Владельцы патента RU 2267833:

Изобретение относится к автомобилестроению, судостроению, энергетической, химической и электрохимической отраслям промышленности, в частности при электролизе для получения хлора, и может найти применение при производстве топливных элементов с мембранно-электродным блоком. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, улучшение эксплуатационных свойств и характеристик биполярных пластин и топливного элемента в целом, получение биполярных пластин с токоведущими выступами произвольной формы и расположения с высотой выступов от 0,3 до 2,0 мм, а также повышение эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции, повышение коррозионной стойкости по периферии с технологической нагрузкой, которая составляет с центральной электропроводящей частью, имеющей функциональную нагрузку, единое целое. Биполярная пластина, состоящая из периферийных частей с отверстиями и центральной части с токоведущими выступами произвольной формы, вершины которых расположены в одной плоскости с периферийными частями, при этом токоведущие выступы выполнены с заданной площадью основания, с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм. Способ получения биполярной пластины включает приготовление термоотверждаемой смолы заданного состава в летучем растворителе с углеродным наполнителем, перемешивание, сушку, отжиг и прессование путем многократного нагружения до давления 15-20 МПа при температуре отверждения смолы. При этом отжиг смеси проводят при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения смеси. При приготовлении смеси углеродных порошков с растворителем соотношение твердой и жидкой фаз находится в диапазоне от 1:3 до 1:5. В состав исходной смеси для прессования добавляют 0,1-3% порообразователя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к автомобилестроению, судостроению, энергетической, химической и электрохимической отраслям промышленности, в частности при электролизе для получения хлора, и может найти применение при производстве топливных элементов с мембранно-электродным блоком.

Известны биполярные пластины, состоящие из центральной и периферийных частей, расположенных вокруг центральной части. На центральной части с одной или с двух сторон расположены для распределения потоков газообразных реагентов продольные параллельные лабиринтные канавки, образующие между собой функциональные токоведущие выступы с вершинами, расположенными в одной плоскости, с одним центральным и двумя диагональными отверстиями для циркуляции и распределения потоков электролита. На периферийных частях пластин расположены сквозные отверстия для их сборки в пакет. Периферийная и центральная части разделены уплотняющим элементом по периметру центральной части. При этом для организованного распределения потоков газообразных реагентов продольные параллельные канавки, как и функциональные токоведущие выступы, имеют лабиринтное направление от центрального отверстия к периферийным отверстиям или наоборот, см. рекламный каталог фирмы Schunk KOHLNSTOFF GmbH.

Недостатками известных биполярных пластин топливного элемента являются снижение эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции на экранируемых участках пористого коллектора тока и, как следствие, снижение плотности тока ячейки топливного элемента при заданном напряжении, возможность перекрывания каналов каплями конденсирующейся воды при флуктуациях в температурном режиме топливного элемента и/или водном балансе системы, что также ведет к снижению эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции по этим каналам и, как следствие, снижению плотности тока ячейки топливного элемента при заданном напряжении.

Известен способ получения биполярных пластин, включающий приготовление смеси термоотверждаемой смолы определенного состава в летучем растворителе, перемешивание углеродного наполнителя с приготовленным раствором до однородного состояния, сушку, прессование и термоотверждение (заявка на патент США №US 2002/0037448 A1 от 28.03.2002, МКИ Н 01 М 8/02; Н 01 В 1/4; Н 01 В 1/20).

Недостатком известного способа является проведение термоотверждения не одновременно, а после прессования изделия. Кроме того, низкотемпературная сушка смеси не обеспечивает удаления большого количества летучих компонентов из связующего, что приводит к непропрессовке микрообъемов в материале биполярных пластин, особенно в местах токоведущих выступов, служащих для обеспечения электрического контакта и механического прижима коллектора тока к каталитическому слою, что приводит к образованию дефектных мест в основании выступов и разрушению последних под воздействием рабочей нагрузки при сборке и эксплуатации батареи топливных элементов.

Ближайшим техническим решением являются биполярные пластины и способ их изготовления, состоящие из центральной и периферийных частей, расположенных противоположно относительно центральной части. На центральной части с одной или с двух сторон для распределения потоков газообразных реагентов расположены продольные параллельные канавки, образующие между собой токоведущие выступы с вершинами, расположенными в плоскости периферийных частей пластин, и их соединяющие. На периферийных частях пластин расположены сквозные отверстия, которые после сборки в пакет со смежными пластинами образуют продольные каналы для улучшения циркуляции и распределения потоков электролита. Способ получения биполярных пластин включает смешение порошковых углеграфитовых компонентов и термопластичного связующего, стойкого к коррозии, холодное прессование порошкообразной смеси в форме при 14500 кПа, нагревание при 150°С, снижение давления при 2000 кПа, повышение температуры до 205°С, доведение давления снова до 14500 кПа, с конечной фазой постепенного снижения давления и температуры. См. описание к патенту RU №2187578 С2, МПК 7 С 25 В 9/04, 9/00.

Недостатками известных биполярных пластин являются равномерное распределение потока только на коротком участке, определенном длиной средней части, и ограниченное пространство для распределения потоков газообразных реагентов, определенное количеством продольных параллельных канавок. Недостатком известного способа получения биполярных пластин является сложная технология изготовления, которая приводит к снижению эффективности формирования токоведущих выступов и дополнительным затратам.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, улучшение эксплуатационных свойств и характеристик биполярных пластин и топливного элемента в целом, получение биполярных пластин с токоведущими выступами произвольной формы и расположения с высотой выступов от 0,3 до 2,0 мм, а также повышение эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции, повышение коррозионной стойкости по периферии с технологической нагрузкой, которая составляет с центральной электропроводящей частью, имеющей функциональную нагрузку, единое целое. Технический результат достигается тем, что в биполярной пластине, состоящей из периферийных частей с отверстиями и центральной части с токоведущими выступами, вершины которых расположены в одной плоскости с периферийными частями, токоведущие выступы выполнены с заданной геометрической площадью основания, с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм, выполнены с основанием в виде круга или квадрата, или прямоугольника, или элипса, или ромба, или трапеции, или их сочетаний, токоведущие выступы выполнены в форме усеченной пирамиды, или цилиндра, или конуса, или пирамиды; токоведущие выступы выполнены в виде призмы с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм, прчем токоведущие выступы расположены произвольно или упорядоченно, или в шахматном, или ромбическом, или круговом, или спиральном, или лабиринтном порядке их расположения, а в способе получения биполярных пластин, включающем приготовление смеси термоотверждаемой смолы заданного состава в летучем растворителе, вводение углеродного наполнителя и перемешивание их до однородного состояния, сушку, прессование и термоотверждение, смесь перед прессованием подвергают сушке с последующим отжигом при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения смеси, а прессование ведут многократным нагружением до давления 15-20 МПа, при этом одновременно нагревают до отверждения смеси, отжиг осуществляют с постепенным повышением температуры в течение 10,0-15,0 ч и последующей выдержкой при этой температуре в течение 1,0-2,0 ч, а прессование ведут при температуре рабочего органа прессующего агрегата в 1,5-2,0 раза выше температуры отжига, соотношение "т:ж" при формировании смеси углеродных порошков с растворителем термоотверждаемой смолы выбирают в диапазоне от 1:3 до 1:5, в состав исходной смеси для прессования добавляют 0,1-3,0% порообразователя.

Это позволит обеспечить равномерное распределение реагентов по поверхности ячейки топливного элемента и эффективный отвод продуктов реакции и, как следствие этого, повысить плотность тока на ячейке топливного элемента при заданном напряжении.

В способе получения биполярных пластин, включающем приготовление смеси термоотверждаемой смолы определенного состава в летучем растворителе, введение углеродного наполнителя и их перемешивание до однородного состояния, сушку, прессование и термоотверждение, смесь перед прессованием подвергают сушке с последующим отжигом при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения смеси, а прессование ведут многократным нагружением до давления 15-20 МПа одновременно с нагревом, соответствующим отверждению смеси. При этом отжиг осуществляют с постепенным повышением температуры в течение 10,0-15,0 ч и последующей выдержкой при этой температуре в течение 1,0-2,0 ч, а прессование ведут при температуре рабочего органа прессующего агрегата в 1,5-2,0 раза выше температуры отжига. Соотношение "т:ж" (твердой и жидкой фаз) при формировании смеси углеродных порошков с растворителем термоотверждаемой смолы (ацетоном) варьируется в диапазоне от 1:2 до 1:5, а в состав исходной смеси для прессования добавляют 0,1-3,0% (масс.) порообразователя.

Необходимость использования термоотверждаемой смолы вызвана установленным экспериментально фактом отсутствия должного уплотнения областей токоведущих выступов при прессовании углеродсодержащих БП на термопластичном связующем, что выражалось в слабой адгезии токоведущих выступов к телу пластины и их отслоении. Наличие в смеси для прессования термоотверждаемой смолы любого состава позволяет в этом случае формировать бездефектные токоведущие выступы и БП в целом по механизму спекания с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления несмотря на продолжающийся нагрев.

Последовательность основных операций, происходящих в ходе биполярных пластин, выглядит следующим образом: формируют на поверхности частиц углеродного наполнителя тонкого слоя полимерного термоотверждаемого связующего во время подготовки смеси, ее сушки и последующего отжига, уплотнение смеси, появление жидкой фазы из-за плавления слоя связующего на частицах наполнителя, дальнейшее уплотнение изделия за счет усадки, характерной для жидкофазного спекания, термоотверждение связующего и изделия в целом.

Необходимость отжига перед прессованием обусловлена наличием в агломерированных смесях большого количества летучих компонентов, препятствующих эффективному прессованию. Более высокая температура отжига может привести к нежелательным процессам преждевременного отверждения связующего в отдельных микрообъемах смеси, а более низкотемпературный отжиг оказывается неэффективным.

Важным параметром является давление прессования. Для смесей углеродных дисперсных наполнителей и термоотверждаемого связующего давление прессования зависит от конкретного вида наполнителя и не должно превышать значения, выше которого происходит выдавливание жидкого связующего из смеси - 20 МПа. Низкое давление прессования (менее 15 МПа) не обеспечивает эффективное уплотнение БП, особенно в области токоведущих выступов.

Проведение прессования одновременно с нагревом пресс-формы со смесью под отверждение позволяет реализовать стадию 4 из указанной выше последовательности явлений, происходящих в ходе формирования пластин.

Конструктивное выполнение биполярной пластины иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид биполярной пластины, а на фиг.2 - сечение пластины по А-А с токоведущими выступами, выполненными в виде, например, цилиндра, на фиг.3 - сечение пластины по А-А с токоведущими выступами, выполненными в виде, например, конуса или пирамиды.

Биполярная пластина состоит из центральной части 1 и периферийной части 2. Центральная часть имеет выступы 3, вершины которых находятся в одной плоскости с периферийной частью, высотой от 0,3 до 2 мм и диаметром в основании 0,5-3,0 мм. Выступы расположены в линейном порядке по вертикали и горизонтали с шагом 1,0-4,0 мм и позволяют при большей развитой площади и объеме прохождения потоков газообразных реагентов распределить возникающие напряжения (давления) по всем направлениям. Возможен шахматный, ромбический, круговой, спиральный или лабиринтный порядок расположения выступов. А сами выступы могут иметь форму цилиндра, усеченной пирамиды, призмы, и/или усеченного конуса. Экспериментально было установлено, что в зависимости от приведенных диаметров выступов, их высоты и шагом между центрами выступов - оптимальная форма токоведущих выступов различается, потому что они по-разному оптимизируют потоки реагентов, эффективность теплообмена и электропроводность. Так, в частности, для шага 1 мм оптимальной является форма усеченной пирамиды. Для выступов с диаметром основания 0,5 мм, оптимальной является форма эллипса. Для токоведущих выступов с высотой 0,3 мм, оптимальной является форма цилиндра. Для конкретных режимов работы (сила тока, напряжение, поток реагента, размер ячейки и др.) подбор оптимальной формы токоведущих выступов и их геометрических размеров проводят индивидуально.

Биполярные пластины изготавливают следующим образом.

Комбинацию углеродных дисперсных компонентов смешивают для образования однородной смеси с определенным количеством раствора термоотверждаемой смолы. В виде углеродных дисперсных компонентов могут быть графит, сажа, рубленое волокно, измельченный кокс и т.д. Приготовленную смесь при периодическом перемешивании помещают на сушку при комнатной температуре для удаления основного количества летучих составляющих. Таким образом можно получать полуфабрикат в виде, например, гранул для последующего процесса изготовления БП. Далее, после визуального осмотра, сухую смесь отжигают при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения. Затем отожженную смесь прессуют при давлении 15-20 МПа в пресс-форме, пуансоны которой выполнены с углублениями, формирующими токоведущие выступы во время прессования и отверждения. Одновременно с прессованием проводят нагрев пресс-формы со смесью от температуры отжига до температуры отверждения. После выдержки при температуре отверждения 0,5-1 ч пресс-форму извлекают из пресса и охлаждают на воздухе, а затем распрессовывают с использованием специального приспособления.

Важным свойством биполярной пластины является структура ее поверхности. Для получения более высоких характеристик топливного элемента целесообразно, чтобы поверхность, по которой между токоведущими выступами проходят рабочие газы, имела определенную шероховатость и микропористость. В этом случае вода, образующаяся в результате реакции между газами, частично скапливается в приповерхностных порах и тем самым увеличивает влажность газов, что положительно влияет на удельные энергетические характеристики топливного элемента. Формирование нужной структуры приповерхностного слоя по предложенному способу в отличие от прототипа происходит путем введения в состав исходной смеси для прессования 0,1-3,0% (масс.) по отношению к твердой составляющей смеси («т») порообразователя (карбоната аммония, полиэтиленгликоля, полиэтилена). Введенный в состав исходной смеси порообразователь для осаждения воды не влияет на отверждение связующего и, разлагаясь в процессе термообработки, прессовки при отверждении, формирует микропористую структуру пластины, а следовательно, и приповерхностного слоя (на глубину 1-2 мкм).

Уменьшение содержания порообразователя менее 0,1% практически не влияет на микропористость и шероховатость приповерхностного слоя, а увеличение содержания порообразователя свыше 3,0% нецелесообразно из-за уменьшения механической прочности и возможного возникновения сквозной проницаемости пластин.

Способ получения биполярной пластины иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Для изготовления одной БП (с цилиндрическими токоведущими выступами, расположенными линейно, диаметром 0,5 мм, высотой 0,5 мм, с расстоянием между центрами выступов 1,0 мм) размером 100×100 мм, толщиной 7 мм и массой 115 г приготавливают смесь следующего состава с соотношением «т:ж»=1.33:3.00

Графит марки KS-10 - 98 г

Сажа марки ПМ-100 - 1 г

Бакелитовый лак марки ЛБС-1 - 34 г

Ацетон - 300 г.

В мерном стакане смешивают указанное количество бакелитового лака и, например, ацетона до однородно окрашенного раствора. Навеску порошка графита и сажу предварительно перемешивают всухую до состояния однородной смеси. Далее помещают смесь порошков и раствор бакелитового лака в емкость для перемешивания и механически перемешивают 5-10 мин до состояния однородности. Затем оставляют смесь под тягой вытяжного шкафа для высыхания при комнатной температуре в течение 12-15 ч до визуально сухого состояния, по мере высыхания периодически перемешивая смесь и растирая крупные (более 2-3 мм) агломераты через металлическую сетку с размером ячейки 2 мм. Навеску сухой смеси засыпают в пресс-форму, устанавливают пресс-форму в печь и нагревают до температуры 90°С в течение 13,5-14 ч с последующей выдержкой при этой температуре в течение 2 ч. Далее извлекают садку из печи и помещают ее в разогретый до 170°С гидравлический пресс. Прессовали на прессе рывками (это скорость нагружения) по 1-2 сек примерно до усилия 22 т. После примерно 5 сек выдержки снова увеличивают усилие до 22-25 т. Оставляют садку под прессом в течение 1 ч, после чего извлекают пресс-форму из пресса и оставиляют охлаждаться при комнатной температуре. После остывания разгружают пресс-форму на ручном винтовом прессе с помощью 4-х стальных выталкивателей. Визуальный контроль качества БП указывает на отсутствие на поверхности пластины (в том числе в области токоведущих выступов) царапин, дефектов и трещин, расслоений материала БП на границе между областью токоведущих выступов и основой БП. При осмотре пластины после проведения испытания на прочность (пластину помещают между стальными плитами и подвергают сжатию с усилием 5 т (давление 5 МПа), что соответствует рабочему усилию в топливном элементе в течение 1 ч) изменений и дефектов не обнаружено. Величина объемного удельного сопротивления составила 0,025 Ом·см.

Пример 2. Биполярную пластину изготавливают из композиции и по методике, аналогичной примеру 1 с выступами, имеющими форму усеченного конуса с диаметром в основании 3,0 мм, на вершине 2,5 мм, высотой 2,0 мм, с расстоянием между центрами выступов 4,0 мм.

До и после проведения испытаний на прочность дефектов поверхности и выступов не обнаруживают. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,030 Ом·см.

Пример 3. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1, но в качестве термоотверждаемого связующего используют эпоксифенольное связующее №560 производства ФГУП ГНЦ «ВИАМ» в количестве 31 г.

До и после проведения испытаний на прочность дефектов поверхности и выступов не обнаруживают. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,017 Ом·см.

Пример 4. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1, в исходную смесь для прессования добавляют порообразователь - порошок полиэтилена высокого давления в количестве 3,5 г (3,0 мас.%). До и после проведения испытаний на прочность дефектов поверхности и выступов не обнаруживают. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,028 Ом·см. Пористость приповерхностного слоя (глубиной до 100 мкм), измеренная по сорбции воды, составляет 2,8%.

Пример 5. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией, аналогичной примеру 1, из композиции и по методике, описанной в примере 9.

До проведения испытаний на прочность обнаружено до 10% разрушенных и дефектных выступов, после них количество разрушенных выступов составляет около 30%. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,025 Ом·см.

Пример 6. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1 (токоведущие выступы расположены линейно), испытывают в ячейке топливного элемента при следующих условиях:

Мембрана - МФ4-СК толщиной 135 мкм

Катализатор - Pt 40 /C в количестве 2.5 мг/см 2

Топливо - водород при давлении 2 ати

Окислитель - кислород при давлении 3 ати

Температура работы ячейки - 85°С

Реакция на аноде: H 2 →2H + +2е -

Реакция на катоде: О 2 +4е - +4H + →2Н 2 О

Суммарная реакция: О 2 +2Н 2 →2Н 2 О

При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляет 1,1 А/см 2 .

Пример 7. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1, но токоведущие выступы располагают ромбически и испытывают в ячейке топливного элемента при условиях, аналогичных примеру 6. При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляет 1,25 А/см 2 .

Пример 8. Биполярную пластину изготавливают из композиции и по методике, аналогичной примеру 1, выступы выполняют в форме призмы с диаметром 2 мм, высотой 1.5 мм, с расстоянием между центрами выступов 3,0 мм, а токоведущие выступы располагают ромбически и испытания проводят в ячейке топливного элемента при условиях, аналогичных примеру 6. При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляла 0,95 А/см 2 .

Пример 9. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией, аналогичной известному техническому решению, из композиции и по методике, описанной в примере 9, испытания проводят в ячейке топливного элемента при условиях, аналогичных примеру 6. При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляла 0,9 А/см 2 . Экспериментально установлено, что в зависимости от приведенных диаметров выступов, их высоты и шагом между центрами выступов оптимальная форма токоведущих выступов различается, потому что они по-разному оптимизируют потоки реагентов, эффективность теплообмена и электропроводность. Так, в частности, для шага 1 мм оптимальной является форма усеченной пирамиды. Для выступов с диаметром основания 0,5 мм оптимальной является форма эллипса. Для токоведущих выступов с высотой 0,3 мм оптимальной является форма цилиндра. Для конкретных режимов работы (сила тока, напряжение, поток реагента, размер ячейки и др.) подбор оптимальной формы токоведущих выступов и их геометрических размеров проводят индивидуально.

Изобретения позволяет расширить функциональные возможности, улучшить эксплуатационные свойства и характеристики биполярных пластин и топливного элемента в целом и получить биполярные пластины с токоведущими выступами произвольной формы и расположения с высотой выступов от 0,3 до 2,0 мм, а также повысить эффективность транспорта реагентов и отвода продуктов реакции, повышение коррозионной стойкости по периферии с технологической нагрузкой, которая составляет с центральной электропроводящей частью, имеющей функциональную нагрузку, единое целое.

1. Биполярная пластина для топливного элемента, состоящая из периферийных частей с отверстиями и центральной части с токоведущими выступами, вершины которых расположены в одной плоскости с периферийными частями, отличающаяся тем, что токоведущие выступы выполнены с заданной площадью основания с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм.

2. Биполярная пластина по п.1, отличающаяся тем, что токоведущие выступы выполнены с основанием в виде круга, или квадрата, или прямоугольника, или эллипса, или ромба, или трапеции, или их сочетаний.

Кроме того, основание может быть выполнено из сплава титана, алюминия или нержавеющей стали.

Описание на 6 л., илл. 2 л.

Полезная модель относится к конструкции устройств для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, более конкретно, к биполярным пластинам топливных элементов и может найти применение при создании компактных автономных источников питания на их основе для потребителей малой и средней мощности, в том числе, для удаленных потребителей, транспортных и переносных портативных энергоустановок, источников питания сотовых телефонов, ноутбуков и др.

В настоящее время в сборках топливных элементов используют, преимущественно, два основных типа биполярных пластин. Первый тип - это биполярные пластины, изготовленные целиком из углерода или графитовых полимерных композитов, а второй - это биполярные пластины, изготовленные из металлических материалов - нержавеющая сталь, алюминий и др.

Разработки в области графитовых биполярных пластин привели к существенному улучшению их физико-химических свойств и удельных характеристик. В частности, известна биполярная пластина, выполненная полностью из композита углерода - полибензимидазола (см. патент США US 7510678, 2004 г.). Биполярные пластины, изготовленные на основе углеродных композитов являются более коррозионно-стойкими, чем металлические, но главным их недостатком остается слабая механическая прочность, что ограничивает их использование в топливных элементах для транспортных и переносных портативных энергоустановок.

Металлы, в связи с этим, имеют несколько несомненных преимуществ перед углеродными материалами. Для них характерна более высокая тепло- и электропроводность, отсутствие пор, газонепроницаемость, а также высокая механическая прочность. Металлические биполярные пластины являются также более выгодными, по сравнению с графитовыми, с точки зрения их себестоимости. Для изготовления основания биполярной пластины, в частности, возможно использование нержавеющей стали, алюминия и титана. Использование нержавеющей стали и алюминия сравнительно удобно и выгодно по причине их невысокой стоимости, тогда как более дорогой титан обладает, по сравнению с ними, дополнительными преимуществами, связанными с легкостью, прочностью и более высокой коррозионной стойкостью.

Для повышения коррозионной стойкости металлических биполярных пластин предложено множество защитных покрытий. Анодная и катодная поверхности биполярных пластин из нержавеющей стали могут быть защищены проводящей пленкой нитрида хрома (патент США US 7247403, 2005 г.) или пленкой карбида (патент США US 5798188, 1997 г.). Основная проблема данной технологии - получение бездефектных покрытий.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является биполярная пластина топливного элемента, содержащая металлическое основание, анодная и катодная поверхности которого снабжены защитным токопроводящим покрытием (см. патент США US 6887610, 2003 г.). Особенностью известной биполярной пластины является то, что ее основание выполнено из нержавеющей стали, а анодная и катодная поверхности снабжены защитным покрытием в виде слоя золота, нанесенного на основание электрохимическим путем. К недостаткам известного устройства следует отнести сравнительно высокую стоимость защитного покрытия, возможность его отслоения от основания при нарушении технологии электрохимического восстановления золота и, как следствие, снижение срока службы биполярных пластин и батареи топливных элементов в целом.

Решаемой задачей полезной модели является создание сравнительно простой, технологичной и эффективной конструкции биполярной пластины, используемой в производстве батарей топливных элементов для автономных источников питания аппаратуры различного назначении. Дополнительной к указанной является задача повышения эксплуатационных характеристик биполярных пластин при работе на водороде и воздухе в условиях повышенных температур.

Решение указанной задачи достигается тем, что в биполярной пластине топливного элемента, содержащей металлическое основание, анодная и катодная поверхности которого снабжены защитным токопроводящим покрытием, согласно полезной модели, защитное токопроводящее покрытие выполнено за одно целое с основанием в виде модифицированного слоя металла, легированного углеродом на глубину 100-250 нм, причем основание выполнено из титана, алюминия или нержавеющей стали.

Такое выполнение устройства позволяет решить поставленную задачу создания сравнительно простой, технологичной и эффективной конструкции биполярной пластины, пригодной для промышленного производства многоэлементных батарей топливных элементов малой и средней мощности. Предложенное техническое решение позволяет также улучшить важнейшие характеристики биполярных пластин при работе на водороде и воздухе в условиях повышенных температур, в том числе, собственную и контактную электропроводность, теплопроводность, термостойкость, коррозионную стойкость. Одновременно решается задача предотвращения выделения в процессе эксплуатации компонентов, отравляющих топливные элементы.

Легирование углеродом поверхностных слоев металлической биполярной пластины на указанную глубину может достигаться, в том числе, термодиффузионным методом или методом ионной имплантации. Исследования, проведенные в ЗАО «РИМОС» показали высокую эффективность поверхностного модифицирования указанных металлов методом ионной имплантации при легировании биполярных пластин углеродом на глубину до 250 нм. Технологический процесс ионной имплантации, используемый для создания предложенного устройства, основан на внедрении ускоренных ионов углерода в материал основания биметаллических пластин топливных элементов. Для ионно-лучевой обработки биполярных пластин был разработан специализированный стенд, обеспечивающий получение контролируемого сильноточного пучка ускоренных ионов углерода (C + 12) в условиях высокого вакуума. Стенд обеспечивал необходимое изменение физических свойств поверхностного слоя биметаллических пластин на глубинах до десятых долей микрометров.

Внедрение ионов углерода (С + 12) в поверхностные слои металлических биполярных пластин обеспечило получение в них модифицированного защитного нанослоя со сверхвысокой концентрацией углерода. Полученный слой имеет характеристики близкие к характеристикам чистого углерода, но составляет с металлическим основанием биполярной пластины топливного элемента одно неотделимое целое, то есть общую конструкцию. В этом состоит принципиальное отличие от поверхностного защитного нанослоя, созданного методами электролиза или напыления.

В технологическом процессе ионной имплантации за счет торможения ионов в обрабатываемых изделиях происходит их разогрев, который поддерживается до окончания имплантации, тем самым, обеспечивая термодиффузию внедряемых ионов углерода вглубь материала биполярной пластины. Принципиальное отличие введения примесей методом ионной имплантации от метода тепловой диффузии отличается тем, что максимум ее концентрации залегает не на поверхности, а на глубине среднего нормального пробега ионов мишени, который определяется вышеперечисленными факторами.

В частности, доза имплантации при энергии ионов углерода 20 кэВ по глубине профиля распределения шлифованной пластины из титана марки ВТ1-0 достигала 10 18 см -2 преимущественно на глубине 200-230 нм с резким падением в зоне 250-300 нм. Уменьшение глубины легирования основания биполярной пластины менее 100 нм, в свою очередь, снижает уровень концентрации углерода в металле основания, защитные и электрофизические характеристики биполярной пластины.

В результате проведенных исследований также выяснено, что достигнутые результаты по степени легирования углеродом титана можно распространить на другие металлы для биполярных пластин топливных элементов, в том числе, на алюминий и нержавеющую сталь, широко используемые в топливных элементах. Основанием для этого является сравнительно большая длина свободного пробега ускоренных ионов углерода с энергией порядка 20 кэВ, позволяющая модифицировать анодную и катодную поверхности биполярной пластины на достаточную глубину в десятые доли мкм.

На фиг.1 представлено сечение типичной биполярной пластины топливного элемента, на фиг.2 - распределение концентрации углерода в имплантированном слое основания, на фиг.3 - график плотности мощности предложенного топливного элемента с биполярной пластиной из титана.

Биполярная пластина содержит плоское основание 1 из токопроводящего материала, преимущественно, из титана, алюминия или нержавеющей стали, а также из сплава каждого из этих металлов. В качестве примера приведены характеристики биполярной пластины из титана ВТ1-0. Катодная и анодная поверхности основания 1 снабжены защитным токопроводящим покрытием 2, 3, которое выполнено за одно целое с основанием 1 и представляет собой модифицированный слой основания из титана, легированного углеродом на глубину 100-250 нм. В основании 1, имеющем габариты 4×30×30 мм, в области катодной и анодной поверхности отфрезерованы продольные и поперечные каналы 4, 5 для подачи водорода и воздуха к газодиффузионным слоям топливного элемента и технологические отверстия 6. На катодной и анодной поверхности основания 1 биполярной пластины методом ионно-лучевой обработки были имплантированы слои 2, 3 углерода толщиной около 200 нм.

На фиг.2 приведен типичный график распределения концентрации углерода на анодной и катодной поверхности основания биполярной пластины (материал титан ВТ1-0). На фиг.3 приведены типичные кривые плотности мощности водородно-воздушного топливного элемента с токосъемными пластинами из металла без покрытий и металла, легированного углеродом (материал титан ВТ1-0). Как показывают расчеты и экспериментальные данные, решение поставленной задачи создания эффективных и надежных биполярных пластин становится возможным в случае использования каждого из упомянутых материалов. При этом технология изготовления биполярной пластины с другими материалами основания (алюминий, нержавеющая сталь, а также сплавы титана, алюминия и нержавеющей стали) аналогична описанной для титана с учетом изменения характеристик каждого из металлов.

Биполярная пластина топливного элемента функционирует следующим образом.

После фрезерования в основании 1 указанных каналов 4, 5 и сверления отверстий 6 рабочие поверхности биполярной пластины подвергают ионной имплантации потоком ускоренных до 20 кэВ ионов углерода для легирования катодной и анодной поверхности биполярной пластины и получения легированных углеродом слоев 2, 3. Биполярную пластину размещают в сборке топливных элементов между мембранно-электродными блоками на основе протонобменных мембран и осуществляют подачу водорода в каналы 5 и воздуха в каналы 4 с последующим отбором электрической энергии.

Как было указано, для предложенного устройства ионная имплантация углерода 12 в биполярные пластины осуществлялась на специализированном стенде при отработке ионных источников ЗАО «РИМОС». Измерение дозы имплантации углерода по глубине профиля распределения шлифованной пластины из титана марки ВТ1-0 (ТУ 1-5-063-85) производилось методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на оборудовании САМЕСА IMS4F (Франция).

Из фиг.2 следует, что на участке 200-220 нм сосредоточено наибольшее содержание углерода. При меньшей энергии ионов пик концентрации смещается ближе к поверхности титана, а при большей, соответственно, на большую глубину. Результаты измерений дозы имплантации углерода по глубине профиля распределения в титановой пластине показывают, что глубина эффективного для решаемой задачи поверхностного слоя составляет 200220 нм, что является достаточным для получения принципиально новых физико-химических свойств нанослоев биполярных пластин. Слой металла, легированный углеродом, имеет характеристики близкие к характеристикам углерода, но составляет с титановым основанием одно целое, то есть обладает прочностными характеристиками, соответствующими основному металлу.

Кривую распределения концентрации углерода в титане условно можно разбить на несколько участков (Фиг.2).

Участок от поверхности до глубины 200 нм характеризуется достаточно постоянной концентрацией углерода. На участке 200220 нм сосредоточено наибольшее содержание углерода. При меньшей энергии пик концентрации сместится ближе к поверхности титана, а при большей, соответственно, на большую глубину. Данное распределение концентрации углерода в титане получено при энергии ионов 20 кэВ, дозе имплантации 10 18 см -2 и температуре обрабатываемого изделия 300°С±10°С.

На следующем участке 230300 нм наблюдается резкое падение концентрации углерода из-за недостаточности энергии для большинства ионов проникать на такую глубину. Участок, отстоящий от поверхности более чем на 300 нм, характеризуется работой оборудования САМЕСА IMS4F за пределами достоверных измерений концентрации примеси. Это говорит о практическом отсутствии углерода на таких глубинах при ионной имплантации с вышеуказанными энергией ионов и температурой образца.

Полученные после метода ионной имплантации титановые биполярные пластины были исследованы на электрические характеристики.

На фиг.3 представлены кривые плотности мощности для топливных элементов с биполярными пластинами из титана без обработки и с титаном легированным углеродом. Абсолютные значения мощности отнесены к площади активной поверхности мембранно-электродного блока, составляющей 2,16 см 2 . Из графиков следует, что легирование углеродом приводит к улучшению удельных характеристик топливных элементов. Результаты исследования полученных образцов методом импедансной спектроскопии говорят о том, что легирование основания ионами углерода уменьшает суммарное омическое сопротивление биполярной пластины по сравнению с титаном без покрытий примерно в 1,4 раза за счет уменьшения контактных потерь.

Опытные образцы топливных элементов с биполярными пластинами предложенной конструкции были изготовлены с использованием упомянутых стендов и опробованы на специализированном оборудовании. Проведенные испытания подтвердили основные тактико-технические характеристики топливных элементов, в которых использованы предложенные биполярные пластины. Испытания также подтвердили технико-экономическую эффективность предложенного технического решения.

Биполярная пластина топливного элемента, содержащая металлическое основание, анодная и катодная поверхности которого снабжены защитным токопроводящим покрытием, отличающаяся тем, что защитное токопроводящее покрытие выполнено за одно целое с основанием в виде модифицированного слоя металла, легированного углеродом на глубину 100-250 нм, причем основание выполнено из титана, алюминия или нержавеющей стали.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в топливных элементах. Биполярная пластина топливного элемента включает в себя пластину, пространство протекания текучей среды, сформированное на обеих боковых сторонах пластины, сетку направления текучей среды, установленную в пространстве протекания текучей среды. На пластине сформированы впускной канал, соединенный с пространством протекания текучей среды, и выпускной канал, соединенный с пространством протекания текучей среды. Биполярную пластину изготавливают с помощью определенной пресс-формы и соответствующей обработки. В результате обеспечивается более равномерное распределение потоков и уменьшение сопротивления потокам топлива и воздуха, протекающим, соответственно, в топливный электрод и воздушный электрод топливного элемента. Помимо этого, площадь реакции с мембранно-электродным узлом и зона диффузии могут быть увеличены, а изготовление может быть упрощено и облегчено, 6 н. и 14 з.п. ф-лы, 16 ил.

Область техники

Изобретение относится к топливному элементу и, в частности, к биполярной пластине топливного элемента и способу изготовления такой пластины, способной придать равномерность распределению потоков, уменьшить сопротивление потокам топлива и воздуха, протекающим, соответственно, в топливный электрод и воздушный электрод топливного элемента и упростить ее изготовление.

Уровень техники

Топливный элемент вырабатывает в целом не наносящую вреда окружающей среде энергию, и он был создан для того, чтобы заменять традиционную энергию ископаемого топлива. Как показано на фиг.1, топливный элемент включает в себя пакет 100, который должен быть объединен с, по меньшей мере, одним единичным элементом 101, в котором протекает электрохимическая реакция; подающий топливопровод 200, соединенный с пакетом 100 так, чтобы подавать топливо; подающий воздуховод 300, соединенный с пакетом 100 так, чтобы подавать воздух; и выпускные трубопроводы 400, 500 для выпуска побочных продуктов протекающей реакции топлива и воздуха, соответственно. Единичный элемент 101 включает в себя топливный электрод (анод) (не показан), к которому поступает топливо; и воздушный электрод (катод) (не показан), к которому поступает воздух.

Сначала топливо и воздух подают к топливному электроду и воздушному электроду пакета 100 посредством подающего топливопровода 200 и подающего воздуховода 300, соответственно. Топливо, поданное к топливному электроду, ионизируется на положительные ионы и электроны (е-) посредством электрохимической реакции окисления на топливном электроде, ионизированные положительные ионы перемещаются через электролит к воздушному электроду, а электроны перемещаются к топливному электроду. Положительные ионы, перемещенные к воздушному электроду, вступают в электрохимическую реакцию восстановления с воздухом, поданным к воздушному электроду, и генерируют побочные продукты, такие как тепло реакции и воду и т.д. В данном процессе при перемещении электронов генерируется электроэнергия. Топливо после реакции на топливном электроде, а также вода и дополнительные побочные продукты, сгенерированные на воздушном электроде, выпускаются, соответственно, через выпускные трубопроводы 400, 500.

Топливные элементы могут быть классифицированы на различные типы в соответствии с используемыми в них электролитом и топливом и т.д.

Между тем, как показано на фиг.2, единичный элемент 101, составляющий пакет 100, включает в себя две биполярные пластины 10, имеющие открытый канал 11, по которому протекает воздух или топливо; и мембранно-электродный узел (МЭУ, от англ. «membrane electrode assembly» или МЕА) 20, размещенный между двумя этими биполярными пластинами 10 так, чтобы иметь определенные толщину и площадь. Две биполярные пластины 10 и размещенный между ними МЭУ 20 объединены друг с другом посредством дополнительных средств 30, 31 объединения. Канал, сформированный каналом 11 биполярной пластины 10 и боковой стороной МЭУ 20, составляет топливный электрод, и при протекании топлива через этот канал топливного электрода происходит реакция окисления. Кроме того, канал, сформированный каналом 11 другой биполярной пластины 10 и другой боковой стороной МЭУ 20, составляет воздушный электрод, и при протекании воздуха через этот канал воздушного электрода происходит реакция восстановления.

Форма биполярной пластины 10, в частности, форма канала 11, влияет на контактное сопротивление, оказываемое при протекании топлива и воздуха, и на распределение потоков и т.п., а контактное сопротивление и распределение потоков влияют на отдачу мощности (выход по энергии). Кроме того, биполярные пластины 10 имеют определенную форму, подходящую для облегчения технологического процесса и серийного производства.

Как показано на фиг.3, в традиционной биполярной пластине сформированы сквозные отверстия 13, 14, 15, 16, соответственно, на каждом краю пластины 12, имеющей определенную толщину и прямоугольную форму.

Кроме того, на боковой стороне пластины 12 сформированы многочисленные каналы 11 с тем, чтобы соединить сквозное отверстие 13 с расположенным по диагонали сквозным отверстием 16. Эти каналы 11 имеют зигзагообразную форму. Как показано на фиг.4, в поперечном сечении канала 11 этот канал 11 имеет определенные ширину и толщину и одну открытую боковую сторону. На другой боковой стороне пластины 12 сформированы многочисленные каналы 11 с тем, чтобы соединить два расположенных по диагонали сквозных отверстия 14, 16, причем эти каналы 11 имеют такую же самую форму, что и каналы, сформированные на противоположной боковой стороне.

Далее описывается работа традиционной биполярной пластины. Сначала топливо и воздух втекают, соответственно, в сквозные отверстия 13, 14, и проходящие через сквозные отверстия 13, 14 топливо и воздух втекают в каналы 11. Топливо или воздух в каналах 11 текут зигзагообразно вдоль каналов 11 и выпускаются наружу через сквозные отверстия 15, 16. В этом процессе в МЭУ 20 (показан на фиг.2), в котором протекает топливо, происходит реакция окисления, и одновременно происходит реакция восстановления в том МЭУ, в котором протекает воздух.

Однако в случае традиционной биполярной пластины, поскольку каналы 11 сформированы зигзагообразно, поток может распределяться равномерно лишь в некоторой степени. Более того, поскольку каналы, по которым протекают топливо и воздух, являются сложными и длинными, сопротивление потоку увеличивается, и поэтому возрастают потери давления на создание потока топлива и воздуха. Помимо этого, поскольку технологический процесс изготовления является сложным и затруднительным, производственные затраты высоки.

Техническая сущность настоящего изобретения

Чтобы разрешить вышеописанные проблемы, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить биполярную пластину топливного элемента и способ изготовления такой пластины, способной придать равномерность распределению потоков, уменьшить сопротивление потокам топлива и воздуха, протекающим, соответственно, в топливный электрод и воздушный электрод топливного элемента, и упростить ее изготовление.

Чтобы достичь вышеупомянутых целей, биполярная пластина топливного элемента включает в себя пластину, имеющую определенные толщину и площадь; пространство протекания текучей среды, сформированное на обеих боковых сторонах этой пластины так, чтобы иметь определенные ширину, длину и глубину; сетку направления текучей среды, установленную в пространстве протекания текучей среды так, чтобы иметь определенную форму; впускной канал, сформированный на пластине так, чтобы быть соединенным с пространством протекания текучей среды и принимать текучую среду; и выпускной канал, сформированный на пластине так, чтобы быть соединенным с пространством протекания текучей среды и выпускать текучую среду.

Помимо этого, способ изготовления биполярной пластины топливного элемента включает в себя изготовление пресс-формы для обработки пластины, на которой с обеих боковых сторон формируют пространство протекания текучей среды, имеющее определенные площадь и глубину, и формируют внутренний канал посредством опорной сетки, выступающей в форме сетки из пространства протекания текучей среды; формирование пластины с помощью этой пресс-формы; обработку пластины с выполнением впускного канала так, чтобы обеспечить втекание потока текучей среды в пространство протекания текучей среды, имеющее опорную сетку; и обработку пластины с выполнением выпускного канала так, чтобы обеспечить вытекание потока из пространства протекания текучей среды.

Помимо этого, биполярная пластина топливного элемента включает в себя пластину, имеющую определенные толщину и площадь; область канала, имеющую решетчатые выступы рядом с многочисленными решетчатыми пазами, сформированными по определенной области обеих боковых сторон пластины; впускной канал, сформированный на боковой стороне пластины так, чтобы быть соединенным с решетчатыми пазами в области канала и принимать текучую среду; и выпускной канал, сформированный на боковой стороне пластины так, чтобы выпускать текучую среду, проходящую по решетчатым пазам области канала.

Помимо этого, способ изготовления биполярной пластины топливного элемента включает в себя изготовление пластины, имеющей определенные толщину и площадь; выполнение механической обработки для формирования решетчатых пазов рядом с решетчатыми выступами, формируемых на обеих боковых сторонах пластины; и обработку пластины с выполнением впускного канала и выпускного канала таким образом, чтобы они были соединенными с решетчатыми пазами.

Помимо этого, биполярная пластина топливного элемента включает в себя пластину, имеющую определенные толщину и площадь, в которой на обеих боковых сторонах в середине посредством прессования сформированы многочисленные каналы, состоящие из многочисленных подъемов и спусков, так чтобы они имели определенные ширину и длину; и герметизирующий элемент, соответственно прикрепленный к контуру обеих боковых сторон пластины так, чтобы сформировать внутренние каналы вместе с каналами пластины, впускной канал и выпускной канал, по которым текучая среда втекает в и вытекает из этих каналов.

Помимо этого, способ изготовления биполярной пластины топливного элемента включает в себя вырезание пластины так, чтобы она имела определенный размер; пресс-обработку обеих боковых сторон вырезанной пластины, так чтобы сформировать многочисленные каналы, по которым протекает текучая среда; и объединение герметизирующего элемента с контуром пресс-обработанной пластины.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, которые включены для обеспечения лучшего понимания изобретения, входят в состав и составляют часть данного описания, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения.

На этих чертежах:

фиг.1 иллюстрирует традиционную систему топливного элемента;

фиг.2 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий часть пакета традиционного топливного элемента;

фиг.3 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий биполярную пластину традиционного топливного элемента;

фиг.4 представляет собой вид в разрезе вдоль линии А-В на фиг.3;

фиг.5 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий первый вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.6 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий часть биполярной пластины топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения;

фиг.7 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую первый вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.8 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий пакет биполярных пластин топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения;

фиг.9 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий рабочее состояние биполярной пластины топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения;

фиг.10 и 11 представляют собой вид сверху и вид спереди в разрезе, иллюстрирующие второй вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.12 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую второй вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.13 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий рабочее состояние биполярной пластины топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения;

фиг.14 и 15 представляют собой вид сверху и вид спереди в разрезе, иллюстрирующие третий вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением; и

фиг.16 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую третий вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Сначала будет описан первый вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.5 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий первый вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением, а фиг.6 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий часть биполярной пластины топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения.

Как показано на фиг.5 и 6, первый вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением включает в себя пластину 40, имеющую определенные толщину и площадь; пространство 41 протекания текучей среды, сформированное на обеих боковых сторонах пластины 40 так, чтобы иметь определенные ширину, длину и глубину; сетку 42 направления текучей среды, установленную в пространстве 41 протекания текучей среды так, чтобы иметь определенную форму; впускной канал 43, сформированный на пластине 40 соединенным с пространством 41 протекания текучей среды для введения текучей среды; и выпускной канал 44, сформированный на пластине 40 соединенным с пространством 41 протекания текучей среды для выпуска текучей среды.

Пластина 40 имеет прямоугольную форму и определенную толщину, пространство 41 протекания текучей среды сформировано, соответственно, на обеих боковых сторонах прямоугольной пластины 40, и оно имеет прямоугольную форму и определенную глубину. Пластина 40 выполнена из материала нержавеющей стали. Пластина 40 и пространство 41 протекания текучей среды могут иметь другие формы помимо прямоугольной формы.

Сетка 42 направления текучей среды имеет прямоугольную форму, меньшую, чем пространство 41 протекания текучей среды, с тем, чтобы она могла быть вставлена в пространство 41 протекания текучей среды пластины 40, и она имеет толщину, не большую, чем глубина пространства 41 протекания текучей среды.

Впускной канал 43 выполнен в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия и сформирован на одной боковой стороне пластины 40. Выпускной канал 43 выполнен в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия и сформирован на противоположной стороне от впускного канала 43 так, чтобы быть диагональным по отношению к этому впускному каналу 43.

Фиг.7 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую первый вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг.7, в первом варианте реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением изготавливают пресс-форму для обработки пластины, на которой по обеим боковым сторонам формируют пространство протекания текучей среды, имеющее определенные площадь и глубину, и формируют сетку выступающей в пространство протекания текучей среды. После этого пластину обрабатывают с помощью этой пресс-формы. При этом в пластине формируют прямоугольное пространство протекания текучей среды, имеющее определенную глубину, по обеим боковым сторонам прямоугольной пластины, имеющей определенную глубину, и в пространстве протекания текучей среды формируют сетку, так чтобы сформировать канал. Эта сетка может быть сформирована имеющей различные формы.

Далее пластину обрабатывают с целью выполнения впускного канала так, чтобы обеспечить втекание потока текучей среды в имеющее сетку пространство протекания текучей среды, и обрабатывают с целью выполнения выпускного канала так, чтобы обеспечить вытекание потока из пространства протекания текучей среды. Впускной канал и выпускной канал, соответственно, выполняют в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия или открытого паза.

Сначала биполярные пластины топливного элемента соединяют в пакет. Более подробно, как показано на фиг.8, между биполярными пластинами (БП) размещают МЭУ (М) и их объединяют друг с другом посредством средства объединения (не показаны). При этом пространством 41 протекания текучей среды, сформированным на боковой стороне биполярной пластины (БП), сеткой 42 направления текучей среды, сформированной в пространстве 41 протекания текучей среды, и боковой стороной МЭУ (М) образуется путь (канал), по которому протекает топливо. Другой боковой стороной МЭУ (М), пространством 41 протекания текучей среды, сформированным на боковой стороне другой биполярной пластины (БП), обращенной к первой биполярной пластине (БП), и сеткой 42 направления текучей среды, сформированной в пространстве 41 протекания текучей среды, образуется путь (канал), по которому протекает воздух.

При такой конструкции, когда топливо подается во впускной канал 43 биполярной пластины (БП), как показано на фиг.9, топливо во впускном канале 43 втекает в пространство 41 протекания текучей среды. Далее, топливо в пространстве 41 протекания текучей среды распространяется (распределяется) по всему пространству 41 протекания текучей среды посредством сетки 42 направления текучей среды, размещенной в пространстве 41 протекания текучей среды, и затем это топливо выпускается наружу через выпускной канал 44.

В этом процессе сетка 42 направления текучей среды в пространстве 41 протекания текучей среды выполняет не только функцию направления посредством равномерного распространения топлива в пространстве 41 протекания текучей среды, но и «диффузионную» функцию (функцию рассеивания) при надлежащем регулировании плотности потока. При этом распределение и давление могут быть отрегулированы посредством размера «ячеек» сетки 42 направления текучей среды. Между тем, за счет формирования сетки 42 направления текучей среды именно в виде сетки площадь контакта с МЭУ (М), соприкасающимся с биполярной пластиной (БП), сравнительно уменьшается, и, соответственно, эффективная площадь контакта топлива и МЭУ (М) увеличивается.

В дополнение к этому, воздух протекает посредством прохождения такого же процесса, как и описанный выше.

В случае способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения, за счет изготовления пластины с помощью пресс-формы она может легко изготавливаться в серийном производстве. Говоря более подробно, при изготовлении пластины с опорной сеткой и выполнении впускного канала и выпускного канала биполярная пластина может быть просто и легко изготовлена.

Фиг.10 и 11 представляют собой вид сверху и вид спереди в разрезе, иллюстрирующие второй вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг.10 и 11, биполярная пластина топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения включает в себя пластину 50, имеющую определенные толщину и площадь; область 53 канала, имеющую решетчатые выступы 52 рядом с многочисленными решетчатыми пазами 51, сформированными по определенной области обеих боковых сторон пластины 50; впускной канал 54, сформированный на одной боковой стороне пластины 50 так, чтобы быть соединенным с решетчатыми пазами 51 области 53 канала для введения текучей среды; и выпускной канал 55, сформированный на этой боковой стороне пластины 50 так, чтобы выпускать текучую среду, проходящую по решетчатым пазам 51 области 53 канала.

Пластина 50 имеет прямоугольную форму и определенную толщину. Область 53 канала, соответственно, сформирована на обеих боковых сторонах пластины 50 так, чтобы иметь прямоугольную форму. Пластина 50 и область 53 канала могут быть сформированы имеющими различные формы помимо прямоугольной формы.

Решетчатые выступы 52 сформированы имеющими форму прямоугольного конуса, и каждый решетчатый паз 51 сформирован между этими решетчатыми выступами 52 имеющим форму прямоугольного конуса. Решетчатый выступ 52 может быть сформирован так, чтобы иметь форму треугольного конуса.

Решетчатые выступы 52 размещены регулярным образом (через равные промежутки). В одной из модификаций решетчатые выступы 52 могут быть размещены нерегулярным образом.

Впускной канал 54 и выпускной канал 55, соответственно, сформированы на одной боковой стороне пластины 50 имеющими открытую форму, с определенными шириной и глубиной. Помимо этого, впускной канал 54 и выпускной канал 55 могут быть, соответственно, сформированы в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия.

Биполярная пластина топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения выполнена из нержавеющей стали.

Фиг.12 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую второй вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг.12, в способе изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения первым этапом является изготовление пластины, имеющей определенные толщину и площадь. Затем выполняют второй этап в виде механической обработки для формирования решетчатых пазов рядом с решетчатыми выступами на обеих боковых сторонах пластины. Этот второй этап включает в себя подэтапы насечки обеих боковых сторон пластины для формирования решетчатых выступов; и шлифовки обеих насеченных боковых сторон пластины. Решетчатые выступы, сформированные посредством насечки, имеют форму прямоугольного конуса, но они могут быть сформированы имеющими другие формы помимо формы прямоугольного конуса. Посредством насечки решетчатые пазы формируют среди решетчатых выступов, и при этом решетчатые пазы формируют каналы, по которым протекает текучая среда. Посредством выполнения шлифовки можно удалить заусенцы, возникшие при насечке, и обработать острые концы (вершины) решетчатых выступов так, чтобы они были тупыми.

И, наконец, третий этап заключается в обработке пластины с выполнением впускного канала и выпускного канала так, чтобы они были соединены с решетчатыми пазами.

Биполярные пластины топливного элемента собирают в пакет. При этом областью 53 канала, сформированной на одной боковой стороне биполярной пластины (БП), и боковой стороной МЭУ (М) образуется путь (канал), по которому протекает топливо. Другой боковой стороной МЭУ (М) и боковой стороной другой биполярной пластины (БП), обращенной к первой биполярной пластине (БП), образуется путь (канал), по которому протекает воздух.

При такой конструкции, когда топливо подается во впускной канал 54 биполярной пластины (БП), как показано на фиг.13, топливо во впускном канале 54 протекает по всей области 53 канала по пути (каналу), образованном(у) решетчатыми пазами 51 в области 53 канала, и далее это топливо выпускается наружу через выпускной канал 55.

В данном процессе за счет небольшой и единообразной формы подобной сетки, образованной решетчатыми пазами 51, сформированными посредством решетчатых выступов 52 в области 53 канала, текучая среда может не только распределяться равномерно, но также и рассеиваться. При этом за счет решетчатых выступов 52, сформированных в области 53 канала, площадь контакта биполярной пластины (БП) и МЭУ (М) сравнительно уменьшается, а эффективная площадь контакта топлива и МЭУ (М) увеличивается.

В дополнение к этому, воздух протекает посредством такого же процесса, как и описанный выше.

В случае способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения, за счет механической обработки имеющей определенную толщину прямоугольной пластины по обеим боковым сторонам с выполнением впускного канала и выпускного канала с помощью валка и т.д., изготовление является простым и быстрым.

Фиг.14 и 15 представляют собой вид сверху и вид спереди в разрезе, иллюстрирующие третий вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг.14 и 15, биполярная пластина топливного элемента в соответствии с третьим вариантом реализации настоящего изобретения включает в себя пластину 60, имеющую определенные толщину и площадь, в которой на обеих боковых сторонах в середине посредством прессования сформированы многочисленные каналы 61, состоящие из многочисленных подъемов и спусков, так чтобы они имели определенную ширину и длину; и герметизирующий элемент 65, соответственно прикрепленный к контуру обеих боковых сторон пластины 60 так, чтобы сформировать каналы 62а, 62b, 62 с вместе с каналами 61 пластины 60, впускной канал 63 и выпускной канал 64, по которым втекает и вытекает текучая среда.

Пластина 60 выполнена в виде прямоугольной металлической пластины, и в определенной внутренней области этой прямоугольной металлической пластины сформированы каналы 61. Каналы 61, состоящие из многочисленных подъемов и спусков, сформированы на обеих боковых сторонах пластины 60 с равномерными интервалами. При прессовании пластины 60 каналы 61, соответственно, формируются на обеих боковых сторонах пластины 60, и при этом каналы 61 имеют одинаковую глубину.

Герметизирующий элемент 65 имеет прямоугольную форму и определенную ширину, причем он имеет такую же самую толщину, что и высота подъемов канала 61, и имеет такой же самый размер, что и пластина 60. Высота подъемов канала 61 составляет приблизительно 2,5 мм.

Впускной канал 63, по которому протекает текучая среда, сформирован на одной боковой стороне герметизирующего элемента 65, а выпускной канал 64 сформирован так, чтобы быть противоположным впускному каналу 63.

Внутренний канал, сформированный посредством герметизирующего элемента 65, включает в себя впускной буферный канал 62а для распределения текучей среды по каналам 61 пластины 60; выпускной буферный канал 62b для обеспечения втекания текучей среды, проходящей по каналам 61 пластины 60, в выпускной канал 64; и соединительный канал 62 с для соединения впускного буферного канала 62а и выпускного буферного канала 62b.

Фиг.16 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую третий вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг.16, в способе изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с третьим вариантом реализации настоящего изобретения первым этапом является получение пластины 60 посредством вырезания металлической пластины, имеющей определенные толщину и площадь согласно определенному размеру, а вторым этапом является пресс-обработка пластины 60 с тем, чтобы сформировать многочисленные каналы 61 на обеих боковых сторонах пластины 60. Металлическая пластина 60 имеет прямоугольную форму.

Каналы 61 пластины 60 изготавливают прямыми, и они имеют определенную длину, причем высота подъемов каналов 61 является одинаковой. Канал 61 пластины 60 может иметь различные формы сечения, такие как форма волны или прямоугольная форма.

Третий этап заключается в объединении герметизирующего элемента 65 с контуром пресс-обработанной пластины 60. Герметизирующий элемент 65 сформирован в форме прямоугольной прокладки, имеющей определенную ширину и толщину, и этот герметизирующий элемент 65 объединяют с контуром пластины 60 так, чтобы окружить внутреннюю область пластины 60, и, следовательно, формируют каналы 62а, 62b, 62с. Впускной канал 63 и выпускной канал 64 формируют на герметизирующем элементе 65. Впускной канал 63 и выпускной канал 64 могут быть сформированы посредством вырезания части герметизирующего элемента 65.

Как описано выше в первом варианте реализации настоящего изобретения, собирают пакет топливного элемента. При этом подъемами прямого канала 61, сформированного на боковой стороне биполярной пластины (БП), и боковой стороной МЭУ (М) образуется путь (канал), по которому протекает топливо. Другой боковой стороной МЭУ (М) и спусками прямых каналов 61, сформированных на боковой стороне другой биполярной пластины (БП), обращенной к первой биполярной пластине (БП), образуется путь (канал), по которому протекает воздух.

При такой конструкции, когда топливо подается во впускной канал 63 биполярной пластины (БП), топливо во впускном канале 63 протекает по этому пути, а именно через впускной буферный канал 62а, соединительный канал 62с, канал 61 и выпускной буферный канал 62b. После этого топливо выпускается наружу через выпускной канал 64. В дополнение к этому, воздух протекает посредством прохождения такого же процесса, что и описанный выше.

Кроме того, в настоящем изобретении за счет изготовления металлической пластины посредством пресс-обработки, изготовление является простым и быстрым. Помимо этого, за счет уменьшения толщины биполярной пластины размер и масса пакета могут быть уменьшены.

Промышленная применимость

Как описано выше, в случае биполярной пластины топливного элемента и способа ее изготовления в соответствии с настоящим изобретением, за счет придания равномерности потокам топлива и воздуха, соответственно протекающим в топливный электрод и воздушный электрод топливного элемента, повышения эффективной площади реакции с МЭУ и увеличения зоны диффузии может быть увеличена отдача мощности (выход по энергии). За счет уменьшения сопротивления потоку топлива и воздуха могут быть уменьшены потери давления, генерирующего поток топлива и воздуха, т.е. силы накачки. Помимо этого, за счет упрощения и облегчения изготовления затраты на производство могут быть значительно снижены, и, следовательно, возможно серийное производство.

1. Биполярная пластина топливного элемента, содержащая пластину, имеющую определенные толщину и площадь; пространство протекания текучей среды, сформированное на обеих боковых сторонах этой пластины, причем пространство протекания текучей среды выполнено имеющим определенные ширину, длину и глубину; сетку направления текучей среды, установленную в пространстве протекания текучей среды, причем сетка направления текучей среды имеет определенную форму; впускной канал, сформированный на пластине соединенным с пространством протекания текучей среды для введения текучей среды; и выпускной канал, сформированный на пластине соединенным с пространством протекания текучей среды для выпуска текучей среды.

2. Биполярная пластина по п.1, в которой пространство протекания текучей среды сформировано имеющим прямоугольную форму, и сетка направления текучей среды имеет прямоугольную форму, не большую, чем размер пространства протекания текучей среды.

3. Биполярная пластина по п.1, в которой сетка направления текучей среды имеет толщину, не большую, чем глубина пространства протекания текучей среды.

4. Биполярная пластина по п.1, в которой впускной канал и выпускной канал соответственно выполнены в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия, и при этом они сформированы сбоку пластины.

5. Биполярная пластина по п.1, в которой впускной канал и выпускной канал размещены диагональными по отношению друг к другу.

6. Биполярная пластина по п.1, причем эта пластина выполнена из материала нержавеющей стали.

7. Способ изготовления биполярной пластины топливного элемента, включающий в себя изготовление пресс-формы для обработки пластины, на которой с обеих боковых сторон формируют пространство протекания текучей среды, имеющее определенные площадь и глубину, и формируют сетку выступающей в пространство протекания текучей среды; выполнение пластины с помощью этой пресс-формы; обработку пластины с выполнением впускного канала для втекания текучей среды в имеющее сетку пространство протекания текучей среды; и обработку пластины с выполнением выпускного канала для вытекания текучей среды из пространства протекания текучей среды.

8. Биполярная пластина топливного элемента, содержащая пластину, имеющую определенные толщину и площадь; область канала, имеющую решетчатые выступы рядом с многочисленными решетчатыми пазами, сформированными по определенной области обеих боковых сторон пластины; впускной канал, сформированный на боковой стороне пластины соединенным с решетчатыми пазами для введения текучей среды; и выпускной канал, сформированный на боковой стороне пластины соединенным с решетчатыми пазами для выпуска текучей среды в решетчатых пазах.

9. Биполярная пластина по п.8, в которой решетчатый выступ сформирован имеющим форму прямоугольного конуса.

10. Биполярная пластина по п.8, в которой решетчатые выступы сформированы через равные промежутки.

11. Биполярная пластина по п.8, в которой впускной канал и выпускной канал соответственно сформированы сбоку пластины имеющими открытую форму с определенными шириной и глубиной.

12. Биполярная пластина по п.8, причем эта пластина выполнена из материала нержавеющей стали.

13. Способ изготовления биполярной пластины топливного элемента, включающий в себя изготовление пластины, имеющей определенные толщину и площадь; выполнение механической обработки для формирования решетчатых пазов рядом с решетчатыми выступами, формируемых на обеих боковых сторонах пластины; и обработку пластины с выполнением впускного канала и выпускного канала соединенными с решетчатыми пазами.

14. Способ по п.13, в котором этап механической обработки включает в себя подэтапы: насечки обеих боковых сторон пластины для формирования решетчатых выступов; и шлифовки обеих насеченных боковых сторон пластины.

15. Биполярная пластина топливного элемента, содержащая: пластину, имеющую определенные толщину и площадь, в которой на обеих боковых сторонах в середине посредством прессования сформированы многочисленные каналы, состоящие из многочисленных подъемов и спусков так, чтобы они имели определенные ширину и длину; и герметизирующий элемент, соответственно прикрепленный к контуру обеих боковых сторон пластины так, чтобы сформировать внутренние каналы вместе с каналами пластины, впускной канал и выпускной канал, по которым текучая среда втекает и вытекает из каналов.

16. Биполярная пластина по п.15, в которой внутренние каналы включают в себя впускной буферный канал для распределения текучей среды по каналам пластины; выпускной буферный канал для обеспечения втекания текучей среды, проходящей по каналам пластины, в выпускной канал; и соединительный канал для соединения впускного буферного канала и выпускного буферного канала.

17. Способ изготовления биполярной пластины топливного элемента, включающий в себя вырезание пластины так, чтобы она имела определенный размер; пресс-обработку обеих боковых сторон вырезанной пластины так, чтобы сформировать многочисленные каналы, по которым протекает текучая среда; и объединение герметизирующего элемента с контуром пресс-обработанной пластины.

18. Способ по п.17, в котором на этапе пресс-обработки сформированные каналами подъемы обрабатывают так, чтобы они имели одинаковую высоту.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в топливных элементах

В США приняты несколько инициатив, направленных на разработку водородных топливных элементов, инфраструктуры и технологий, чтобы сделать автомобили на топливных элементах практичными и экономичными к 2020 году. На эти цели выделено более, чем один миллиард долларов.

Топливные элементы вырабатывают электричество тихо и эффективно, без загрязнения окружающей среды. В отличие от источников энергии, использующих ископаемое топливо, побочными продуктами от работы топливных элементов являются тепло и вода. Как это работает?

В этой статье мы кратко рассмотрим каждую из существующих топливных технологий на сегодняшний день, а так же расскажем об устройстве и работе топливных элементов, сравним их с другими формами получения энергии. Мы также обсудим некоторые из препятствий, с которыми сталкиваются исследователи, чтобы сделать топливные элементы практичными и доступными для потребителей.

Топливные элементы — это электрохимические устройства преобразования энергии . Топливный элемент преобразует химические вещества, водород и кислород в воду, в процессе чего вырабатывает электричество.

Другое электрохимическое устройство, с которым мы все хорошо знакомы, — аккумулятор . Батарея имеет все необходимые химические элементы внутри себя и превращает этих вещества в электричество. Это означает, что аккумулятор, в конце концов, «умирает» и вы либо выбрасываете, либо снова заряжаете его.

В топливном элементе химические вещества постоянно поступают в него, чтобы он никогда не «умирал». Электричество будет вырабатываться так долго, сколько будет происходить поступление химических веществ в элемент. Большинство топливных элементов, применяемых сегодня, используют водород и кислород.

Водород — наиболее распространенный элемент в нашей Галактике. Однако водород практически не существует на Земле в его элементарной форме. Инженеры и ученые должны извлекать чистый водород из водородных соединений, включая ископаемое топливо или воду. Чтобы добыть водород из этих соединений, нужно затратить энергию в виде высокой температуры или электричества.

Изобретение топливных элементов

Сэр Уильям Гроув изобрел первый топливный элемент в 1839 году. Гроув знал, что воду можно разделить на водород и кислород путем пропускания электрического тока через нее (процесс, называемый электролизом ). Он предположил, что в обратном порядке можно было бы получить электричество и воду. Он создал примитивный топливный элемент и назвал ее газовой гальванической батареей . Поэкспериментировав со своим новым изобретением, Гроув доказал свою гипотезу. Пятьдесят лет спустя, ученые Людвиг Монд и Чарльз Лангер придумали термин топливные элементы при попытке построить практическую модель для производства электроэнергии.

Топливный элемент будет конкурировать со многими другими устройствами конвертации энергии, в том числе с газовыми турбинами на городских электростанциях, двигателями внутреннего сгорания в автомобилях, а так же всевозможными аккумуляторами. Двигатели внутреннего сгорания, так же как и газовые турбины, сжигают различные виды топлива и используют давление, создаваемое путем расширения газов, чтобы выполнять механическую работу. Аккумуляторы преобразовывают химическую энергию в электрическую энергию, когда это необходимо. Топливные элементы должны выполнять эти задачи более эффективно.

Топливный элемент обеспечивает напряжение DC (постоянный ток), который может быть использован для питания электродвигателей, освещения и других электроприборов.

Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует различные химические процессы. Топливные элементы обычно классифицируются по их рабочей температуре и типу электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов, хорошо годятся для использования в стационарных электростанциях. Другие могут быть полезными для небольших портативных устройств или для питания автомобилей. Основные типы топливных элементов включают в себя:

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)

PEMFC рассматривается в качестве наиболее вероятного кандидата для применения на транспорте. PEMFC имеет как высокую мощность, так и относительно низкую рабочую температуру (в диапазоне от 60 до 80 градусов по Цельсию). Низкая рабочая температура означает, топливные элементы быстро смогут разогреться, чтобы начать генерацию электроэнергии.

Твердооксидные топливные элементы Solid oxide fuel cell (SOFC)

Эти топливные элементы наиболее подходят для крупных стационарных генераторов энергии, которые могли бы обеспечить электроэнергией фабрики или города. Этот тип топливных элементов работает при очень высоких температурах (от 700 до 1000 градусов по Цельсию). Высокая температура составляет проблему надежности, потому что часть топливных элементов может выйти из строя после нескольких циклов включения и выключения. Однако, твердооксидные топливные элементы являются очень стабильными при непрерывной работе. В самом деле, SOFC продемонстрировали самый длинный срок эксплуатации любых топливных элементов при определенных условиях. Высокая температура также имеет преимущество: пар, вырабатываемый топливными элементами, может быть направлен в турбины и генерировать больше электроэнергии. Этот процесс называется когенерацией тепла и электроэнергии и повышает общую эффективность системы.

Щелочной топливный элемент Alkaline fuel cell (AFC)

Это один из древнейших образцов для топливных элементов, используемый с 1960-х годов. AFC являются очень восприимчивыми к загрязнению, так как требуют чистый водород и кислород. Кроме того, они очень дороги, поэтому этот тип топливных элементов, вряд ли будет запущен в серийное производство.

Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом Molten-carbonate fuel cell (MCFC)

Как SOFC, эти топливные элементы также лучше всего подходят для больших стационарных электростанций и генераторов. Они работают при 600 градусов по Цельсию, так что могут генерировать пар, который, в свою очередь, может быть использован, чтобы генерировать еще больше энергии. Они имеют более низкую рабочую температуру, чем твердооксидные топливные элементы, что означает, что они не нуждаются в таких термоустойчивых материалах. Это делает их немного дешевле.

Топливный элемент на фосфорной кислоте Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)

Топливный элемент на фосфорной кислоте имеет потенциал для использования в небольших стационарных энергетических системах. Он работает на более высокой температуре, чем топливный элемент с полимерной мембраной обмена, поэтому он дольше разогревается, что делает его непригодным для использования в автомобилях.

Метаноловые топливные элементы Direct methanol fuel cell (DMFC)

Метаноловые топливные элементы сравнимы с PEMFC в отношении рабочей температуры, но не так эффективны. Кроме того, DMFC требуют довольно большого количества платины, выступающей в качестве катализатора, который делает эти топливные элементы дорогими.

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов. PEMFC использует одну из простейших реакций среди любых топливных элементов. Рассмотрим, из чего он состоит.

1. Анод – негативная клемма топливного элемента. Он проводит электроны, которые высвобождаются из молекул водорода, после чего они могут быть использованы во внешней цепи. В нем выгравированы каналы, по которым газообразный водород распределяется равномерно по поверхности катализатора.

2. Катод — позитивная клемма топливного элемента, также имеет каналы для распределения кислорода по поверхности катализатора. Он также проводит электроны обратно из внешней цепи катализатора, где они могут соединиться с ионами водорода и кислорода с образованием воды.

3. Электролит-протонообменная мембрана . Это специально обработанный материал, который проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. У PEMFC, мембрана должна быть увлажненной, чтобы нормально функционировать и оставаться стабильной.

4. Катализатор — это специальный материал, который способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из наночастиц платины, очень тонко нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор имеет такую структуру поверхности, чтобы максимальная площадь поверхности платины могла быть подвержена воздействию водорода или кислорода.

На рисунке показан газообразный водород (H2), входящий под давлением в топливный элемент со стороны анода. Когда молекула H2 соприкасается с платиной на катализаторе, она разделяется на два H+ иона и два электрона. Электроны проходят через анод, где они используются во внешней схеме (выполнение полезной работы, например, вращение двигателя) и возвращаются к стороне катода топливного элемента.

Между тем, на стороне катода топливного элемента, кислород (O2) из воздуха проходит через катализатор, где формирует два атома кислорода. У каждого из этих атомов есть сильный отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд привлекает два H+ иона через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами, пришедшими из внешней схемы, чтобы сформировать молекулу воды (H2O).

Эта реакция в одиночном топливном элементе производит только приблизительно 0,7 Вольт. Чтобы повысить напряжение до разумного уровня, много отдельных топливных элементов должны быть объединены, чтобы сформировать стек топливного элемента. Биполярные пластины используются для соединения одного топливного элемента с другим и подвергаются окислению с уменьшением потенциала. Большая проблема биполярных пластин – их стабильность. Металлические биполярные пластины могут разъедаться коррозией, и побочные продукты (железо и ионы хрома) уменьшают эффективность мембран топливного элемента и электродов. Поэтому низкотемпературные топливные элементы используют легкие металлы, графит и композитные соединения углерода и термореактивного материала (термореактивный материал — своего рода пластмасса, которая остается твердой, даже когда подвергается высоким температурам) в виде биполярного листового материала.

Эффективность топливного элемента

Сокращение загрязнения — одна из основных целей топливного элемента. Сравнивая автомобиль, приведенный в действие топливным элементом с автомобилем, приведенным в действие бензиновым двигателем и автомобилем, работающим от аккумулятора, вы увидите, как топливные элементы могли бы повысить эффективность автомобилей.

Так как у всех трех типов автомобилей есть многие одни и те же самые компоненты, мы проигнорируем эту часть автомобиля и сравним полезные действия до пункта, где производится механическая энергия. Давайте начнем с автомобиля на топливных элементах.

Если топливный элемент приведен в действие чистым водородом, его КПД может составить до 80 процентов. Таким образом, он преобразовывает 80 процентов энергетического содержания водорода в электроэнергию. Однако мы еще должны преобразовать электроэнергию в механическую работу. Это достигается электродвигателем и инвертором. КПД двигателя + инвертора также составляет приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность приблизительно 80*80/100=64 процентов. У концептуального транспортного средства Хонды FCX по сообщениям есть 60-процентная эффективность использования энергии.

Если топливный источник не будет в виде чистого водорода, то транспортное средство будет также нуждаться в риформаторе. Риформаторы превращают углеводородные или спиртовые топлива в водород. Они вырабатывают тепло и производят CO и CO2 помимо водорода. Для очистки полученного водорода в них используются различные устройства, но эта очистка недостаточна и понижает эффективность топливного элемента. Поэтому исследователи решили сконцентрироваться на топливных элементах для транспортных средств, работающих на чистом водороде, несмотря на проблемы, связанные с производством и хранением водорода.

Эффективность бензинового двигателя и автомобиля на электрических батареях

Эффективность автомобиля, приведенного в действие бензином — удивительно низкая. Вся высокая температура, которая выходит в виде выхлопа или поглощается радиатором, является потраченной впустую энергией. Двигатель также использует много энергии, вращающей различные насосы, вентиляторы и генераторы, которые поддерживают его работу. Таким образом, полная эффективность автомобильного бензинового двигателя составляет приблизительно 20 процентов. Таким образом, только приблизительно 20 процентов содержания тепловой энергии бензина преобразуются в механическую работу.

У работающего от аккумулятора электромобиля есть довольно высокая эффективность. Батарея имеет КПД, приблизительно, 90 процентов (большинство батарей вырабатывает некоторое тепло или требует нагревания), и электродвигатель + инвертор с КПД, приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность, приблизительно, 72 процента.

Но это не все. Для того, чтобы электромобиль двигался, электричество должно быть сначала где-нибудь произведено. Если это была электростанция, которая использовала процесс сгорания ископаемого топлива (а не ядерную, гидроэлектрическую, солнечную или ветровую энергию), то только приблизительно 40 процентов топлива, потребленного электростанцией, были преобразованы в электричество. Плюс, процесс зарядки автомобиля требует преобразования мощности переменного тока (AC) к мощности постоянного тока (DC). У этого процесса КПД приблизительно 90 процентов.

Теперь, если мы смотрим на целый цикл, эффективность электромобиля составляет 72 процента для самого автомобиля, 40 процентов для электростанции и 90 процентов для зарядки автомобиля. Это дает полную эффективность 26 процентов. Полная эффективность значительно варьируется в зависимости от того, какая электростанция используется для зарядки аккумулятора. Если электричество для автомобиля произведено, например, гидроэлектростанцией, то эффективность электромобиля составит приблизительно 65 процентов.

Ученые исследуют и совершенствуют проекты, чтобы продолжать повышать эффективность топливного элемента. Один из новых подходов должен объединить топливный элемент и работающие от аккумулятора транспортные средства. Разрабатывается концептуальное транспортное средство, приводимое в действие гибридной трансмиссией с подпиткой от топливного элемента. Оно использует литиевую батарею, приводящую автомобиль в действие, в то время как топливный элемент перезаряжает батарею.

Транспортные средства на топливных элементах потенциально так же эффективны как работающий от аккумулятора автомобиль, который заряжается от электростанции, не использующей ископаемое топливо. Но достижение такого потенциала практическим и доступным способом может оказаться трудным.

Зачем нужно использовать топливные элементы?

Основной причиной является все, что связано с нефтью. Америка должна импортировать почти 60 процентов своей нефти. К 2025 г. импорт, как ожидается, вырастет до 68%. Две трети нефти американцы используют ежедневно для перевозок. Даже если каждый автомобиль на улице был бы гибридным автомобилем, к 2025 году в США все равно пришлось бы использовать то же количество нефти, которое потреблялось американцами в 2000 году. В самом деле, Америка потребляет четверть всей нефти, добываемой в мире, хотя только 4,6% мирового населения живет здесь.

Эксперты ожидают, что цены на нефть продолжат расти в течение следующих нескольких десятилетий, так как более дешевые источники истощаются. Нефтяные компании должны разрабатывать нефтяные месторождения во все более сложных условиях, отчего будут повышать цены на нефть.

Опасения простираются далеко за пределы экономической безопасности. Много средств, поступающих от продажи нефти, расходуются на поддержание международного терроризма, радикальных политических партий, нестабильной обстановки в нефтедобывающих регионах.

Использование нефти и других видов ископаемого топлива для получения энергии производит загрязнение. Оно наилучшим образом подходит для всех найти альтернативу-сжигание ископаемого топлива для получения энергии.

Топливные элементы являются привлекательной альтернативой нефтяной зависимости. Топливные элементы вместо загрязнения производят чистую воду в качестве побочного продукта. Хотя инженеры временно сосредоточились на производстве водорода из различных ископаемых источников, таких как бензин или природный газ, изучаются возобновляемые, экологически чистые способы получения водорода в будущем. Самым перспективным, естественно, станет процесс получения водорода из воды

Зависимость от нефти и глобальное потепление — международная проблема. Несколько стран совместно участвуют в развитии исследований и разработок для технологии топливных элементов.

Очевидно, что ученые и производители должны немало потрудиться, прежде чем топливные элементы станут альтернативой современным методам производства энергии. И все же, при поддержке всего мира и глобальном сотрудничестве, жизнеспособная энергетическая система на базе топливных элементов может стать реальностью уже через пару десятилетий.

Разработка топливных элементов является, вероятно, наиболее желанной технологией в транспортной индустрии сегодняшнего дня, поскольку разработчики ежегодно тратят колоссальные, суммы в поисках жизнеспособной альтернативы (или дополнения) двигателю внутреннего сгорания. В течение нескольких последних лет инженеры компании Dana направили свои производственные и технические возможности на решение задачи уменьшения зависимости автомобиля от традиционных источников энергии. На протяжении истории человечества основные источники энергии изменялись от твердых видов топлива (типа древесины и угля) в сторону жидких (нефти). В ближайшие годы, как полагают многие, газообразные продукты постепенно станут доминирующим источником энергии во всем мире.

Если коротко, топливный элемент — электрохимическое устройство, в котором энергия химической реакции преобразуется непосредственно в электричество, тепло и золу. Этот процесс изменяет в лучшую сторону низкую эффективность традиционного термомеханического преобразования носителя энергии.

Рис. Автомобиль с топливными элементами

Водород — первый пример возобновляемого газообразного топлива, которое позволяет вести такую реакцию и, в конечном счете, получать электрическую энергию. И этот процесс не загрязняет окружающую среду.

Типичная модель топливного элемента с использованием энергии водорода включает в себя водород, текущий в сторону анода топливного элемента, где посредством электрохимического процесса в присутствии платинового катализатора молекулы водорода расщепляются на электроны и положительно заряженные ионы. Электроны идут и обход протонной обменной мембраны (proton exchange membrane - РЕМ), тем самым генерируется электрический ток. В то же самое время положительные ионы водорода продолжают диффундировать через топливный элемент сквозь РЕМ. Затем электроны и положительные ионы водорода объединяются с кислородом на стороне катода, образуя воду и выделяя тепло. В отличие от традиционного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, здесь электричество сохраняется в батареях или идет непосредственно в тяговые электродвигатели, которые, в свою очередь, приводят во вращение колеса.

Одно из препятствий для систем на базе топливных элементов — это отсутствие в настоящее время инфраструктуры для изготовления или поставки достаточных объемов водорода. В результате главной нерешенной проблемой остается наличие специфичного вида топлива, используемого в топливном элементе. Бензин и метанол — самые вероятные носители энергии для топливных элементов. Однако каждый вид топлива все еще стоит перед своими собственными проблемами.

В настоящее время разрабатывается технология для композитных биполярных пластин, спаянных в виде сетки, трубопроводов и интегрированных изоляторов. Инженеры разрабатывают металлические биполярные пластины со специальными покрытиями, высокотемпературными каналами области тока, высокотемпературными изоляторами и со средствами высокотемпературной зашиты. Они также разрабатывают методы управления и конструкцию топливных процессоров, пароконденсаторов, предварительных нагревателей и модулей охлаждения с интегрированными вентиляторами и моторами. Продолжается разработка решений для транспортировки водорода, углеродосодержаших жидкостей, деионизированной воды и воздуха к различным частям системы. Группа фильтрации компании Dana разрабатывает фильтры для воздушного входного отверстия системы топливного элемента.

Признано, что водород — топливо будущего. Так-же принято считать, что топливные элементы в конечном счете окажут существенное влияние на автомобильную промышленность.

Ожидается, что автомобили и грузовики со вспомогательными топливными элементами для обеспечения энергией системы кондиционирования и другой электроники в скором времени появится на дорогах.

Рис. Топливные элементы на автомобиле (