны элемента. То есть или катодный газ летит по существу в одном направлении, тогда как анодный газ летит вначале в направлении противоположном направлению движения катодного газа и после
этого в направлении, по существу совпадающему с направлением движения катодного газа; или анодный газ летит по существу в одном направлении, тогда как катодный газ летит вначале в направлении по существу противоположному направлению анодного газа, а после этого летит по существу в том же направлении, что и анодный газ. Однако, изменение направления полета анодного газа (топливо) обычно проще осуществить в связи с меньшими потоками анодного газа по сравнению с потоками катодного газа.
Так, в одном варианте изобретения, катодный газ летит в первом направлении через по существу электрохимически активную часть катода каждого из множества элементов в батарее элементов, и анодный газ летит во втором направлении по существу противоположном первому направлению через первую часть анода каждого элемента, а затем летит по существу в указанном первом направлении через вторую часть анода каждого элемента.
В одном из вариантов данного изобретения упомянутые выше образцы направлений полета получают путем локализации зон напуска катодного газа вблизи первой кромки элемента и зоны выпуска катодного газа вблизи второй кромки элемента. Понятно, что по существу вся активная площадь элемента локализована между указанной первой и указанной второй кромкой элемента. Так катодный газ входит через зону напуска вблизи первой кромки элемента, пролетает через активную площадь катода в первом направлении и затем выходит из элемента через выпуск вблизи второй кромки элемента.
На противоположной стороне элемента, а именно в области анода, анодный газ входит через первую зону напуска анодного газа, локализованную между указанными первой и второй кромкой элемента. Затем анодный газ проходит по первому пути протока газа, в котором он летит во втором направлении, по существу противоположном первому направлению, перед тем как он выходит через первый выпуск анодного газа, расположенный вблизи первой
кромки элемента. Следовательно, на этом первом пути прохождения анодного газа через первую часть элемента анодный и катодный газ летят в противоположных направлениях. После выхода анодного газа через первую зону выпуска анодного газа, анодный газ пропускают через внутреннюю или внешнюю систему трубок/коллектор и снова впускают в анодную часть элемента через вторую зону напуска анодного газа, которая также локализована между первой и второй кромкой элемента. Затем анодный газ проходит по второму пути в первом направлении от второй зоны напуска анодного газа через вторую часть элемента и выходит через вторую зону выпуска анодного газа, которая локализована у второй кромки элемента. Следовательно, в этой второй части элемента анодный газ и катодный газ проходят потоками в одинаковом направлении.
Элемент может иметь внутренний или внешний коллектор газа или комбинацию из двух, как хорошо описано в существующем уровне техники. В одном варианте катодный газ может быть доставлен в и из катодных частей элементов в батарее с помощью внешнего коллектора, так как эта зона напуска катодного газа является фактически почти полностью частью первой кромки элементов. Анодный газ в этом варианте может быть доставлен в и из анодных частей элементов в батарее с помощью внутреннего коллектора, такого как пустоты в промежуточных соединениях.
В одном варианте изобретения промежуточный анодный газ, выходящий из каждого элемента в батарее элементов, объединяют в общую сеть. Здесь "промежуточный" означает газ, который преодолел первый путь пролета, но перед прохождением второго пути пролета. Анодный газ, выходящий из каждого элемента через первую зону выпуска анодного газа, собирается в коллекторе и перемешивается в существенной мере гомогенную промежуточную общую смесь анодного газа, перед тем как его разделяют и направляют далее в каждую вторую зону напуска в каждом элементе в батарее. Это объединение в общую сеть потоков промежуточного анодного газа компенсирует различия в использовании топлива
элементами и поэтому обеспечивает более высокое общее использование топлива.
В другом варианте изобретения комбинация противопотоков и совпадающих по направлению потоков в каждом элементе обеспечивается другим образом, чем множественные зоны впуска и выпуска газа. Вместо того, чтобы содержать каналы для прохождения газа, промежуточные соединения подогнаны так, что они обеспечивают прохождение потока газа по существу в первом направлении на первой лицевой стороне промежуточного соединения, и прохождения потока газа по второму, по существу противоположному направлению на первой части второй лицевой поверхности промежуточного соединения, а также газовый поток в указанном первом направлении на второй части второй лицевой поверхности промежуточного соединения. Этот вариант может быть также подогнан таким образом, что только или анодный газ, или катодный газ проходят потоком только в одном направлении. Опять же, поскольку поток катодного газа, как правило, больше, чем поток анодного газа, может оказаться предпочтительным сконструировать каналы газовых потоков в промежуточном соединении таким образом, что катодный газ будет проходить потоком только в одном направлении, тогда как потоки анодного газа будут проходить по существу в двух направлениях, учитывая, например, отсутствие давления.
Сущность изобретения
1. Батарея элементов, включающая множество элементов, пригодных для эксплуатации в качестве топливных элементов или электролитических ячеек и соединенных между собой в батареи у верхней части каждого с образованием множества слоев элементов в батарее элементов, каждый из указанных элементов включает
• анод,
• электролит,
• катод,
в которой, каждый элемент является плоским и имеет
• как минимум, одну кромку,
• как минимум, одну зону впуска анодного газа,
• как минимум, одну зону выпуска анодного газа,
• как минимум, одну зону впуска катодного газа,
• как минимум, одну зону выпуска катодного газа,
в которой каждый слой элементов разделен посредством промежуточного соединения с каналами для пропускания газа с каждой стороны, а именно, первая сторона направлена к анодной части прилежащего элемента и обеспечивает прохождение потока анодного газа, и вторая сторона направлена к катодной стороне прилежащего элемента и обеспечивает прохождение потока катодного газа, в которой первая часть каждого элемента имеет противоположное направление потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, и в которой вторая часть каждого элемента имеет совпадающее направление потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа.
2. Батарея элементов, включающая множество элементов согласно признаку 1, в которой катодный газ летит в первом направлении через по существу всю катодную часть каждого элемента, и анодный газ летит во втором направлении, противоположном первому направлению, через первую анодную часть каждого элемента и летит в указанном первом направлении через вторую анодную часть каждого элемента.
3. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно признаку 2, в которой
• зона впуска катодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• зона выпуска катодного газа локализована вблизи второй кромки элемента,
• и первая зона впуска анодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• первая зона выпуска анодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• вторая зона впуска анодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• и вторая зона выпуска анодного газа локализована вблизи второй кромки элемента.
4. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно признаку 3, включающая коллектор, пригодный для сбора и смешивания анодного газа из первой зоны выпуска анодного газа каждого элемента и распределения перемешанного анодного газа далее по вторым зонам впуска анодного газа каждого элемента, при котором анодный газ проходит первый путь прохождения газа противопотоком по отношению к катодному газу, и после того, как он собирается, перемешивается и распределяется, указанный анодный газ проходит второй путь прохождения газа с направлением потока, совпадающим с направлением потока катодного газа.
5. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно признаку 1 или 2, в которой каналы прохождения газа направленные к анодной части каждого элемента подогнаны для обеспечения потока анодного газа в каждом элементе в первом направлении через первую часть каждого элемента и подогнаны для обеспечения потока анодного газа во втором направлении, которое противоположно первому направлению, через вторую часть каждого элемента.
6. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно признаку 1, в которой поток анодного газа проходит в первом направлении через по существу всю анодную часть каждого элемента и поток катодного газа проходит во втором направлении, которое противоположно первому направлению, через первую катодную часть каждого элемента и проходит в указанном первом направлении через вторую катодную часть каждого элемента.
7. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно признаку 6, в которой
• зона впуска анодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• зона выпуска анодного газа локализована вблизи второй кромки элемента,
• и первая зона впуска катодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• первая зона выпуска катодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• вторая зона впуска катодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• и вторая зона выпуска катодного газа локализована вблизи второй кромки элемента.
8. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно признаку 7, включающая коллектор, пригодный для собирания и смешивания катодного газа из первой зоны выпуска катодного газа каждого элемента и дальнейшего распределения смешанного катодного газа во вторые зоны впуска катодного газа каждого элемента, при котором катодный газ проходит первый путь прохождения газа в противоположном направлении к направлению анодного газа и после указанного собирания, смешивания и распределения указанный катодный газ проходит потоком второй путь в направлении, которое совпадает с направлением анодного газа.
9. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно признаку 1 или 6, в которой каналы для пролета газа, направленные к катодной стороне каждого элемента пригодны для обеспечения потока катодного газа в первом направлении через первую часть каждого элемента и пригодны для обеспечения потока катодного газа во втором направлении, которое противоположно первому направлению, через вторую часть каждого элемента.
10. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно любому из предыдущих признаков, в которой первая часть каждой элемента, которая имеет противопотоки, больше чем вторая часть каждого элемента, которая имеет совпадающие по направлению потоки, указанная первая часть предпочтительно составляет между 95% и 50% от каждого элемента или предпочтительно между 85% и 7 0% каждого элемента.
11. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно любому из предыдущих признаков, в которой элементы являются твердыми оксидными топливными элементами или твердыми оксидными электролитическими ячейками.
12. Способ эксплуатации, как минимум, одной батареи элементов, включающей множество элементов, при котором указанные элементы пригодны для работы в качестве топливных элементов или электролитических ячеек и соединены в батареи у верхней части каждого с образованием множества слоев элементов в, как минимум, одной батарее элементов, каждый из указанных элементов содержит анод, электролит и катод, в которой, каждый элемент является плоским и имеет, как минимум, одну кромку, как минимум, одну зону впуска анодного газа, как минимум, одну зону выпуска анодного газа, как минимум, одну зону впуска катодного газа, как минимум, одну зону выпуска катодного газа, в которой каждый слой элементов разделен посредством промежуточного соединения с каналами для пропускания газа с каждой стороны, а именно, первая сторона направлена к анодной части прилежащего элемента и обеспечивает поток анодного газа, и вторая сторона направлена к катодной стороне прилежащего элемента и обеспечивает поток катодного газа, указанный способ включает следующие стадии
• обеспечения противоположного направления потока анодного
газа по отношению к потоку катодного газа через более чем
половину общей площади элемента,
• обеспечения совпадающего по направлению потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа через менее чем половину общей площади элемента.
13. Способ эксплуатации, как минимум, одной батареи элементов, включающей множество элементов, согласно признаку 12, далее включающий стадии
• обеспечения противоположного направления потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа в первой батарее элементов из двух батарей элементов, которые серийно соединены в отношении потока как анодного, так и катодного газа,
• обеспечения совпадающего по направлению потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа во второй батарее элементов указанных двух батарей элементов, которые серийно соединены в отношении потока как анодного, так и катодного газа.
14. Способ, согласно признаку 12, эксплуатации, как минимум, одной батареи элементов, включающей множество элементов, согласно любому из признаков 1 - 11, указанный способ далее включает стадии
• обеспечения противоположного направления потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа в первой части каждого элемента, как минимум, в одной батарее элементов,
• обеспечения совпадающего по направлению потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа во второй части каждого элемента, как минимум, в одной батарее элементов.
15. Применение батареи элементов, включающей множество элементов, согласно любому из признаков 1 - 11, для эксплуатации в качестве батареи твердых оксидных топливных элементов или батареи твердых оксидных электролитических ячеек.
Обзор номеров позиций:
101, 201 элемент, поверхность анода,
102, 202 первая часть анода элемента,
103, 203 вторая часть анода элемента,
104, 204 зона впуска катодного газа,
105, 205 зона выпуска катодного газа,
106, 206 первая зона впуска анодного газа,
107 вторая зона впуска анодного газа,
108, 208 первая зона выпуска анодного газа,
109 вторая зона выпуска анодного газа,
110, 210 первое направление потока газа,
111 211 второе направление потока газа.
На фиг. 1 приведен вид сверху анодной поверхности элемента согласно варианту данного изобретения, который показывает принцип потока анодного газа, а также принцип потока катодного газа на противоположной, не видимой поверхности.
На фиг. 2 приведен вид сверху анодной стороны элемента согласно альтернативному варианту данного изобретения, который показывает принцип потока анодного газа, а также принцип потока катодного газа на противоположной, не видимой поверхности.
На фиг. 3 представлена диаграмма, в которой график показывает корреляцию между температурой элемента и позицией элемента по отношению к направлению потока катодного газа в элементе с совпадающими по направлению потоками / противопотоками согласно варианту изобретения.
На фиг. 4 представлена диаграмма, в которой график показывает корреляцию между температурой элемента и позицией элемента по отношению к направлению потока катодного газа в элементе с совпадающими по направлению потоками.
На фиг. 1 показаны примеры газового потока согласно одному варианту данного изобретения, в котором потоки с противоположными направлениями и с совпадающими направлениями применяют в элементе с одним направлением потока катодного газа и двумя направлениями потока анодного газа, в котором одно направление потока анодного газа по существу то же самое, что и направление потока катодного газа, и другое направление потока анодного газа является по существу противоположным. В этом контексте в существенной мере означает, что в локальных площадках элемента точное направление потока анодного или катодного газа может меняться по отношению к двум противоположным направлениям потока, однако в виде целого в специфических частях элемента, существует сеть потока катодного или анодного газа или в одном направлении или в противоположных направлениях.
На фиг. 1 показана поверхность анода 101 одного топливного элемента, и поэтому поток анодного газа показан в виде сплошной и пунктирной линии, и где поток катодного газа показан на противоположной, невидимой поверхности элемента, как показано в виде линии из точек. Анодный газ впервые поступает на анодную поверхность через первую зону впуска анодного газа 106, которая сформирована в виде отверстия в элементе. Отсюда анодный газ движется через первую часть анода, поток анодного газа через первую часть анода элемента 102 проходит во втором направлении потока газа 111 к первой зоне выпуска анодного газа 108, также оформленной в виде отверстия в элементе.
После выхода анодного газа из первой зоны выпуска, частично прореагировавший анодный газ из каждого похожего элемента в батарее элементов собирают (не показано) и смешивают в общий промежуточный поток анодного газа, и затем этот газовый поток снова разделяют на части и возвращают в каждый топливный элемент через вторую зону впуска анодного газа 107. Анодный газ проходит потоком второй путь через вторую часть анода элемента 103 в по
существу первом направлении потока газа 110 и, наконец, выходит через вторую зону выпуска анодного газа 109, оформленную просто кромкой элемента, где обедненный анодный газ смешивается с обедненным катодным газом. На противоположной, невидимой катодной поверхности элемента, катодный газ движется потоком по существу в первом направлении потока 110 через в существенной мере всю активную площадь элемента, то есть через обе, первую и вторую части элемента от зоны впуска катодного газа 104 до зоны выпуска катодного газа 105. Следовательно, поскольку первое направление потока газа является противоположным второму направлению потока газа, из фиг. 1 видно, что элемент согласно данному варианту изобретения отличается движением потоков в противоположном направлении в первой части элемента и в одинаковом направлении во второй части элемента по отношению к анодному и катодному газу.
На фиг. 2 показан другой вариант изобретения, в котором имеется только одна зона впуска анодного газа 206 и одна зона выпуска анодного газа 208, обе оформлены в виде отверстий в элементе с внутренним трубопроводом (не показан), как известно специалистам. Показана анодная поверхность элемента 201, в которую анодный газ поступает через первую зону впуска анодного газа 206. Поток анодного газа проходит во втором направлении потока газа 211 через первую часть анода элемента 202. Через каналы для пролета газов на лицевой поверхности промежуточного соединения (не показаны) анодный газ затем вынуждают к пролету в противоположном, первом направлении газового потока 210 во второй анодной части элемента 2 03 перед тем, как выйти через первую зону выпуска анодного газа 208.
На противоположной, невидимой катодной стороне элемента, катодный газ входит через зону впуска катодного газа 204 проходит по существу через всю часть активной катодной поверхности элемента в первом направлении газового потока 210 и наконец, выходит через зону выпуска катодного газа 205. Зоны
впуска и выпуска катодного газа, обе оформлены как первая и вторая кромка элемента при посредстве внешнего трубопровода (не показан), который известен специалистам. Соответственно, так как поток анодного газа во втором направлении газового потока через первую часть и в первом направлении газового потока через вторую часть элемента, а поток катодного газа проходит в первом направлении газового потока через первую и вторую часть элемента, то в элементе существуют противопотоки через первую часть и совпадающие по направлению потоки через вторую часть элемента по отношению к анодному и катодному газу.
Схематическая диаграмма на фиг. 3 показывает корреляцию между внутренними температурами в элементе и тем самым во всей батарее элементов во время работы. На Х-оси показана позиция элемента в направлении потока катодного газа. Позиции "О" соответствует первая кромка элемента, как сообщалось выше, и позиция (приблизительно) "8" соответствует второй, противоположной кромке элемента в варианте, в котором катодный газ поставляют через внешний трубопровод и следовательно впускают и выпускают через зоны впуска и выпуска, сформированные всей первой и второй кромкой элемента. На Y-оси схематической диаграммы показана температура в градусах Цельсия. В элементе имеет место комбинирование противопотоков и совпадающих по направлению потоков анодного газа по отношению к катодному газу согласно данному изобретению.
Это комбинирование направлений потоков четко проявляется на температурном профиле, показанном на фиг. 3: в первой части элемента, то есть примерно в позиции от "О" до позиции "5,5", в элементе имеют место противопотоки; катодный газ летит в первом направлении, тогда как анодный газ летит в противоположном, втором направлении. Это можно увидеть на графике в виде относительно низкой температуры вблизи позиции "О", где относительно холодный катодный газ поступает в элемент. Относительно горячий анодный газ выходит их элемента также в
позиции "0", однако, в связи с тем, что поток катодного газа больше чем поток анодного газа, результирующая температура является относительно низкой в этой позиции.
От позиции "0" и дальше примерно до позиции "3,5" температура элемента постоянно возрастает, поскольку катодный газ нагревается в результате электрохимических реакций в элементе. После этого температура элемента постоянно снижается в связи с тем, что достигнута первая зона впуска анодного газа, так как поступающий анодный газ является относительно холодным и понижает результирующую температуру элемента. Локально самая низкая результирующая температура находится в позиции вблизи первого впуска анодного газа (около позиции "5,5"), однако, она не настолько низка, как самая низкая температура вблизи позиции "0", опять же в связи с тем, что поток анодного газа меньше потока катодного газа и поэтому оказывает относительно более слабое влияние на результирующую температуру. Таким образом, от позиции "0" до позиции около "5,5", профиль температуры соответствует состоянию для типа противопотоков в элементе.
Вблизи позиции "5,5" анодный газ, вышедший из элемента через первую зону выпуска анодного газа вблизи позиции "0", возвращается в элемент через вторую зону впуска анодного газа и походит потоком по второму пути. Теперь поток анодного проходит в первом направлении движения газа, отсюда, от позиции около "5,5" до позиции около "8" элемента и имеет такое же направление потока анодного газа по сравнению с потоком катодного газа. Последствия этого ясно видны из температурного графика: от позиции примерно "5,5" до "8" температура возрастает быстро, поскольку как анодный газ, так и катодный газ были уже предварительно нагреты во время прохождения пути потока в первой части элемента. После первого крутого повышения до приблизительно уровня температуры анодного газа и катодного газа, когда он входит во вторую часть элемента, результирующая температура увеличивается более ровно на всем пути до второй
кромки элемента вблизи позиции "8", где результирующая температура достигает максимума температуры, который находится вблизи или равен максимально допустимой температуре батареи в смысле долговечности устройства. Эта вторая часть температурного профиля (если не считать первоначального ровного подъема температуры) соответствует температурному профилю состояния для типа элемента с совпадающими направлениями потоков. Первоначальное ровное возрастание температуры вызвано среди прочего значительной горизонтальной теплопроводностью в промежуточное соединение, результатом которого является то, что большое количества тепла, образующегося в чисто водородной зоне (а именно, в части с совпадающим потоком) распространяется в зоне впуска части с совпадающими потоками.
На фиг. 4 приведен для сравнения профиль температуры для
элементов с совпадающими по направлению потоками. Оба достигают
примерно одинаковой максимальной температуры, которое
предполагает преимущество максимизации охлаждающей
эффективности, которое минимизирует паразитические потери, например, газового вентилятора. Однако средняя температура всего элемента значительно ниже у элементов с совпадающими потоками, как видно из фиг. 4, чем у элементов с комбинированными противопотоками / совпадающими по направлению потоками. Это очевидно, когда сравниваешь фиг. 3 и фиг. 4. Согласно температурному профилю элемент с комбинированными потоками газов, как видно из фиг. 3, имеет относительно более высокую среднюю температуру элемента, а также высокую температуру выходящих газов, и поэтому имеет преимущество как в отношении низких удельных сопротивлений ASR, так и в отношении высокой охлаждающей эффективности.
Пример
Для батареи твердых оксидных топливных элементов была рассчитана плотность тока для случая совпадающих потоков, противопотоков и
комбинированных противопотоков / совпадающих по направлению потоков при следующих условиях:
тип топлива: пререформинговый природный газ,
утилизация топлива (УТ) : 86%,
утилизация воздуха (УВ): 25% (для случая 1-3, переменная в случае 4-5),
температура впуска воздуха и топлива: 700°С,
максимальная температура батареи: 825°С,
тип элемента: 1 (LSM катод).
При этих специфических условиях разделение площади элемента на первую площадь в 66% по существу полной активной площади для противопотоков и вторую площадь в 34% по существу полной активной площади для совпадающих потоков является очень близкой к оптимуму согласно данному изобретению, когда максимизируют плотность тока. Комбинированный случай противопотоков/ /совпадающих по направлению потоков сравнивается с чистым случаем противопотоков и совпадающих по направлению потоков:
Геометрия потока
Утилизация воздуха
Напряжение элемента
Плотность тока
Эффект на батарею
1. Противопотоки
25%
8 43 мВ
1300 А/м2
81 7 Вт
2. Совпадающие потоки
25%
773 мВ
2160 А/м2
1245 Вт
3. Комбинация противопотоки/ /совпадающие потоки
25%
757 мВ
3180 А/м2
1814 Вт
4. Противопотоки
15%
757 мВ
3182 А/м2
1819 Вт
5. Совпадающие потоки
22%
757 мВ
2472 А/м2
1414 Вт
При одинаковой утилизации воздуха получают значительное увеличение плотности тока в случае геометрии противопотоки/ /совпадающие потоки с последствием немного более низкого напряжения на элементе, вызывающим падение электрической эффективности на 10% по сравнению с противопотоками.
Путем изменением рабочей спецификации на фиксированное напряжение элемента в 757 мВ (означающее фиксированную электрическую эффективность) может быть увеличена плотность тока в батареях с противопотоками и совпадающими потоками, если понижается утилизация воздуха. Такой эффект представлен в случае 4 и 5 .
По сравнению со случаем противопотоков, имеющим такую же эффективность и плотность тока, как и в случае комбинированной геометрии потоков, поток воздуха в случае комбинированной геометрии потоков меньше на 40%, что, например, минимизирует мощность вентилятора и расходы на теплообменник. Это также играет важную роль, поскольку с вентилятором связаны главные паразитные потери в большинстве систем.
При сравнении комбинированного случая противопотоков/совпадающих по направлению потоков со случаем совпадающих по направлению потоков видно, что комбинированный случай является отчетливо лучшим выбором. При одной и той же электрической эффективности (напряжение элемента) плотность тока в батарее с совпадающими направлениями потоков на 22% меньше, а поток воздуха немного больше.
Наиболее общий интервал разделения площади элемента с типичными рабочими условиями, реформинговым топливом и специфическим типом элемента составляет от 20 до 40% площади с совпадающими по направлению потоками.
В случае, например, больших элементов или более быстрого реформинга, температура на выходе газа из противопотоковой части становиться ниже, и часть с совпадающими по направлению потоками составляет большую часть общей площади элемента. Это общее правило в случае изменения рабочих параметров (утилизация воздуха, утилизация топлива, температура впуска и выпуска и состав топлива); в том случае, когда часть выпуска с противопотоком относительно небольшая или потенциал Нернста в части с совпадающими по направлению потоками небольшой, то часть элемента с совпадающими по направлению потоками должна составлять большую часть элемента, например, от 40 до 50%.
Наоборот, также возможно использовать те же самые рабочие параметры и характеристики элемента для увеличения температуры выхода в противопотоковой части или потенциала Нернста в части с совпадающими по направлению потоками до относительно высокого уровня. В этом случае часть с совпадающими по направлению потоками может составлять только небольшую часть от площади элемента, например, от 5 до 20%. Небольшая часть с совпадающими по направлению потоками также подходит в случае двух батарей соединенных последовательно, поскольку батарея с совпадающими по направлению потоками может эксплуатироваться при более низком напряжении на элементе, генерирующем больше тепла.
Формула изобретения
1. Батарея элементов, включающая множество элементов, пригодных для эксплуатации в качестве топливных элементов или электролитических ячеек и соединенных между собой в батарею у верхней части с образованием множества слоев элементов в батарее элементов, каждый из указанных элементов включает
• анод,
• электролит,
• и катод,
в которой, каждый элемент является плоским и имеет
• как минимум, одну кромку,
• как минимум, одну зону впуска анодного газа,
• как минимум, одну зону выпуска анодного газа,
• как минимум, одну зону впуска катодного газа,
• как минимум, одну зону выпуска катодного газа,
в которой каждый слой элементов разделен посредством промежуточного соединения с каналами для пропускания газа с каждой стороны, а именно, первая сторона направлена к анодной части прилежащего элемента и обеспечивает прохождение потока анодного газа, и вторая сторона направлена к катодной стороне прилежащего элемента и обеспечивает прохождение потока катодного газа, в которой первая часть каждого элемента имеет противоположное направление потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, и в которой вторая часть каждого элемента имеет совпадающее направление потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа.
2. Батарея элементов, включающая множество элементов согласно п. 1, в которой катодный газ летит в первом направлении через по существу всю катодную часть каждого элемента, и анодный газ летит во втором направлении, противоположном первому направлению, через первую анодную часть каждого элемента и летит в указанном первом направлении через вторую анодную часть каждого элемента.
3. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 2, в которой
• зона впуска катодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• зона выпуска катодного газа локализована вблизи второй кромки элемента,
• и первая зона впуска анодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• первая зона выпуска анодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• вторая зона впуска анодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• и вторая зона выпуска анодного газа локализована вблизи второй кромки элемента.
4. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 3, включающая коллектор, пригодный для сбора и смешивания анодного газа из первой зоны выпуска анодного газа каждого элемента и распределения перемешанного анодного газа далее по вторым зонам впуска анодного газа каждого элемента, при котором анодный газ проходит первый путь прохождения газа противопотоком по отношению к катодному газу, и после того, как он собирается, перемешивается и распределяется, указанный анодный газ проходит второй путь прохождения газа с направлением потока, совпадающим с направлением потока катодного газа.
5. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 1 или 2, в которой каналы прохождения газа направленные к анодной части каждого элемента подогнаны для обеспечения потока анодного газа в каждом элементе в первом направлении через первую часть каждого элемента и подогнаны для обеспечения потока анодного газа во втором направлении, которое противоположно первому направлению, через вторую часть каждого элемента.
6. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 1, в которой поток анодного газа проходит в первом направлении через по существу всю анодную часть каждого элемента и поток катодного газа проходит во втором направлении, которое противоположно первому направлению, через первую катодную часть каждого элемента и проходит в указанном первом направлении через вторую катодную часть каждого элемента.
7. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 6, в которой
• зона впуска анодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• зона выпуска анодного газа локализована вблизи второй кромки элемента,
• и первая зона впуска катодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• первая зона выпуска катодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• вторая зона впуска катодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• и вторая зона выпуска катодного газа локализована вблизи второй кромки элемента.
8. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 7, включающая коллектор, пригодный для собирания и смешивания катодного газа из первой зоны выпуска катодного газа каждого элемента и дальнейшего распределения смешанного катодного газа во вторые зоны впуска катодного газа каждого элемента, при котором катодный газ проходит первый путь пролета в противоположном направлении к направлению анодного газа и после указанного собирания, смешивания и распределения указанный катодный газ проходит потоком второй путь в направлении, которое совпадает с направлением анодного газа.
9. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 1 или 6, в которой каналы для пролета газа, направленные к катодной стороне каждого элемента пригодны для обеспечения потока катодного газа в первом направлении через первую часть каждого элемента и пригодны для обеспечения потока катодного газа во втором направлении, которое противоположно первому направлению, через вторую часть каждого элемента.
10. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно любому из предыдущих пунктов, в которой первая часть каждой элемента, которая имеет противопотоки, больше чем вторая часть каждого элемента, которая имеет совпадающие по направлению потоки, указанная первая часть предпочтительно составляет между 95% и 50% от каждого элемента или предпочтительно между 85% и 7 0% от каждого элемента.
11. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно любому из предыдущих пунктов, в которой элементы являются твердыми оксидными топливными элементами или твердыми оксидными электролитическими ячейками.
12. Способ эксплуатации, как минимум, одной батареи элементов, включающей множество элементов, при котором указанные элементы пригодны для работы в качестве топливных элементов или электролитических ячеек и соединены в батареи у верхней части каждого с образованием множества слоев элементов в, как минимум, одной батарее элементов, каждый из указанных элементов содержит анод, электролит и катод, в которой, каждый элемент является плоским и имеет, как минимум, одну кромку, как минимум, одну зону впуска анодного газа, как минимум, одну зону выпуска анодного газа, как минимум, одну зону впуска катодного газа, как минимум, одну зону выпуска катодного газа, в которой каждый слой элементов разделен посредством промежуточного соединения с каналами для пропускания газа с каждой стороны, а именно, первая сторона направлена к анодной части прилежащего элемента и
обеспечивает поток анодного газа, и вторая сторона направлена к катодной стороне прилежащего элемента и обеспечивает поток катодного газа, указанный способ включает следующие стадии
• обеспечения противоположного направления потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа через более чем половину общей площади элемента,
• обеспечения совпадающего по направлению потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа через менее чем половину общей площади элемента.
13. Способ эксплуатации, как минимум, одной батареи элементов, включающей множество элементов, согласно п. 12, далее включающий стадии
• обеспечения противоположного направления потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа в первой батарее элементов из двух батарей, которые серийно соединены в отношении потока как анодного, так и катодного газа,
• обеспечения совпадающего по направлению потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа во второй батарее элементов указанных двух батарей элементов, которые серийно соединены в отношении потока как анодного, так и катодного газа.
14. Способ, согласно п. 12, эксплуатации, как минимум, одной батареи элементов, включающей множество элементов, согласно любому из п.п. 1 - 11, указанный способ далее включает стадии
• обеспечения противоположного направления потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа в первой части каждого элемента, как минимум, в одной батарее элементов,
• обеспечения совпадающего по направлению потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа во второй части каждого элемента, как минимум, в одной батарее элементов.
15. Применение батареи элементов, согласно любому
элементов, из п . п. 1 -
включающей множество 11, для эксплуатации в
качестве батареи твердых оксидных топливных элементов или батареи твердых оксидных электролитических ячеек.
Уточненная формула изобретения
1. Батарея элементов, включающая множество элементов, пригодных для эксплуатации в качестве топливных элементов или электролитических ячеек и соединенных между собой в батарею у верхней части с образованием множества слоев элементов в батарее элементов, каждый из указанных элементов включает
• анод,
• электролит,
• и катод,
в которой, каждый элемент является плоским и имеет
• как минимум, одну кромку,
• как минимум, одну зону впуска анодного газа,
• как минимум, одну зону выпуска анодного газа,
• как минимум, одну зону впуска катодного газа,
• как минимум, одну зону выпуска катодного газа,
• и первая зона впуска анодного газа расположена между первой и второй кромкой элемента,
• вторая зона впуска анодного газа расположена между первой и второй кромкой элемента,
в которой каждый слой элементов разделен посредством промежуточного соединения с каналами для пропускания газа с каждой стороны, а именно, первая сторона направлена к анодной части прилежащего элемента и обеспечивает прохождение потока анодного газа, и вторая сторона направлена к катодной стороне прилежащего элемента и обеспечивает прохождение потока катодного газа, в которой первая часть каждого элемента имеет противоположное направление потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, и в которой вторая часть каждого элемента имеет совпадающее направление потока анодного газа по отношению к направлению потока катодного газа, в которой анодный газ проходит первый путь противопотоком по отношению к катодному газу, и батарея элементов дополнительно содержит коллектор, пригодный для распределения анодного газа далее по второй зоне напуска анодного газа в каждом элементе, и после
распределения указанный анодный газ проходит второй путь совпадающим по направлению потоком по отношению к катодному газу.
2. Батарея элементов, включающая множество элементов согласно п. 1, в которой катодный газ летит в первом направлении через по существу всю катодную часть каждого элемента, и анодный газ летит во втором направлении, противоположном первому направлению, через первую анодную часть каждого элемента и летит в указанном первом направлении через вторую анодную часть каждого элемента.
3. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 2, в которой
• зона впуска катодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• зона выпуска катодного газа локализована вблизи второй кромки элемента,
• и первая зона впуска анодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• первая зона выпуска анодного газа локализована вблизи первой кромки элемента,
• вторая зона впуска анодного газа локализована между первой и второй кромкой элемента,
• и вторая зона выпуска анодного газа локализована вблизи второй кромки элемента.
4. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 3, включающая коллектор, пригодный для сбора и смешивания анодного газа из первой зоны выпуска анодного газа каждого элемента и распределения перемешанного анодного газа далее по вторым зонам впуска анодного газа каждого элемента, при котором анодный газ проходит первый путь прохождения газа противопотоком по отношению к катодному газу, и после того, как он собирается, перемешивается и распределяется, указанный анодный газ проходит
второй путь прохождения газа с направлением потока, совпадающим с направлением потока катодного газа.
5. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно п. 1 или 2, в которой каналы прохождения газа направленные к анодной части каждого элемента подогнаны для обеспечения потока анодного газа в каждом элементе в первом направлении через первую часть каждого элемента и подогнаны для обеспечения потока анодного газа во втором направлении, которое противоположно первому направлению, через вторую часть каждого элемента.
6. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно любому из предыдущих пунктов, в которой первая часть каждого элемента, которая имеет противопотоки, больше чем вторая часть каждого элемента, которая имеет совпадающие по направлению потоки, указанная первая часть предпочтительно составляет между 95% и 50% от каждого элемента или предпочтительно между 85% и 7 0% каждого элемента.
7. Батарея элементов, включающая множество элементов, согласно любому из предыдущих пунктов, в которой элементы являются твердыми оксидными топливными элементами или твердыми оксидными электролитическими ячейками.
8. Способ эксплуатации, как минимум, одной батареи элементов, включающей множество элементов, при котором указанные элементы пригодны для работы в качестве топливных элементов или электролитических ячеек и соединены в батареи у верхней части каждого с образованием множества слоев элементов в, как минимум, одной батарее элементов, каждый из указанных элементов содержит анод, электролит и катод, в которой, каждый элемент является плоским и имеет, как минимум, одну кромку, как минимум, одну зону впуска анодного газа, как минимум, одну зону выпуска анодного газа, как минимум, одну зону впуска катодного газа, как минимум, одну зону выпуска катодного газа, первая зона впуска
анодного газа расположена между первой и второй кромкой элемента, вторая зона впуска анодного газа расположена между первой и второй кромкой элемента, в которой каждый слой элементов разделен посредством промежуточного соединения с каналами для пропускания газа с каждой стороны, а именно, первая сторона направлена к анодной части прилежащего элемента и обеспечивает поток анодного газа, и вторая сторона направлена к катодной стороне прилежащего элемента и обеспечивает поток катодного газа, указанный способ включает следующие стадии
• обеспечения первого пути прохождения анодного газа с противоположным направлением потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа через более чем половину общей площади элемента,
• обеспечения коллектора, пригодного для распределения анодного газа, вышедшего после прохождения указанного первого пути, по впускным зонам второго впуска анодного газа каждого элемента,
• обеспечения совпадающего по направлению потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа через менее чем половину общей площади элемента.
9. Способ эксплуатации, как минимум, одной батареи элементов, включающей множество элементов, согласно п. 8, далее включающий стадии
• обеспечения противоположного направления потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа в первой батарее элементов из двух батарей, которые серийно соединены в отношении потока как анодного, так и катодного газа,
• обеспечения совпадающего по направлению потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа во второй батарее элементов указанных двух батарей элементов, которые серийно соединены в отношении потока как анодного, так и катодного газа.
10. Способ, согласно п. 8, эксплуатации, как минимум, одной батареи элементов, включающей множество элементов, согласно любому из п. п. 1 - 7, указанный способ далее включает стадии
• обеспечения противоположного направления потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа в первой части каждого элемента, как минимум, в одной батарее элементов,
• обеспечения совпадающего по направлению потока анодного газа по отношению к потоку катодного газа во второй части каждого элемента, как минимум, в одной батарее элементов.
11. Применение батареи элементов, включающей множество элементов, согласно любому из п.п. 1 - 7, для эксплуатации в качестве батареи твердых оксидных топливных элементов или батареи твердых оксидных электролитических ячеек.
Позиция, Направление потока воэдухп
Фиг. 3. Профили температуры и плотности тока в батарее элементов с противопотоками и совпадающими по направлению потоками с утилизацией топлива (УТ) 85,7% и утилизацией воздуха (УВ) 25% и топливом А
Позиция, Направление потока воэдахп
Фиг. 4. Профили температуры и плотности тока в батарее элементов с совпадающими по направлению потоками с утилизацией топлива (УТ) 85,7% и утилизацией воздуха (УВ) 25% и топливом А
