Система топливных элементов (варианты) - RU2004137481A
Код документа: RU2004137481A
Реферат
1. Система топливных элементов, которая включает в себя:
(a) внешний трубчатый твердооксидный топливный элемент, который содержит слой внутреннего электрода, выполненный с возможностью приема первого реагента в виде флюида, слой внешнего электрода, выполненный с возможностью приема второго реагента в виде флюида, и слой электролита, размещенный между слоями электродов;
(b) твердофазную пористую матрицу, расположенную внутри внешнего топливного элемента и прикрепленную к его слою внутреннего электрода; и
(c) по меньшей мере один внутренний трубчатый твердооксидный топливный элемент, встроенный в матрицу главным образом внутри внешнего топливного элемента, причем внутренний топливный элемент имеет слой внешнего электрода, выполненный с возможностью приема первого реагента в виде флюида, слой внутреннего электрода, выполненный с возможностью приема второго реагента в виде флюида, и слой электролита, размещенный между слоями внешнего и внутреннего электродов;
причем матрица имеет достаточную механическую прочность для того, чтобы поддерживать внутренний топливный элемент внутри внешнего топливного элемента, и достаточную пористость для того, чтобы позволить первому реагенту в виде флюида протекать через матрицу в слой внутреннего электрода внешнего топливного элемента и в слой внешнего электрода внутреннего топливного элемента.
2. Система топливных элементов по п.1, в которой матрица представляет собой твердотельный поропласт.
3. Система топливных элементов по п.2, в которой поропласт представляет собой проводящий материал с электронной или смешанной (электронной и ионной) проводимостью, электрически соединенный с катодом внутреннего и внешнего топливных элементов.
4. Система топливных элементов по п.3, в которой композиция поропласта включает в себя один или несколько материалов, выбранных из группы, в которую входят: манганат лантан стронций, La1-xSrxCrO3, La1-хСах CrO3, La1-xMgxCrO3, LaCr(Mg)O3, LaCa1-хCrуО3), La1-xSrxFeO3, (La1-x Srx)(Fe1-yCoy)O3, нержавеющая сталь марки 316 и 316L, Ni - стабилизированный диоксидом иттрия диоксид циркония, кермет Ni и легированный диоксид циркония, кермет легированный Ni - СеО2, кермет легированный Cu - диоксид церия, кермет серебро - (Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид, кермет серебро - (Y-Ва-Cu-О)-оксид; кермет серебро - легирующий элемент - (Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид; кермет серебро - легирующий элемент - (Y-Ва-Cu-О)-оксид; серебро и его сплавы, сплав инконель и любые супер-сплавы, ферритная сталь, SiC и MoSi2.
5. Система топливных элементов по п.1, в которой материал матрицы выбран из группы, в которую входят металлическая сетка, металлическая, керамическая или керметная пряжа, и пучок металлических, керамических или керметных волокон.
6. Система топливных элементов по одному из пп.2-5, в которой слой внутреннего электрода внутреннего топливного элемента представляет собой анод, слой внешнего электрода внутреннего топливного элемента представляет собой катод, слой внутреннего электрода внешнего топливного элемента представляет собой катод, внешний электрод внешнего топливного элемента представляет собой анод, первый реагент представляет собой топливо, а второй реагент представляет собой окислитель.
7. Система топливных элементов по п.6, в которой внутренний топливный элемент имеет диаметр от 10 до 10,000 мкм.
8. Система топливных элементов по п.7, в которой внутренний топливный элемент имеет диаметр от 10 до 5,000 мкм.
9. Система топливных элементов по п.6, в которой матрица содержит по меньшей мере одну удлиненную полость для улучшения доставки окислителя к катоду внутреннего и внешнего топливных элементов.
10. Система топливных элементов по п.6, которая дополнительно содержит распылитель окислителя, который имеет впуск, флюидально связанный с источником окислителя, и множество выпусков, флюидально связанных с матрицей.
11. Система топливных элементов по п.1, которая дополнительно содержит множество отверстий для контактных выводов, проходящих через внешний электрод и слои электролита внутреннего топливного элемента, причем отверстия для контактных выводов расположены с промежутками друг от друга вдоль длины внутреннего топливного элемента; и газонепроницаемый, электропроводный контактный вывод, расположенный в каждом таком отверстии и герметизирующий его, причем каждый контактный вывод электрически соединен со слоем внутреннего электрода внутреннего топливного элемента и выполнен с возможностью электрического подключения к цепи внешней нагрузки.
12. Система топливных элементов по п.11, в которой каждый контактный вывод имеет инертное металлическое покрытие, которое подходит для использования в условиях работы SOFC (твердооксидного топливного элемента).
13. Система топливных элементов по п.11, которая дополнительно содержит по меньшей мере один стержень коллектора тока, встроенный в матрицу и электрически соединенный по меньшей мере с одним контактным выводом, и выполненный с возможностью электрического подключения к цепи внешней нагрузки.
14. Система топливных элементов по п.11, которая дополнительно содержит по меньшей мере одну пластину коллектора тока, поперечно встроенную в матрицу внутри внешнего топливного элемента, причем указанная пластина электрически изолирована или изолирована от матрицы при помощи высокотемпературного изоляционного материала, введенного между пластиной и матрицей, или при помощи зазора, образованного между пластиной и матрицей, причем указанная пластина имеет отверстие для ввода внутреннего топливного элемента и перфорации, которые позволяют реагенту в виде флюида протекать через нее в слой внешнего электрода внутреннего топливного элемента и в слой внутреннего электрода внешнего топливного элемента, при этом пластина коллектора тока электрически соединена по меньшей мере с одним из контактных выводов и выполнена с возможностью электрического подключения к цепи внешней нагрузки.
15. Система топливных элементов по п.11, которая дополнительно содержит реформер топлива, который имеет камеру реформера с впуском топлива, флюидально связанным с источником не прошедшего реформинг топлива, и с выпуском топлива, флюидально связанным с анодом внутреннего и внешнего топливных элементов, причем камера реформера термически связана по меньшей мере с одним из топливных элементов, так что теплота, выработанная за счет реакции в топливном элементе, используется для реформинга не прошедшего реформинг топлива.
16. Система топливных элементов по п.15, в которой камера реформера представляет собой двустенный колпак, причем топливный элемент расположен внутри полости указанного колпака.
17. Система топливных элементов по п.15, которая дополнительно содержит покрытую катализатором твердотельную пористую матрицу внутри камеры реформера.
18. Система топливных элементов по п.15, в которой камера реформера представляет собой трубу реформера, навитую вокруг внешнего топливного элемента, причем впуск и выпуск топлива расположены на противоположных концах трубы.
19. Система топливных элементов по п.18, в которой труба реформера содержит каталитический материал, диспергированный во внутренней полости трубы реформера.
20. Система топливных элементов по п.1, в которой внутренний топливный элемент дополнительно содержит пористый электропроводный коллектор тока, расположенный внутри внутреннего топливного элемента, электрически соединенный с его слоем внутреннего электрода и имеющий достаточную пористость для того, чтобы позволить второму реагенту в виде флюида протекать через коллектор тока и втекать в слой внутреннего электрода внутреннего топливного элемента.
21. Система топливных элементов, которая включает в себя:
(a) по меньшей мере один трубчатый твердооксидный топливный элемент, причем указанный топливный элемент содержит слой внешнего электрода, выполненный с возможностью приема первого реагента в виде флюида, слой внутреннего электрода, выполненный с возможностью приема второго реагента в виде флюида, и слой электролита, размещенный между слоями электродов;
(b) пористый электропроводный коллектор тока, расположенный внутри топливного элемента, электрически соединенный со слоем внутреннего электрода и имеющий достаточную пористость для того, чтобы позволить второму реагенту в виде флюида протекать через коллектор тока и втекать в слой внутреннего электрода; и
(c) твердофазную пористую опорную матрицу, в которую встроен топливный элемент, причем матрица имеет достаточную механическую прочность для того, чтобы поддерживать топливный элемент внутри системы, и достаточную пористость для того, чтобы позволить первому реагенту в виде флюида протекать через матрицу и втекать в слой внешнего электрода.
22. Система топливных элементов по п.21, в которой коллектор тока представляет собой твердотельную пористую матрицу, которая облицовывает по меньшей мере часть поверхности слоя внутреннего электрода.
23. Система топливных элементов по п.22, в которой матрица коллектора тока представляет собой твердотельный поропласт.
24. Система топливных элементов по п.23, в которой поропласт коллектора тока изготовлен из одного или нескольких материалов, выбранных из группы, в которую входят: манганат лантан стронций, La1-xSrxCrO3, La1-хСахCrO3, La1-xMgxCrO3, LaCr(Mg)O3, LaCa1-хCrуО3), La1-xSrxFeO3, (La1-xSrx)(Fe1-yCoy)O3, нержавеющая сталь марки 316 и 316L, Ni - стабилизированный диоксидом иттрия диоксид циркония, кермет Ni и легированный диоксид циркония, кермет легированный Ni - CeO2, кермет легированный Cu - диоксид церия, кермет серебро - (Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид, кермет серебро - (Y-Ва-Cu-О)-оксид; кермет серебро - легирующий элемент - (Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид; кермет серебро - легирующий элемент - (Y-Ва-Cu-О)-оксид; серебро и его сплавы, сплав инконель и любые супер-сплавы, ферритная сталь, SiC и MoSi2.
25. Система топливных элементов по п.21, в которой коллектор тока представляет собой пучок волокон из металла, электропроводного керамического материала или металлокерамического материала.
26. Система топливных элементов по п.21, в которой коллектор тока представляет собой жгут пряжи из металла, электропроводного керамического материала или металлокерамического материала.
27. Система топливных элементов по п.21, в которой коллектор тока образован в виде множества перфорированных листов, соединенных своими кромками с поверхностью слоя внутреннего электрода.
28. Система топливных элементов по п.21, в которой коллектор тока содержит электропроводный стержень или проволоку, проходящие внутри насквозь вдоль длины топливного элемента, и множество электропроводных волокон, которые идут главным образом в поперечном направлении между стержнем коллектора тока и слоем внутреннего электрода.
29. Система топливных элементов по одному из пп.21-28, в которой коллектор тока имеет пористость от 25 до 95%.
30. Система топливных элементов по п.29, в которой коллектор тока имеет пористость от 40 до 95%.
31. Система топливных элементов по п.30, в которой коллектор тока имеет пористость около 60%.
32. Система топливных элементов по одному из пп.21-28, в которой коллектор тока покрыт материалом катализатора.
33. Система топливных элементов по п.22, которая дополнительно содержит по меньшей мере один стержень или одну проволоку коллектора тока, встроенные в матрицу коллектора тока внутри топливного элемента, причем стержень или проволока имеют по меньшей мере один конец, который может быть электрически соединен с цепью внешней нагрузки.
34. Система топливных элементов по п.22, в которой матрица коллектора тока имеет по меньшей мере одну удлиненную полость, предназначенную для улучшения протекания реагента через матрицу.
35. Система топливных элементов по п.21, в которой опорная матрица представляет собой твердотельный поропласт.
36. Система топливных элементов по п.35, в которой опорный поропласт представляет собой проводящий материал с электронной или смешанной (электронной и ионной) проводимостью, электрически соединенный со слоем внутреннего электрода внешнего топливного элемента и со слоем внешнего электрода внутреннего топливного элемента.
37. Система топливных элементов по п.36, в которой опорный поропласт изготовлен из материала, выбранного из группы, в которую входят: манганат лантан стронций, La1-xSrxCrO3, La1-хСахCrO3, La1-xMgxCrO3, LaCr(Mg)O3, LaCa1-хCrу О3), La1-xSrxFeO3, (La1-xSrx)(Fe1-yCoy)O3, нержавеющая сталь марки 316 и 316L, Ni - стабилизированный диоксидом иттрия диоксид циркония, кермет Ni и легированный диоксид циркония, кермет легированный Ni - СеО2, кермет легированный Cu - диоксид церия, кермет серебро - (Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид, кермет серебро - (Y-Ва-Cu-О)-оксид;
кермет серебро - легирующий элемент - (Bi-Sr-Са-Cu-O)-оксид; кермет серебро - легирующий элемент - (Y-Ва-Cu-О)-оксид; серебро и его сплавы, сплав инконель и любые супер-сплавы, ферритная сталь, SiC и MoSi2.
38. Система топливных элементов по п.1, в которой матрица главным образом заполняет все внутреннее пространство внешнего топливного элемента.
39. Система топливных элементов по п.22, в которой матрица коллектора тока главным образом заполняет все внутреннее пространство топливного элемента.
