Forskning på bipolare brenselcelleplater. Hvordan fungerer brenselceller?

Den foreslåtte oppfinnelsen angår bipolare plater av brenselceller (FC). Den foreslåtte bipolare TE-platen med rund form inneholder skilleplater som har en midtsone der kanalene er plassert langs evolventene i en sirkel som begrenser den sentrale sonen, og lengden på sirkelen langs hvilken evolventene er bygget er lik produktet av antall kanaler per trinn, og trinnet til kanalene er jevnt langs omkretsen, en sentral sone, som inkluderer de indre endene av de evolvente kanalene og ribbene til kanalene på platene er plassert på en slik måte at under montering de krysser hverandre, danner flate sentrale samlere, en perifer ringformet sone som består av kryssende kanaler og koniske fremspring, gjennom hvilke tilførsel og utslipp av reagenser er organisert og kjølemiddel til de ytre endene av de tilsvarende evolvente kanalene. Skilleplatene langs periferien og den perifere tetningskanten har hull som faller sammen langs periferien, som ved montering av brenselcellebatteriet danner samlekanaler for tilførsel av oksidasjonsmiddel, drivstoff og kjølevæske gjennom horisontale kanaler til den perifere ringformede sonen til skilleplatene og deretter inn i de tilsvarende hulrommene og fjern reagenser fra dem. Opprettelsen av en stiv og lett bipolar metallplate med rund form, som sikrer jevn fjerning og tilførsel av drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske over hele området til brenselcellen er det tekniske resultatet av oppfinnelsen. 3 lønn fly, 6 syke.

Tegninger for RF patent 2516245

Den påståtte tekniske løsningen relaterer seg til feltet for direkte konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi, spesielt til utformingen av en bipolar plate av en brenselcelle (FC).

Tallrike designalternativer for brenselceller er kjent, hvor rektangulære bipolare plater brukes.

En av analogene til slike bipolare plater er en brenselcelle med en protonutvekslingsmembran, beskrevet i US patent nr. 6261710 (IPC klasse H01M 8/02, prioritetsdato 25. november 1998). I henhold til denne oppfinnelsen inneholder den bipolare platen øvre og nedre skillende tynnplate metallplater, hvor rette kanaler med en trekantet profil er stemplet. Kanalene er designet for tilførsel og fjerning av drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske.

Når skilleplatene kommer i kontakt under monteringsprosessen, dannes et indre kjølemiddelhulrom mellom dem, og de ytre kanalene danner drivstoff- og oksidasjonshulrommene. Den bipolare platen inkluderer også en perifer tetning.

Ulempene med analogen, nemlig økt vekt, dimensjoner og en betydelig tetningsomkrets, er forbundet med den rektangulære formen til den bipolare platen. Det er kjent at en sirkel er en linje med minimum lengde som begrenser den totale overflaten til en gitt form. Bare runde bipolare plater, og følgelig et brenselcellebatteri basert på dem, kan ha den minste vekten, dimensjonene og tetningens omkrets.

Nærmest den påståtte tekniske løsningen og derfor akseptert som prototype er et brenselcellebatteri som inneholder membran-elektrode og bipolare sammenstillinger (plater), erklært i RF patent nr. 2355072 "Brennselcellebatteri" (IPC klasse HO1M 8/10, HO1M 8/02, prioritetsdato 10/03/2007) . Dette batteriet av brenselceller inneholder runde (i plan) komponenter, spesielt bipolare plater med kanaler for tilførsel og fjerning av anode- og katodegasser og flytende kjølemiddel. Hver bipolar enhet består av tilstøtende katode-, midt- og anodeskillende metallplater. Katode- og anodeseparasjonsplatene er utstyrt med kanaler for tilførsel av katodegass til luft og anodegass til hydrogenelektroder i membran-elektrodesammenstillingene, og midtplaten er utstyrt med kanaler for å sirkulere flytende kjølemiddel mellom katode- og anodeplatene. Kanalene til katodeplaten har form av spiraler i plan, kanalene til anodeplaten har form av halvsirkler, og kanalene til midtplaten har form av bueformede slisser. Katodegassinnløpssamleren er en sentral kanal som penetrerer brenselcellen, inkludert bipolare enheter. Innløps- og utløpskollektorene for anodegassen og kjølemediet er også laget i form av slisslignende kanaler plassert motsatt langs de batteridannende elementene. Kanaler på overflaten av anode- og katodeplatene til bipolare sammenstillinger kan lages ved stempling.

Ulempene med den tekniske løsningen angitt i prototypen er som følger.

For det første er kanalene til alle tre hulrommene organisert på en slik måte at de varierer betydelig i lengde og form. Ujevn lengde og form skaper forskjellig hydraulisk motstand i kanalene mot strømmen av reagenser og kjølemiddel, og som en konsekvens ujevn fordeling av den strømgenererende reaksjonen over området til brenselcellen.

Denne omstendigheten reduserer effektiviteten til brenselceller og svekker korrosjonsmotstanden til brenselcellebatteriet, noe som igjen reduserer levetiden.

For det andre gjør organiseringen av spaltekanaler ved å kontakte den indre overflaten av et sylindrisk dielektrisk legeme og den ytre overflaten av den indre overflaten av en pakke bestående av membran-elektrode og bipolare sammenstillinger, som er nesten umulig å gjøre glatt, det svært vanskelig å oppnå interkavitets tetthet av batteriet.

Målet med den foreslåtte utformingen av en rundformet bipolar FC-plate er å gi betingelser for jevn fordeling av reagenser og kjølevæske over området til brenselcellene og å forenkle spørsmålet om å oppnå tetthet under montering, både mellom hulrommene i batteriet og selve brenselcellebatteriet i forhold til eksternt miljø, og i tillegg sikre den nødvendige stivheten til den bipolare platen, noe som er spesielt viktig ved fremstilling av spesielt tynne metallplater opp til 0,05 mm tykke.

Løsningen på problemet ligger i det faktum at i den kjente utformingen av en rundformet brenselcelle, bestående av en membran-elektrode samt en bipolar enhet som inneholder kanaler for sirkulasjon av anode, katodegasser og kjølemiddel, oppnådd ved stempling , med et motsatt (motsatt) arrangement av innganger og utganger av anodegass og kjølemiddel, hull for festing og sentrering av bipolare enheter ved montering av batteriet, i henhold til den foreslåtte tekniske løsningen, er formen på kanalene endret, antall skilleplater i den bipolare sammenstillingen har blitt redusert til to, ved å eliminere den sentrale platen, og i stedet for fem sporlignende og én runde sentrale kanaler (kollektorer) inngang og utgang av katode- og anodegasser og kjølemiddel, et flertall av innløp og utløp samlere av katode, anodegasser og kjølemiddel er organisert, dannet av hull i den perifere kanten av den bipolare FC-platen med en rund form.

I henhold til den påståtte tekniske løsningen, i stedet for spiral (for katodegass), halvsirkulære (for anodegass) og bueformede (for kjølevæske) kanaler, er kanalene til både reagenser og kjølevæske til den påståtte bipolare TE-platen med rund form. laget langs involuttene i sirkelen som avgrenser den sentrale sonen og er jevnt fordelt over området. De indre endene av de evolvente kanalene er forbundet med den sentrale sonen, og de ytre endene av de evolvente kanalene i den perifere ringformede sonen er forbundet via horisontale kanaler til samlehull, for eksempel trapesformet, plassert rundt omkretsen på den perifere tetningskanten av den bipolare FC-platen. Kun bruken av denne utformingen gjør det mulig å oppnå kanaler med lik lengde og identisk form for bipolare rundformede TE-plater. Lengden på sirkelen langs hvilken involuttene er konstruert er lik produktet av antall kanaler per trinn, og trinnet til kanalene er jevnt langs omkretsen, og derfor er tykkelsen på ribbene som danner kanalene like, og alle kanaler har den samme hydrauliske motstanden, noe som sikrer høy ensartethet av den elektrokjemiske strømgenererende reaksjonen i området av brenselcellen og, som en konsekvens, høy effektivitet av brenselcellebatteriet som helhet.

Drivstoff-, oksidasjons- og kjølevæskekanalene er stemplet inn i to skilleplater av tynne metallplater, som er en del av den bipolare platen til brenselcellen. Begge skilleplatene (anode og katode) er fast forbundet med hverandre, for eksempel loddet på alle kontaktpunkter. Alle kontaktpunkter mellom delene og den perifere tetningskanten er også loddet sammen.

Det er ingen evolvente kanaler i den sentrale, sirkulære sonen av den bipolare TE-platen. Kanalene for strømmen av reagenser og kjølemiddel i den sentrale sonen er organisert ved hjelp av separate utvidede ribber, hvis lengde, form og relative posisjon sikrer fullstendig blanding og gjennomsnitt av konsentrasjonen av gasser og kjølemiddel som kommer inn i den fra alle evolvente kanaler. For å sikre strukturell stivhet i den sentrale sonen, er ribbene til anode- og katodeseparasjonsplatene til den bipolare platen anordnet på en slik måte at de krysser hverandre og danner et slags gitter.

I den perifere ringformede sonen til den bipolare FC-platen organiseres også sirkulasjonen av reagenser og kjølevæske ved hjelp av ribber. Ribbene til anode- og katodeseparasjonsplatene, for å gi stivhet til den bipolare platen i dette området, er også plassert på en slik måte at de krysser hverandre, noe som sikrer stivheten til dette området.

Vertikale samlere for tilførsel og utlading av reagenser og kjølemiddel i brenselcellebatteriet dannes når brenselcellebatteriet settes sammen fra hull plassert i den perifere tetningskanten til den runde bipolare platen til brenselcellen.

En pakke bestående av membran-elektrodemontasjer og rundformede bipolare FC-plater er forseglet langs kantene, for eksempel ved bruk av fugemasse eller lim.

Dermed sikrer den påståtte tekniske løsningen jevn fordeling av reagens- og kjølevæskestrømmer over hele området av brenselcellen, pålitelig forsegling av anoden, katoden, så vel som kjølevæskehulrommene seg imellom og alle hulrom i forhold til det ytre miljøet, den nødvendige stivheten og styrken til bipolare plater av brenselceller laget av spesielle tynne metallplater.

Den påståtte tekniske løsningen er presentert i følgende figurer. Figur 1 er et generelt riss av den rundformede bipolare TE-platen ifølge oppfinnelsen. Figur 2 viser midtsonen av evolvente kanaler i større skala. Figur 3 viser et tverrsnitt av midtsonen av evolventkanalene. Figur 4 er den sentrale sonen i større skala. Figur 5 er et forstørret fragment av den perifere ringformede sonen med en perifer tetningskant. Fig.6 - brenselcelle i snitt langs anodehulrommet.

Den runde bipolare TE-platen (fig. 1) inneholder følgende soner: selve evolventkanalene - midten (1), den perifere ringformede (2), der de ytre endene av evolventkanalene er koblet til samlehullene i den perifere tetningskanten, den sentrale (3), hvor de indre endene av de evolvente kanalene kommer ut, samt den perifere tetningskanten (4). I fig. 1 er den midtre (evolvente) sonen (1) og den perifere ringformede sonen (2) ikke vist i sin helhet; faktisk dekker de jevnt hele overflaten til den oppfinnsomme bipolare rundformede TE-platen.

I fig. 2 er midtsonen av de evolvente kanalene (1) vist i større skala for å vise dens kanaler (5) og ribber (buler) (6).

Tverrsnittet av midtsonen av de evolvente kanalene (fig. 3) gir en ide om hvordan anode (8) og katode (9) skilleplater er koblet sammen, for eksempel loddet sammen (loddesømmen er indikert med posisjon 7), dannes mellom dem indre overflater hulrom for kjølemediesirkulasjon (10). De ytre overflatene til separasjonsplatene for katoden (9) og anode (8) tjener til å danne kanaler gjennom hvilke henholdsvis brensel (11) og oksidasjonsmiddel (12) sirkulerer.

Figur 4 viser plasseringen i den sentrale sonen av ribbene til kanalene til katoden (13) (heltrukne linjer) skilleplaten og anoden (14) (stiplede linjer) skilleplaten. Kanalene til den sentrale sonen på begge platene er plassert på en slik måte at når den bipolare FC-platen monteres, skjærer kanalene seg og danner en flat sentral manifold, som tjener til å jevnt fordele drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske i den sentrale sonen. I tillegg gjør et slikt arrangement av kanaler det mulig å styrke den sentrale sonen (3) av den bipolare platen. Figur 4 viser også hvordan de evolvente kanalene (5) og deres ribber (6) artikulerer med kanalene og ribbene i den sentrale sonen.

Figur 5 viser hvordan ribbene til kanalene til anoden (15) og ribbene til kanalene til katoden (16) skilleplatene skjærer hverandre i den perifere ringformede sonen (2) til den bipolare TE-platen med en rund form, og sikrer dens stivhet og styrke i denne sonen. Ribbene til kanalene (15 og 16) danner sammen med de koniske fremspringene (17) en slags flate samlere som jevnt fordeler drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske ved innløpet til de ytre endene av de tilsvarende evolvente kanalene i midtsonen av evolvente kanaler (1) på den runde bipolare FC-platen og utløpet fra dem. Hull (18) i den perifere tetningskanten (4) og langs periferien av anoden (8) og katoden (9) som skiller plater, for eksempel trapesformet, danner ved montering av FC-batteriet vertikale samlekanaler for tilførsel og utlading reagenser og FC bipolare plater inn i de tilsvarende hulrommene i den bipolare platekjølevæsken gjennom horisontale kanaler (19), og gjennom hullene for å feste og sentrere de bipolare enhetene ved montering av batteriet (20), går festeelementene gjennom for eksempel pinner ( stangfjærer), strammer drivstoffelementene inn i brenselcellebatteriet. Hullene for å feste og sentrere de bipolare enhetene ved montering av batteriet (20) er plassert jevnt rundt omkretsen av den rundformede bipolare TE-platen og det kan for eksempel være tre av dem.

Figur 6 viser et tverrsnitt av hele brenselcellen. Brenselcellen inneholder en bipolar plate (21), som inkluderer anode (8) og katode (9) skilleplater, som danner kanaler for sirkulasjon av kjølevæsken (10) mellom seg, og sammen med anoden (22) og katoden (23) ) danner kanaler for sirkulasjonsbrensel (11) og kanaler for sirkulasjon av oksidasjonsmidlet (12). Den rundformede bipolare FC-platen inkluderer også en perifer tetningskant (4), som har hull ved hjelp av hvilke det ved montering av rundformede bipolare FC-plater til et FC-batteri dannes vertikale samlekanaler (24), hvorfra reagenser strømmer gjennom horisontale kanaler (19) inn i passende kanaler for sirkulasjon, for eksempel, som i dette tilfellet, drivstoff (11), dvs. til anoden (22) og inn i kanalene for sirkulasjon av oksidasjonsmidlet (12), dvs. til katoden (23), og kjølevæsken inn i kjølevæskesirkulasjonskanalen (10). Brenselcellen inkluderer også en elektrolyttmembran (25) med sin perifere tetningskant (26).

Driften av brenselceller med den foreslåtte bipolare platedesignen er vist ved å bruke eksemplet med brenselsirkulasjon (fig. 6) og skjer som følger. Drivstoff fra de vertikale samlekanalene (24) gjennom de horisontale kanalene (19) kommer inn i de flate kollektorene til den perifere ringformede sonen (2) og fordeles jevnt langs de evolvente kanalene for brenselsirkulasjon (11) i den midtre sonen til den evolvente kanalen (1), fra den midterste sonen av den evolvente kanalen ( 1) kommer drivstoffet deretter inn i kanalene i den sentrale sonen (3), hvor brenselet mottatt fra alle evolvente kanaler i den midtre sonen (1) blandes, mens konsentrasjonen av dets komponenter, spesielt urenheter, for eksempel karbondioksid, karbonmonoksid og andre, er garantert utlignet urenheter i tilfelle når hydrogen oppnådd ved omdannelse av hydrokarboner brukes som drivstoff. På lignende måte, men i motsatt rekkefølge, fjernes inerte komponenter fra hulrommet dannet av kanalene for brenselsirkulasjon, på motsatt side av brenselcellen med en strøm av sirkulerende drivstoff.

Oksydasjonsmidlet fra den tilsvarende vertikale samleren og horisontale kanaler går på samme måte inn i lignende soner i hulrommet dannet av kanalene for sirkulasjon av oksidasjonsmidlet, den bipolare platen til den rundformede brenselcellen. Inerte urenheter i oksidasjonsmidlet fjernes på samme måte fra motsatt side av brenselcellen.

En kjølevæske sirkulerer gjennom hulrommet til en rund bipolar FC-plate dannet av kjølevæskekanaler (10), og fjerner varme som frigjøres i den strømgenererende elektrokjemiske reaksjonen av drivstoffoksidasjon. Sammenkoblede, for eksempel, evolvente kanaler sveiset sammen langs hele lengden av ribbene i midtsonen (1), samt ved alle skjæringspunktene mellom ribbene i de perifere ringformede (2) og sentrale (3) sonene, gir den bipolare plate den nødvendige stivheten og styrken.

Den jevne fordelingen av reagens og kjølevæske strømmer over området til brenselcellen, sammen med jevn og garantert tilstrekkelig pressing av elektrodene til matrisen, sikret av stivheten og styrken til den bipolare platen, gjorde det mulig å oppnå høy elektrisk egenskaper til brenselcellen.

Nikkel bipolare plater av alkaliske brenselceller av den påståtte designen ble produsert for elektroder med et areal på 700 cm 2 og en separatorplatetykkelse på 0,06 mm. Gjennomsnittsvekten på den bipolare platen var 150 g. Alle platene oppfylte designkravene. Tettheten til kjølevæskehulrommet i forhold til drivstoff- og oksidasjonshulrommene og alle tre hulrommene i forhold til det ytre miljøet, samt brenselcellebatterier produsert ved hjelp av de oppfinnsomme bipolare brenselcelleplatene, oppfylte de tekniske kravene. Tekniske krav Styrken og stivheten til alle bipolare plater samsvarte også, karakterisert ved fravær av deformasjon under en belastning på 3 kg/cm 2 . Den høye jevnheten av strømmen av reagenser og kjølevæske over brenselcellens område ble manifestert i den høye effektiviteten til brenselceller: som en del av brenselcellebatterier ved en temperatur på 99 °C, konsentrasjonen av kaustisk kalium i elektrolytten var 8,3 g-eq/l og trykket av oksygen og hydrogen var 4,2 kg/cm 2, spenningen til den gjennomsnittlige battericellen var 985 mV ved en belastningsstrømtetthet på 200 mA/cm 2, og den spesifikke effekten var 0,43 kg TE/kW og 805 mV (0,52 kg TE/kW) ved 1000 mA/cm 2. På FC-batterier med et mindre elektrodeareal (176 cm2) ved en temperatur på 121°C og samme elektrolyttkonsentrasjon, gasstrykk og belastningsstrømtetthet på 4200 mA/cm2, var gjennomsnittsspenningen 612 mV (0,18 kg FC/kW) .

Bruken av den påståtte designen gjør det mulig å produsere lette, kompakte, høyeffektive brenselcellebatterier med flere elementer som kan drives pålitelig i lang tid både ved atmosfærisk trykk av drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske, og ved trykk miljø, betydelig overstiger atmosfærisk, så vel som i vakuum. Alt dette gjør at de kan brukes ikke bare i tradisjonelle områder, men også der det kreves produkter med høy vekt og størrelsesegenskaper, først og fremst i verdensrommet og på undervannsfarkoster.

Informasjonskilder

1. US patent nr. 6261710 "Bipolar platedesign forceller", klasse. IPC H01M 2/00, prioritetsdato 17.07.2001.

2. RF-patent nr. 2355072 "Brennselcellebatteri", klasse. IPC H01M 8/10, H01M 8/02, prioritetsdato 10/03/2007.

KRAV

1. En bipolar plate av en brenselcelle av rund form, som inneholder sammenkoblede skilleplater med kanaler for sirkulasjon av drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølemiddel og et motsatt arrangement av innløp og utløp av oksidasjonsmiddel, drivstoff og kjølevæske, karakterisert ved at separeringen platene er laget på en slik måte at de danner en midtsone, der kanalene er plassert langs evolventene i sirkelen som avgrenser den sentrale sonen, og lengden på sirkelen langs hvilken evolventene er konstruert er lik produktet av antall kanaler per trinn, og stigningen til kanalene er jevn langs lengden av sirkelen, den sentrale sonen, som inkluderer de indre endene av de evolvente kanalene og ribbene til kanalene der platene er plassert på en slik måte at de under montering krysser hverandre og danner flate sentrale samlere, en perifer ringformet sone som består av kryssende kanaler og koniske fremspring, gjennom hvilke tilførsel og utslipp av reagenser og kjølemiddel til de ytre endene av de tilsvarende evolvente kanalene er organisert, og skilleplatene langs periferien og den perifere tetningskanten har hull som faller sammen langs periferien, som ved montering av brenselcellestabelen danner samlekanaler for tilførsel av oksidasjonsmiddel, brensel og kjølemiddel gjennom horisontale kanaler til den perifere ringformede sonen til skilleplatene og videre inn i den tilsvarende hulrom og utslipp fra dem.

2. Rundformet bipolar brenselcelleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at skilleplatene ved alle kontaktpunkter og den perifere tetningskanten er loddet.

3. Rundformet bipolar brenselcelleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at samlehullene på den perifere tetningskanten og langs periferien av skilleplatene er trapesformede.

4. Rundformet bipolar brenselcelleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at hullene for feste og sentrering av batteriet under montering, plassert jevnt langs den perifere tetningskanten og langs periferien av skilleplatene, faller sammen.

Utvikling av brenselceller er kanskje den mest ettertraktede teknologien i transportindustrien i dag, med utviklere som bruker enorme mengder penger hvert år på jakt etter et levedyktig alternativ til (eller komplement til) forbrenningsmotoren. I løpet av noen få senere år Dana-ingeniører har dedikert sine produksjons- og tekniske evner til utfordringen med å redusere kjøretøyets avhengighet av tradisjonelle energikilder. Gjennom menneskets historie har de viktigste energikildene endret seg fra fast brensel (som tre og kull) til flytende (olje). I de kommende årene tror mange at gassformige produkter gradvis vil bli den dominerende energikilden over hele verden.

Kort sagt er en brenselcelle en elektrokjemisk enhet som konverterer energien til en kjemisk reaksjon direkte til elektrisitet, varme og aske. Denne prosessen forbedrer den lave effektiviteten til tradisjonell termomekanisk konvertering av energibæreren.

Ris. Brenselcellebil

Hydrogen er det første eksemplet på et fornybart gassformig drivstoff som lar en slik reaksjon oppstå og til slutt produsere elektrisk energi. Og denne prosessen forurenser ikke miljøet.

En typisk hydrogenbrenselcellemodell involverer hydrogen som strømmer mot anoden til brenselcellen, hvor hydrogenmolekylene deles inn i elektroner og positivt ladede ioner gjennom en elektrokjemisk prosess i nærvær av en platinakatalysator. Elektroner går rundt protonutvekslingsmembranen (PEM), og genererer dermed en elektrisk strøm. Samtidig fortsetter positive hydrogenioner å diffundere gjennom brenselcellen gjennom PEM. Elektronene og positive hydrogenioner kombineres deretter med oksygen på katodesiden for å danne vann og frigjøre varme. I motsetning til en tradisjonell bil med forbrenningsmotor, lagres elektrisiteten i batterier eller går direkte til trekkmotorer, som igjen driver hjulene.

En hindring for brenselcellesystemer er den nåværende mangelen på infrastruktur for å produsere eller levere tilstrekkelige mengder hydrogen. Som et resultat er det største uløste problemet fortsatt tilgjengeligheten av en bestemt type drivstoff som brukes i brenselcellen. Bensin og metanol er de mest sannsynlige energibærerne for brenselceller. Hver drivstofftype står imidlertid fortsatt overfor sine egne utfordringer.

Teknologi utvikles for tiden for kompositt-bipolare plater loddet inn i netting, rør og integrerte isolatorer. Ingeniører utvikler bipolare metallplater med spesielle belegg, høytemperaturstrømkanaler, høytemperaturisolatorer og høytemperaturbeskyttelse. De utvikler også kontrollmetoder og design for drivstoffprosessorer, dampkondensatorer, forvarmere og kjølemoduler med integrerte vifter og motorer. Det utvikles fortsatt løsninger for å transportere hydrogen, karbonholdige væsker, avionisert vann og luft til ulike deler av systemet. Danas filtreringsgruppe utvikler filtre for luftinntaket til brenselcellesystemet.

Det er anerkjent at hydrogen er fremtidens drivstoff. Det er også en utbredt oppfatning at brenselceller etter hvert vil ha en betydelig innvirkning på bilindustrien.

Biler og lastebiler med hjelpebrenselceller for å drive klimaanlegg og annen elektronikk forventes å komme ut på veiene snart.

Ris. Drivstoffceller på en bil (

Oppfinnelsen angår området elektroteknikk og kan brukes i brenselceller. Den bipolare platen til en brenselcelle inkluderer en plate, et fluidstrømningsrom dannet på begge sider av platen, et fluidretningsgitter installert i fluidstrømningsrommet. En innløpskanal forbundet med fluidstrømningsrommet og en utløpskanal forbundet med fluidstrømningsrommet er utformet på platen. Den bipolare platen er produsert ved hjelp av en spesifikk form og prosessering. Resultatet er en jevnere strømningsfordeling og redusert motstand mot strømmen av drivstoff og luft som strømmer inn i henholdsvis brenselelektroden og luftelektroden til brenselcellen. I tillegg kan reaksjonsområdet med membran-elektrode-sammenstillingen og diffusjonssonen økes, og produksjonen kan forenkles og forenkles, 6 N. og 14 lønn fly, 16 syk.

Teknologifelt

Oppfinnelsen angår en brenselcelle og spesielt en bipolar plate av en brenselcelle og en fremgangsmåte for fremstilling av en slik plate som er i stand til å gi jevnhet til fordelingen av strømninger, redusere motstanden mot strømmen av henholdsvis drivstoff og luft som strømmer. , inn i brenselelektroden og luftelektroden til brenselcellen og forenkler produksjonen.

State of the art

Brenselcellen produserer generelt miljøvennlig energi og ble laget for å erstatte tradisjonell fossil energi. Som vist i fig. 1 inkluderer brenselcellen en stabel 100 som må kombineres med minst én enhetscelle 101 hvor en elektrokjemisk reaksjon oppstår. en drivstofftilførselsledning 200 koblet til stabelen 100 for å tilføre drivstoff; en tilførselsluftkanal 300 koblet til pakken 100 for å tilføre luft; og eksosledninger 400, 500 for å frigjøre biprodukter fra den pågående reaksjonen av henholdsvis drivstoff og luft. Enhetscellen 101 inkluderer en brenselelektrode (anode) (ikke vist) som drivstoff tilføres; og en luftelektrode (katode) (ikke vist) som luft tilføres til.

Først tilføres drivstoff og luft til drivstoffelektroden og luftelektroden til stabelen 100 gjennom drivstofftilførselsledningen 200 og lufttilførselsledningen 300, henholdsvis. Drivstoffet som tilføres brenselelektroden ioniseres til positive ioner og elektroner (e-) gjennom en elektrokjemisk oksidasjonsreaksjon ved brenselelektroden, de ioniserte positive ionene beveger seg gjennom elektrolytten til luftelektroden, og elektronene beveger seg til brenselelektroden. Positive ioner overført til luftelektroden går inn i en elektrokjemisk reduksjonsreaksjon med luften som tilføres luftelektroden og genererer biprodukter som reaksjonsvarme og vann, etc. I denne prosessen, når elektroner beveger seg, genereres elektrisitet. Drivstoffet etter å ha reagert ved brenselelektroden, samt vann og ytterligere biprodukter generert ved luftelektroden, slippes ut gjennom utløpsledningene 400, 500, henholdsvis.

Brenselceller kan klassifiseres i forskjellige typer i henhold til elektrolytten og drivstoffet som brukes i dem, etc.

I mellomtiden, som vist i fig. 2, inkluderer enheten 101 som utgjør stabelen 100 to bipolare plater 10 med en åpen kanal 11 gjennom hvilken luft eller brensel strømmer. og en membran-elektrode-enhet (MEA, fra engelsk "membrane electrode assembly" eller MEA) 20, plassert mellom disse to bipolare platene 10 for å ha en viss tykkelse og areal. To bipolare plater 10 og MEA 20 plassert mellom dem er kombinert med hverandre ved hjelp av ytterligere assosiasjonsmidler 30, 31. Kanalen dannet av kanalen 11 til den bipolare platen 10 og siden av MEA 20 utgjør brenselelektroden, og når brensel strømmer gjennom denne kanalen til brenselelektroden, oppstår en oksidasjonsreaksjon. I tillegg utgjør kanalen som dannes av kanalen 11 til den andre bipolare platen 10 og den andre siden av MEA 20 luftelektroden, og når luft strømmer gjennom denne kanalen til luftelektroden, oppstår en reduksjonsreaksjon.

Formen på den bipolare platen 10, spesielt formen på kanalen 11, påvirker kontaktmotstanden som utøves av strømmen av drivstoff og luft og strømningsfordelingen osv., og kontaktmotstanden og strømningsfordelingen påvirker kraftuttaket (energi). produksjon). I tillegg har de bipolare platene 10 en spesifikk form som er egnet for enkel prosessering og masseproduksjon.

Som vist i fig. 3, i den konvensjonelle bipolare platen, er gjennomgående hull henholdsvis 13, 14, 15, 16 dannet ved hver kant av platen 12 med en viss tykkelse og en rektangulær form.

I tillegg er flere kanaler 11 dannet på siden av platen 12 for å forbinde det gjennomgående hullet 13 med det diagonalt plasserte gjennomgående hullet 16. Disse kanalene 11 har en sikksakkform. Som vist på fig. 4, i tverrsnittet av kanalen 11, har kanalen 11 en viss bredde og tykkelse og en åpen side. På den andre siden av platen 12 er det utformet flere kanaler 11 for å forbinde to diagonalt plasserte gjennomgående hull 14, 16, disse kanalene 11 har samme form som kanalene dannet på motsatt side.

Følgende beskriver operasjonen til en tradisjonell bipolar plate. Først strømmer drivstoff og luft henholdsvis inn i de gjennomgående hullene 13, 14, og drivstoffet og luften som passerer gjennom de gjennomgående hullene 13, 14 strømmer inn i kanalene 11. Brennstoffet eller luften i kanalene 11 strømmer i sikksakk-måte langs kanalene 11 og slippes ut gjennom de gjennomgående hullene 15, 16. I denne prosessen skjer det en oksidasjonsreaksjon i MEU 20 (vist i fig. 2), hvor brensel strømmer, og samtidig oppstår en reduksjonsreaksjon i MEU som luften strømmer i.

Men i tilfellet med en konvensjonell bipolar plate, siden kanalene 11 er utformet i et sikksakkmønster, kan strømmen bare til en viss grad fordeles jevnt. Siden kanalene som drivstoff og luftstrøm er komplekse og lange gjennom, øker motstanden mot strømning, og derfor øker trykktapet for å skape strømmen av drivstoff og luft. Utenom dette, fordi teknologisk prosess produksjonen er kompleks og vanskelig, produksjonskostnadene er høye.

Teknisk sammendrag av foreliggende oppfinnelse

For å løse de ovenfor beskrevne problemene, er formålet med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en bipolar brenselcelleplate og en fremgangsmåte for fremstilling av en slik plate som er i stand til å gi jevnhet til strømningsfordelingen, redusere motstanden mot strømmen av brensel og luft som strømmer inn i henholdsvis brenselelektroden og luftelektroden til brenselcellen, og forenkler produksjonen.

For å oppnå de ovenfor nevnte formål inkluderer den bipolare platen til brenselcellen en plate med en viss tykkelse og areal; et fluidstrømningsrom dannet på begge sider av platen for å ha en viss bredde, lengde og dybde; et fluidretningsgitter installert i fluidstrømningsrommet for å ha en viss form; en innløpskanal dannet på platen for å være forbundet med fluidstrømningsrommet og motta fluid; og en utløpskanal dannet på platen for å være forbundet med fluidstrømningsrommet og tømme fluidet.

I tillegg inkluderer en fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar brenselcelleplate å lage en form for prosessering av platen, på hvilken det dannes et fluidstrømningsrom med et visst areal og dybde på begge sider, og en indre kanal dannes ved hjelp av en støtte nett som stikker ut i form av et nett fra væskestrømningsrommet; forming av platen ved hjelp av denne formen; behandle platen for å tilveiebringe en innløpskanal for å tillate en fluidstrøm å strømme inn i et fluidstrømningsrom som har et støttenett; og behandling av platen for å tilveiebringe en utløpskanal for å tillate strømning å strømme ut av fluidstrømningsrommet.

I tillegg inkluderer den bipolare platen til brenselcellen en plate med en viss tykkelse og areal; et kanalområde med gitterfremspring ved siden av flere gitterspor dannet langs et visst område på begge sider av platen; en innløpskanal dannet på siden av platen for å være forbundet med gittersporene i kanalområdet og motta fluid; og en utløpskanal dannet på siden av platen for å slippe ut fluid som passerer gjennom gittersporene i kanalområdet.

I tillegg inkluderer en fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar brenselcelleplate å fremstille en plate som har en viss tykkelse og areal; å utføre maskinering for å danne gitterspor ved siden av gitterfremspring dannet på begge sider av platen; og behandling av platen for å tilveiebringe en innløpsport og en utløpsport slik at de er forbundet med gittersporene.

I tillegg inkluderer den bipolare platen til brenselcellen en plate med en viss tykkelse og areal, der flere kanaler som består av flere opp- og nedturer dannes ved å trykke på begge sider i midten slik at de har en viss bredde og lengde ; og et tetningselement hensiktsmessig festet til konturen av begge sider av platen for å danne indre kanaler sammen med platekanalene, en innløpskanal og en utløpskanal gjennom hvilke fluid strømmer inn og ut av disse kanalene.

I tillegg inkluderer en fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar brenselcelleplate å kutte platen til en viss størrelse; å presse begge sider av den kuttede platen for å danne flere kanaler gjennom hvilke fluid strømmer; og å kombinere tetningselementet med konturen til den pressebehandlede platen.

Kort beskrivelse av tegninger

De medfølgende tegningene, som er inkludert for å gi en bedre forståelse av oppfinnelsen, er inkorporert i og utgjør en del av denne spesifikasjonen, illustrerer utførelsesformer av oppfinnelsen og tjener sammen med beskrivelsen til å forklare prinsippene for oppfinnelsen.

I disse tegningene:

Fig. 1 viser et konvensjonelt brenselcellesystem.

Fig. 2 er et eksplodert perspektivriss som illustrerer en del av en konvensjonell brenselcelle.

Fig. 3 er et planriss som illustrerer en bipolar plate av en konvensjonell brenselcelle.

Fig. 4 er et snitt langs linjen AB i fig.

Fig. 5 er et planriss som illustrerer en første utførelsesform av en bipolar plate av en brenselcelle ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 6 er et eksplodert perspektivriss som illustrerer en del av en bipolar plate av en brenselcelle i henhold til en første utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 7 er et flytskjema som illustrerer en første utførelsesform av en fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar plate av en brenselcelle i samsvar med den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 8 er et eksplodert perspektivriss som illustrerer en bipolar platestabel av en brenselcelle i henhold til en første utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 9 er et planriss som illustrerer driftstilstanden til en bipolar plate i en brenselcelle i henhold til den første utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelse.

10 og 11 er et toppriss og et frontsnittriss som illustrerer en andre utførelsesform av en bipolar plate av en brenselcelle ifølge den foreliggende oppfinnelse;

Fig. 12 er et flytskjema som illustrerer en andre utførelsesform av en fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar plate av en brenselcelle i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 13 er et planriss som illustrerer driftstilstanden til en bipolar plate i en brenselcelle i henhold til en andre utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 14 og 15 er et toppriss og et frontsnitt som illustrerer en tredje utførelsesform av en bipolar plate i en brenselcelle ifølge den foreliggende oppfinnelse. Og

Fig. 16 er et flytskjema som illustrerer en tredje utførelsesform av en fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar plate av en brenselcelle i samsvar med den foreliggende oppfinnelse.

Først vil en første utførelsesform av en bipolar plate av en brenselcelle ifølge den foreliggende oppfinnelse bli beskrevet.

Fig. 5 er et planriss som illustrerer en første utførelsesform av en bipolar plate av en brenselcelle i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og fig. 6 er et eksplodert perspektivriss som viser en del av en bipolar plate av en brenselcelle i henhold til en første utførelse. av den foreliggende oppfinnelsen.

Som vist i fig. 5 og 6 inkluderer en første utførelse av den bipolare platen til en brenselcelle ifølge den foreliggende oppfinnelse en plate 40 med en viss tykkelse og areal; et fluidstrømningsrom 41 dannet på begge sider av platen 40 for å ha en viss bredde, lengde og dybde; et fluidretningsgitter 42 installert i fluidstrømningsrommet 41 for å ha en viss form; en innløpspassasje 43 dannet på platen 40 forbundet med fluidstrømningsrommet 41 for innføring av fluid; og en utløpskanal 44 dannet på platen 40 forbundet med fluidstrømningsrommet 41 for å frigjøre fluidet.

Platen 40 har en rektangulær form og en viss tykkelse, fluidstrømningsrommet 41 er utformet henholdsvis på begge sider av den rektangulære platen 40, og den har en rektangulær form og en viss dybde. Platen 40 er laget av rustfritt stålmateriale. Platen 40 og fluidstrømningsrommet 41 kan ha andre former enn en rektangulær form.

Fluidretningsgitteret 42 har en rektangulær form som er mindre enn fluidstrømningsrommet 41 slik at det kan settes inn i fluidstrømningsrommet 41 på platen 40, og det har en tykkelse som ikke er større enn dybden av fluidstrømningsrommet 41.

Innløpspassasjen 43 er utformet som minst ett gjennomgående hull og er utformet på en side av platen 40. Utløpspassasjen 43 er utformet som minst ett gjennomgående hull og er utformet på motsatt side av innløpspassasjen 43 slik at å være diagonal i forhold til denne innløpskanalen 43.

Fig. 7 er et flytskjema som illustrerer en første utførelsesform av en fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar plate av en brenselcelle i samsvar med den foreliggende oppfinnelse.

Som vist i fig. 7, i den første utførelsesformen av fremgangsmåten for fremstilling av en bipolar brenselcelleplate i henhold til den foreliggende oppfinnelse, er det laget en form for å behandle platen på hvilken et fluidstrømningsrom med et visst areal og dybde er dannet på. begge sider, og en maske som stikker ut i fluidstrømningsrommet. Platen behandles deretter ved hjelp av denne formen. Samtidig dannes et rektangulært fluidstrømningsrom med en viss dybde i platen, på begge sider av den rektangulære platen med en viss dybde, og et nett dannes i fluidstrømningsrommet for å danne en kanal. Dette nettet kan formes i forskjellige former.

Deretter behandles platen for å danne en innløpskanal for å tillate fluidstrøm å strømme inn i nettfluidstrømningsrommet, og behandles for å danne en utløpskanal for å tillate strømning ut av fluidstrømningsrommet. Henholdsvis innløpskanalen og utløpskanalen er laget i form av minst ett gjennomgående hull eller åpent spor.

Først blir de bipolare platene til brenselcellen kombinert til en stabel. Mer detaljert, som vist i fig. 8, plasseres MEAs (M) mellom de bipolare platene (BPs) og kombineres med hverandre ved hjelp av en kombinasjonsanordning (ikke vist). I dette tilfellet danner fluidstrømningsrommet 41 dannet på siden av den bipolare platen (BP), fluidretningsgitteret 42 dannet i fluidstrømningsrommet 41, og siden av MEU (M) danner en bane (kanal) gjennom som drivstoffet flyter. Den andre siden av MEA (M), fluidstrømningsrommet 41 dannet på siden av den andre bipolare platen (BP) som vender mot den første bipolare platen (BP), og fluidretningsgitteret 42 dannet i fluidstrømningsrommet 41 er dannet banen (kanalen) gjennom hvilken luft strømmer.

Med denne strukturen, når drivstoff tilføres til den bipolare plate (BP) innløpspassasjen 43 som vist i fig. 9, strømmer drivstoffet i innløpspassasjen 43 inn i fluidstrømningsrommet 41. Deretter blir drivstoffet i fluidstrømningsrommet 41 fordelt (fordelt) gjennom fluidstrømningsrommet 41 av fluidretningsgitteret 42 plassert i fluidstrømningsrommet 41, og deretter slippes dette brenselet ut til utsiden gjennom utløpspassasjen 44.

I denne prosessen utfører fluidretningsgitteret 42 i fluidstrømningsrommet 41 ikke bare en styringsfunksjon ved jevnt å spre drivstoffet i fluidstrømningsrommet 41, men også en "diffusjons"funksjon (spredningsfunksjon) mens den kontrollerer strømningstettheten riktig. . I dette tilfellet kan fordelingen og trykket justeres etter størrelsen på "cellene" til væskeretningsgitteret 42. I mellomtiden, på grunn av dannelsen av fluidretningsgitteret 42 i form av et gitter, er kontaktområdet med MEU (M) i kontakt med den bipolare platen (BP) relativt redusert, og følgelig det effektive kontaktarealet av drivstoffet og MEU (M) øker.

I tillegg til dette strømmer luften gjennom samme prosess som beskrevet ovenfor.

I tilfellet med fremgangsmåten for fremstilling av en bipolar brenselcelleplate i henhold til den første utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelse, ved å fremstille platen ved bruk av en form, kan den lett masseproduseres. Mer detaljert, ved å produsere en plate med et støttegitter og tilveiebringe en innløpsport og en utløpsport, kan den bipolare platen fremstilles enkelt og enkelt.

10 og 11 er et toppriss og et frontsnittriss som illustrerer en andre utførelsesform av en bipolar plate av en brenselcelle ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Som vist i fig. 10 og 11 inkluderer den bipolare platen til brenselcellen i henhold til den andre utførelsesformen av oppfinnelsen en plate 50 med en viss tykkelse og areal. et kanalområde 53 som har gitterfremspring 52 ved siden av flere gitterspor 51 dannet over et visst område på begge sider av platen 50; en innløpskanal 54 dannet på den ene siden av platen 50 for å være forbundet med gittersporene 51 i fluidinnføringskanalområdet 53; og en utløpskanal 55 dannet på denne siden av platen 50 for å slippe ut fluid som passerer gjennom gittersporene 51 i kanalområdet 53.

Platen 50 har en rektangulær form og en viss tykkelse. Kanalområdet 53 er følgelig utformet på begge sider av platen 50 for å ha en rektangulær form. Platen 50 og kanalområdet 53 kan formes til forskjellige former enn en rektangulær form.

Gitterfremspringene 52 er utformet for å ha en rektangulær kjegleform, og hvert gitterspor 51 er dannet mellom disse gitterfremspringene 52 for å ha en rektangulær kjegleform. Gitterfremspringet 52 kan være utformet til å ha formen av en trekantet kjegle.

Gitterfremspringene 52 er anordnet i et regelmessig mønster (med jevne mellomrom). I en modifikasjon kan gitterfremspringene 52 være anordnet på en uregelmessig måte.

Innløpsporten 54 og utløpsporten 55 er henholdsvis utformet på den ene siden av platen 50 som har en åpen form, med en viss bredde og dybde. I tillegg kan innløpsporten 54 og utløpsporten 55 være henholdsvis utformet som minst ett gjennomgående hull.

Den bipolare platen til brenselcellen ifølge den andre utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse er laget av rustfritt stål.

Fig. 12 er et flytskjema som illustrerer en andre utførelsesform av en fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar plate av en brenselcelle i samsvar med den foreliggende oppfinnelse.

Som vist i fig. 12, i fremgangsmåten for fremstilling av en bipolar brenselcelleplate i henhold til den andre utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse, er det første trinnet å fremstille platen med en viss tykkelse og areal. Et andre trinn utføres deretter i form av maskinering for å danne gitterspor ved siden av gitterfremspringene på begge sider av platen. Dette andre trinnet inkluderer deltrinnene med hakk på begge sider av platen for å danne gitterfremspring; og sliping av begge de hakkede sidene av platen. Gitterfremspringene dannet av hakket er i form av en rektangulær kjegle, men de kan formes til andre former enn den rektangulære kjegleformen. Ved skåring dannes gitterspor blant gitterfremspringene, og gittersporene danner kanaler som væske strømmer gjennom. Ved å slipe kan du fjerne grader forårsaket av hakket og bearbeide de skarpe endene (toppene) av gitterfremspringene slik at de blir stumpe.

Til slutt er det tredje trinnet å behandle platen ved å lage en innløpskanal og en utløpskanal slik at de kobles til gittersporene.

De bipolare platene til brenselcellen er satt sammen til en pakke. I dette tilfellet danner kanalområdet 53 dannet på den ene siden av den bipolare platen (BP) og sidesiden av MEU (M) en bane (kanal) som drivstoffet strømmer gjennom. Den andre siden av MEA (M) og siden av den andre bipolare platen (BP), som vender mot den første bipolare platen (BP), danner en bane (kanal) som luft strømmer gjennom.

Med denne utformingen, når drivstoff tilføres til innløpskanalen 54 til den bipolare platen (BP), som vist i kanaler på fig.

I denne prosessen, på grunn av den lille og jevne formen til et slikt gitter dannet av gittersporene 51 dannet av gitterfremspringene 52 i kanalområdet 53, kan fluidet ikke bare fordeles jevnt, men også spres. I dette tilfellet, på grunn av gitterfremspringene 52 dannet i kanalområdet 53, er kontaktområdet til den bipolare platen (BP) og MEU (M) relativt redusert, og det effektive kontaktområdet til drivstoffet og MEU (M) øker.

I tillegg til dette strømmer luft gjennom samme prosess som beskrevet ovenfor.

I tilfellet med fremgangsmåten for fremstilling av en bipolar brenselcelleplate i henhold til den andre utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse, ved å bearbeide en rektangulær plate med en viss tykkelse på begge sider for å danne en innløpsport og en utløpsport med en valse, etc. , er produksjonen enkel og rask.

Fig. 14 og 15 er et toppriss og et frontsnittriss som illustrerer en tredje utførelsesform av en bipolar plate av en brenselcelle i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Som vist i fig. 14 og 15, inkluderer den bipolare brenselcelleplaten i henhold til den tredje utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelse en plate 60 med en viss tykkelse og areal, hvor flere kanaler 61 består av tallrike opp- og nedstigninger, slik at de har en viss tykkelse og et visst areal. en viss bredde og lengde; og et tetningselement 65 hensiktsmessig festet til konturen av begge sider av platen 60 for å danne kanaler 62a, 62b, 62c sammen med kanalene 61 på platen 60, innløpskanalen 63 og utløpskanalen 64 gjennom hvilke fluid strømmer inn og ut.

Platen 60 er utformet som en rektangulær metallplate, og kanaler 61 er dannet i et visst indre område av den rektangulære metallplaten. Kanaler 61 som består av flere stigninger og fall dannes på begge sider av platen 60 med jevne mellomrom. Ved pressing av platen 60 dannes det henholdsvis kanaler 61 på begge sider av platen 60, og kanalene 61 har samme dybde.

Tetningselementet 65 har en rektangulær form og en viss bredde, og det har samme tykkelse som høyden på kanalens 61 stigninger, og har samme størrelse som platen 60. Høyden på kanalens 61 stigninger er ca 2,5 mm.

En innløpspassasje 63 gjennom hvilken fluid strømmer er utformet på den ene siden av tetningselementet 65, og en utløpspassasje 64 er utformet for å være motsatt innløpspassasjen 63.

Den indre kanalen dannet av tetningselementet 65 inkluderer en innløpsbufferkanal 62a for fordeling av fluid til kanalene 61 på platen 60; en utløpsbufferkanal 62b for å la fluid passere gjennom kanalene 61 på platen 60 strømme inn i utløpskanalen 64; og en koblingskanal 62c for tilkobling av innløpsbufferkanalen 62a og utløpsbufferkanalen 62b.

Fig. 16 er et flytskjema som illustrerer en tredje utførelsesform av en fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar plate av en brenselcelle i samsvar med den foreliggende oppfinnelse.

Som vist i fig. 16, i fremgangsmåten for fremstilling av en bipolar brenselcelleplate i henhold til den tredje utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse, er det første trinnet å produsere platen 60 ved å kutte en metallplate med en viss tykkelse og areal i henhold til en en viss størrelse, og det andre trinnet er å presse platen 60 for å danne flere kanaler 61 på begge sider av platen 60. Metallplaten 60 har en rektangulær form.

Kanalene 61 til platen 60 er laget rette, og de har en viss lengde, og høyden på kanalenes 61 stigninger er den samme. Kanalen 61 til platen 60 kan ha forskjellige tverrsnittsformer, slik som en bølgeform eller en rektangulær form.

Det tredje trinnet er å kombinere tetningselementet 65 med konturen av den pressebehandlede platen 60. Tetningselementet 65 er utformet i form av et rektangulært avstandsstykke med en viss bredde og tykkelse, og dette tetningselementet 65 er kombinert med kontur av platen 60 slik at den omgir det indre området av platen 60, og danner derfor kanaler 62a, 62b, 62c. En innløpspassasje 63 og en utløpspassasje 64 er utformet på tetningselementet 65. Innløpspassasjen 63 og en utløpspassasje 64 kan dannes ved å kutte ut en del av tetningselementet 65.

Som beskrevet ovenfor i den første utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelse, er en brenselcelle-stabel satt sammen. I dette tilfellet danner stigningene til den rette kanalen 61 dannet på siden av den bipolare platen (BP) og siden av MEU (M) en bane (kanal) som drivstoffet strømmer gjennom. Den andre siden av MEA (M) og nedstigningene til rette kanaler 61 dannet på siden av den andre bipolare platen (BP) som vender mot den første bipolare platen (BP) danner en bane (kanal) gjennom hvilken luft strømmer.

Med denne strukturen, når drivstoff tilføres til den bipolare plate (BP) innløpspassasjen 63, strømmer drivstoffet i innløpspassasjen 63 langs denne banen, nemlig gjennom innløpsbufferpassasjen 62a, forbindelsespassasjen 62c, passasjen 61, og utløpsbufferpassasjen 62b. Deretter slippes drivstoffet ut til utsiden gjennom utløpspassasjen 64. I tillegg strømmer luft gjennom samme prosess som beskrevet ovenfor.

Videre, i den foreliggende oppfinnelsen, ved å fremstille metallplaten gjennom pressebehandling, er fremstillingen enkel og rask. I tillegg, ved å redusere tykkelsen på den bipolare platen, kan størrelsen og vekten på pakken reduseres.

Industriell anvendelighet

Som beskrevet ovenfor, i tilfellet med en bipolar brenselcelleplate og fremstillingsmetoden derav i henhold til den foreliggende oppfinnelse, ved å gi jevnhet til strømmen av drivstoff og luft som strømmer inn i brenselelektroden og luftelektroden til brenselcellen, økende det effektive reaksjonsområdet med MEA og øke diffusjonsområdets effekt (energieffektivitet) kan økes. Ved å redusere motstanden mot strømmen av drivstoff og luft, kan trykktapene som genererer strømmen av drivstoff og luft reduseres, dvs. pumpekrefter. I tillegg, ved å forenkle og lette produksjonen, kan produksjonskostnadene reduseres betydelig og derfor er masseproduksjon mulig.

1. Bipolar brenselcelleplate, omfattende en plate med en viss tykkelse og areal; et fluidstrømningsrom dannet på begge sider av platen, hvor fluidstrømningsrommet er konfigurert til å ha en viss bredde, lengde og dybde; et fluidretningsgitter installert i fluidstrømningsrommet, hvor fluidretningsgitteret har en viss form; en innløpskanal dannet på platen forbundet med et fluidstrømningsrom for innføring av fluid; og en utløpskanal dannet på platen forbundet med fluidstrømningsrommet for å frigjøre fluidet.

2. Bipolar plate ifølge krav 1, hvori fluidstrømningsrommet er utformet for å ha en rektangulær form, og fluidretningsgitteret har en rektangulær form som ikke er større enn størrelsen på fluidstrømningsrommet.

3. Bipolar plate ifølge krav 1, hvori fluidretningsgitteret har en tykkelse som ikke er større enn dybden av fluidstrømningsrommet.

4. Bipolar plate ifølge krav 1, karakterisert ved at innløpskanalen og utløpskanalen er utformet som minst ett gjennomgående hull og er utformet på siden av platen.

5. Bipolar plate ifølge krav 1, karakterisert ved at innløpskanalen og utløpskanalen er plassert diagonalt i forhold til hverandre.

6. Bipolar plate ifølge krav 1, hvori platen er laget av rustfritt stålmateriale.

7. Fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar plate av en brenselcelle, inkludert fremstilling av en form for prosessering av platen, på hvilken det dannes et fluidstrømningsrom med et visst areal og dybde på begge sider, og et gitter som stikker inn i fluidstrømningsrommet er formet; lage platen ved hjelp av denne formen; behandle platen for å tilveiebringe en innløpspassasje for fluid å strømme inn i nettfluidstrømningsrommet; og behandling av platen for å tilveiebringe en utløpspassasje for fluid å strømme ut fra fluidstrømningsrommet.

8. Bipolar brenselcelleplate, omfattende en plate med en viss tykkelse og areal; et kanalområde med gitterfremspring ved siden av flere gitterspor dannet langs et visst område på begge sider av platen; en innløpskanal dannet på siden av platen forbundet med gitterspor for innføring av fluid; og en utløpskanal dannet på siden av platen forbundet med gittersporene for å frigjøre fluid i gittersporene.

9. Bipolar plate ifølge krav 8, hvori gitterfremspringet er utformet i form av en rektangulær kjegle.

10. Bipolar plate ifølge krav 8, hvor gitterfremspring er dannet med jevne mellomrom.

11. Bipolar plate ifølge krav 8, hvori innløpskanalen og utløpskanalen er utformet på siden av platen som har en åpen form med en viss bredde og dybde.

12. Bipolar plate ifølge krav 8, hvori platen er laget av rustfritt stålmateriale.

13. Fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar plate av en brenselcelle, omfattende: fremstilling av en plate med en viss tykkelse og areal; å utføre maskinering for å danne gitterspor ved siden av gitterfremspring dannet på begge sider av platen; og behandling av platen for å lage innløpskanalen og utløpskanalen koblet til gittersporene.

14. Fremgangsmåten ifølge krav 13, hvori maskineringstrinnet inkluderer deltrinnene: å hakke begge sider av platen for å danne gitterfremspring; og sliping av begge de hakkede sidene av platen.

15. Bipolar brenselcelleplate, omfattende: en plate med en viss tykkelse og areal, hvor det på begge sider i midten dannes flere kanaler ved pressing, bestående av flere stigninger og fall slik at de har en viss bredde og lengde; og et tetningselement festet til konturen av begge sider av platen for å danne indre kanaler sammen med platekanalene, en innløpskanal og en utløpskanal gjennom hvilke fluid strømmer inn og ut av kanalene.

16. Bipolar plate ifølge krav 15, hvori de indre kanalene inkluderer en innløpsbufferkanal for å fordele fluid mellom kanalene til platen; en utløpsbufferkanal for å tillate fluid som passerer gjennom kanalene til platen å strømme inn i utløpskanalen; og en koblingskanal for tilkobling av innløpsbufferkanalen og utløpsbufferkanalen.

17. Fremgangsmåte for fremstilling av en bipolar brenselcelleplate, omfattende: kutting av platen til en spesifikk størrelse; å presse begge sider av den kuttede platen for å danne flere kanaler gjennom hvilke fluid strømmer; og å kombinere tetningselementet med konturen til den pressebehandlede platen.

18. Fremgangsmåten ifølge krav 17, hvori under pressebehandlingstrinnet, stigningene dannet av kanalene behandles slik at de har samme høyde.

Oppfinnelsen angår området elektroteknikk og kan brukes i brenselceller

Eiere av patent RU 2267833:

Oppfinnelsen angår bilindustrien, skipsbygging, energi, kjemisk og elektrokjemisk industri, spesielt i elektrolyse for å produsere klor, og kan brukes i produksjon av brenselceller med en membran-elektrode-enhet. Det tekniske resultatet av oppfinnelsen er å utvide funksjonaliteten, forbedre ytelsesegenskapene og egenskapene til bipolare plater og brenselcellen som helhet, oppnå bipolare plater med strømførende fremspring av vilkårlig form og plassering med en fremspringshøyde fra 0,3 til 2,0 mm, samt øke effektiviteten av reagenstransport og fjerning av reaksjonsprodukter, øke korrosjonsmotstanden langs periferien med den teknologiske belastningen, som danner en enkelt helhet med den sentrale elektrisk ledende delen som har en funksjonell belastning. En bipolar plate som består av perifere deler med hull og en sentral del med strømførende fremspring av vilkårlig form, hvis topper er plassert i samme plan med de perifere delene, mens de strømførende fremspringene er laget med et gitt basisareal. , med redusert diameter ved bunnen på 0,5-3,0 mm, høyde fra 0,3 til 2,0 mm og med en stigning mellom sentrene til strømførende fremspring 1,0-4,0 mm. Fremgangsmåten for å produsere en bipolar plate involverer fremstilling av en termoherdende harpiks av en gitt sammensetning i et flyktig løsningsmiddel med et karbonfyllstoff, blanding, tørking, gløding og pressing ved gjentatt belastning til et trykk på 15-20 MPa ved herdetemperaturen til harpiksen . I dette tilfellet glødes blandingen ved en temperatur som er 50-60°C lavere enn blandingens herdetemperatur. Ved fremstilling av en blanding av karbonpulver med et løsningsmiddel er forholdet mellom faste og flytende faser i området fra 1:3 til 1:5. 0,1-3% av et esemiddel tilsettes til sammensetningen av den opprinnelige blandingen for pressing. 2 n. og 6 lønn fly, 3 ill.

Oppfinnelsen angår bilindustrien, skipsbygging, energi, kjemisk og elektrokjemisk industri, spesielt i elektrolyse for å produsere klor, og kan brukes i produksjon av brenselceller med en membran-elektrode-enhet.

Det er kjent bipolare plater som består av sentrale og perifere deler plassert rundt den sentrale delen. På den sentrale delen, på en eller begge sider, er langsgående parallelle labyrintiske riller plassert for å fordele strømmene av gassformige reagenser, og danner seg imellom funksjonelle strømførende fremspring med apexer plassert i samme plan, med ett sentralt og to diagonale hull for sirkulasjon og distribusjon av elektrolyttstrømmer. På de perifere delene av platene er det gjennomgående hull for å sette dem sammen til en pakke. De perifere og sentrale delene er atskilt med et tetningselement langs omkretsen av den sentrale delen. Dessuten, for organisert fordeling av gassformige reagensstrømmer, har de langsgående parallelle sporene, så vel som de funksjonelle strømførende fremspringene, en labyrintisk retning fra det sentrale hullet til de perifere hullene eller omvendt, se reklamekatalogen til Schunk KOHLNSTOFF GmbH .

Ulempene med de kjente bipolare brenselcelleplatene er en reduksjon i effektiviteten av transport av reagenser og fjerning av reaksjonsprodukter i de skjermede områdene av den porøse strømkollektoren og, som en konsekvens, en reduksjon i strømtettheten til brenselcellecellen ved en gitt spenning, muligheten for å blokkere kanalene med dråper kondenserende vann under fluktuasjoner i temperaturregimet til brenselcellen og/eller vannbalansen til systemet, noe som også fører til en reduksjon i effektiviteten av transport av reagenser og fjerning av reaksjonsprodukter gjennom disse kanalene og, som en konsekvens, en reduksjon i strømtettheten til brenselcellecellen ved en gitt spenning.

Det er en kjent fremgangsmåte for fremstilling av bipolare plater, som inkluderer fremstilling av en blanding av en termoherdende harpiks av en viss sammensetning i et flyktig løsningsmiddel, blanding av karbonfyllstoffet med den tilberedte løsningen til den er homogen, tørking, pressing og termoherdende (US patentsøknad nr. US 2002/0037448 A1 datert 28/03/2002, MKI N 01 M 8/02;

Ulempen med denne kjente metoden er at termoherdning ikke utføres samtidig, men etter pressing av produktet. I tillegg sikrer lavtemperaturtørking av blandingen ikke fjerning av en stor mengde flyktige komponenter fra bindemidlet, noe som fører til ikke-pressing av mikrovolum i materialet til de bipolare platene, spesielt på steder med strømførende fremspring. som tjener til å sikre elektrisk kontakt og mekanisk trykk av strømkollektoren til det katalytiske laget, noe som fører til dannelsesdefekte steder ved bunnen av fremspringene og ødeleggelse av sistnevnte under påvirkning av arbeidsbelastningen under montering og drift av brenselcellen batteri.

Den nærmeste tekniske løsningen er bipolare plater og en metode for deres fremstilling, bestående av sentrale og perifere deler plassert motsatt i forhold til den sentrale delen. På den sentrale delen, på den ene eller begge sider, for å fordele strømmene av gassformige reagenser, er det langsgående parallelle spor, som danner strømførende fremspring med hverandre med topper plassert i planet til de perifere delene av platene, og forbinder dem . På de perifere delene av platene er det gjennomgående hull, som, etter å ha blitt satt sammen til en pakke med tilstøtende plater, danner langsgående kanaler for å forbedre sirkulasjonen og distribusjonen av elektrolyttstrømmer. Metoden for å produsere bipolare plater inkluderer blanding av pulveriserte karbon-grafittkomponenter og et korrosjonsbestandig termoplastisk bindemiddel, kaldpressing av pulverblandingen i en form ved 14500 kPa, oppvarming til 150°C, redusering av trykket ved 2000 kPa, heving av temperaturen til 205°C, noe som bringer trykket tilbake til 14500 kPa, med en siste fase med gradvis reduksjon i trykk og temperatur. Se beskrivelse av patent RU nr. 2187578 C2, MPK 7 C 25 V 9/04, 9/00.

Ulempene med de kjente bipolare plater er den jevne strømningsfordeling kun over et kort snitt, bestemt av lengden på midtdelen, og den begrensede plass for fordeling av gassformige reagensstrømmer, bestemt av antall langsgående parallelle spor. Ulempen med den kjente fremgangsmåten for å produsere bipolare plater er den komplekse produksjonsteknologien, som fører til en reduksjon i effektiviteten av å danne strømførende fremspring og ekstra kostnader.

Det tekniske resultatet av oppfinnelsen er å utvide funksjonaliteten, forbedre ytelsesegenskapene og egenskapene til bipolare plater og brenselcellen som helhet, oppnå bipolare plater med strømførende fremspring av vilkårlig form og plassering med en fremspringshøyde fra 0,3 til 2,0 mm, samt øke effektiviteten av reagenstransport og fjerning av reaksjonsprodukter, øke korrosjonsmotstanden langs periferien med den teknologiske belastningen, som danner en enkelt helhet med den sentrale elektrisk ledende delen som har en funksjonell belastning. Det tekniske resultatet oppnås ved at i en bipolar plate bestående av perifere deler med hull og en sentral del med strømførende fremspring, hvis topper er plassert i samme plan som de perifere delene, er de strømførende fremspringene. laget med et gitt geometrisk basisareal, med en redusert diameter ved bunnen på 0,5 -3,0 mm, høyde fra 0,3 til 2,0 mm og med en stigning mellom sentrene til strømførende fremspring 1,0-4,0 mm, laget med en base i form av en sirkel eller firkant, eller rektangel, eller ellipse, eller rombe, eller trapes, eller kombinasjoner av disse, er strømførende fremspring laget i form av en avkortet pyramide, eller sylinder, eller kjegle, eller pyramide; de strømførende fremspringene er laget i form av et prisme med en redusert diameter i bunnen på 0,5-3,0 mm, en høyde fra 0,3 til 2,0 mm og med en stigning mellom sentrene til de strømførende fremspringene på 1,0-4,0 mm, hvor de strømførende fremspringene er plassert tilfeldig eller ordnet, eller i et sjakkbrett, eller rombisk, eller sirkulært, eller spiral eller labyrintisk rekkefølge av deres arrangement, og i en metode for å produsere bipolare plater, inkludert fremstilling av en blanding av en termoherdende harpiks av en gitt sammensetning i et flyktig løsningsmiddel, introduserer et karbonfyllstoff og bland dem til det er homogent, tørking, pressing og termoherdende, blandingen før pressing utsettes for tørking etterfulgt av gløding ved en temperatur 50-60°C lavere enn termoherdende temperatur på blandingen, og pressing utføres ved gjentatt belastning til et trykk på 15-20 MPa, samtidig som det varmes til blandingen stivner, gløding utføres med en gradvis økning i temperaturen i 10,0-15,0 timer og påfølgende holdes ved denne temperaturen i 1,0-2,0 timer, og pressingen utføres ved en temperatur på arbeidslegemet til presseenheten som er 1,5-2,0 ganger høyere enn utglødningstemperaturen, "t:l"-forholdet når det dannes en blanding av karbon pulvere med et løsemiddel av en termoherdende harpiks velges i området fra 1:3 til 1:5, 0,1-3,0% av et esemiddel tilsettes til sammensetningen av den opprinnelige blandingen for pressing.

Dette vil sikre jevn fordeling av reagenser over overflaten av brenselcellecellen og effektiv fjerning av reaksjonsprodukter og som en konsekvens øke strømtettheten på brenselcellecellen ved en gitt spenning.

I fremgangsmåten for å produsere bipolare plater, som inkluderer fremstilling av en blanding av en termoherdende harpiks av en viss sammensetning i et flyktig løsningsmiddel, innføring av et karbonfyllstoff og blanding av dem til homogene, tørking, pressing og termoherdende, blir blandingen utsatt for tørking før pressing etterfulgt av gløding ved en temperatur som er 50-60°C lavere enn blandingens herdetemperatur, og pressing utføres ved gjentatt belastning til et trykk på 15-20 MPa samtidig med oppvarming tilsvarende herdingen av blandingen. I dette tilfellet utføres gløding med en gradvis økning i temperaturen i 10,0-15,0 timer og påfølgende oppbevaring ved denne temperaturen i 1,0-2,0 timer, og pressingen utføres ved en temperatur på arbeidslegemet til presseenheten på 1,5- 2,0 ganger høyere enn glødetemperaturen. Forholdet "t:l" (faste og flytende faser) ved dannelse av en blanding av karbonpulver med et termoherdende harpiksløsningsmiddel (aceton) varierer i området fra 1:2 til 1:5, og 0,1-3 tilsettes sammensetningen av den opprinnelige blandingen for pressing 0 % (vekt) esemiddel.

Behovet for å bruke en termoherdende harpiks er forårsaket av det eksperimentelt etablerte faktum av mangelen på riktig komprimering av områdene med strømførende fremspring ved pressing av karbonholdig BP på et termoplastisk bindemiddel, som ble uttrykt i svak adhesjon av den strømførende fremspring til platens kropp og deres løsgjøring. Tilstedeværelsen av en termoherdende harpiks av en hvilken som helst sammensetning i blandingen for pressing gjør det i dette tilfellet mulig å danne defektfrie strømførende fremspring og BP som helhet i henhold til sintringsmekanismen med en væskefase som forsvinner kort tid etter at den har vist seg til tross for fortsatt oppvarming.

Sekvensen av hovedoperasjonene som skjer under bipolare plater er som følger: dannelse av et tynt lag av et polymert termoherdende bindemiddel på overflaten av karbonfyllstoffpartiklene under fremstillingen av blandingen, dens tørking og påfølgende gløding, komprimering av blandingen, utseende av en flytende fase på grunn av smelting av bindemiddellaget på partikkelfyllstoffet, ytterligere komprimering av produktet på grunn av krymping som er karakteristisk for væskefasesintring, termoherdning av bindemidlet og produktet som helhet.

Behovet for gløding før pressing skyldes tilstedeværelsen i agglomererte blandinger av et stort antall flyktige komponenter som forstyrrer effektiv pressing. En høyere glødetemperatur kan føre til uønskede prosesser med for tidlig herding av bindemidlet i individuelle mikrovolumer av blandingen, og gløding med lavere temperatur viser seg å være ineffektiv.

En viktig parameter er trykktrykket. For blandinger av karbondispergerte fyllstoffer og et termoherdende bindemiddel avhenger pressetrykket av den spesifikke typen fyllstoff og bør ikke overstige verdien som det flytende bindemidlet presses ut av blandingen over - 20 MPa. Lavt trykktrykk (mindre enn 15 MPa) gir ikke effektiv forsegling av BP, spesielt i området med strømførende fremspring.

Utførelse av pressing samtidig med oppvarming av formen med blandingen for herding gjør det mulig å implementere trinn 4 i ovennevnte sekvens av fenomener som oppstår under dannelsen av platene.

Utformingen av den bipolare platen er illustrert på tegningene, hvor Fig. 1 viser et generelt riss av den bipolare platen, og Fig. 2 er et tverrsnitt av platen langs A-A med strømførende fremspring laget i form av, for eksempel en sylinder, fig. 3 er et tverrsnitt av platen langs A-A med strømførende fremspring laget i form av for eksempel en kjegle eller pyramide.

Den bipolare platen består av en sentral del 1 og en perifer del 2. Den sentrale delen har fremspring 3, hvis topper er i samme plan som den perifere delen, med en høyde på 0,3 til 2 mm og en diameter ved bunnen på 0,5-3,0 mm. Fremspringene er plassert i en lineær rekkefølge vertikalt og horisontalt med en stigning på 1,0-4,0 mm og tillater, med et større utviklet område og volum av passasje av gassformige reagensstrømmer, å fordele de resulterende spenningene (trykkene) i alle retninger. Et sjakkbrett, rombisk, sirkulært, spiral- eller labyrint-arrangement av fremspringene er mulig. Og selve fremspringene kan ha form av en sylinder, en avkortet pyramide, et prisme og/eller en avkortet kjegle. Det ble eksperimentelt fastslått at avhengig av de gitte diametrene til fremspringene, deres høyde og stigningen mellom sentrene til fremspringene, er den optimale formen til de strømførende fremspringene forskjellig, fordi de optimerer reagensstrømmer, varmeoverføringseffektivitet og elektrisk ledningsevne i forskjellige måter. Så spesielt for en stigning på 1 mm er den optimale formen en avkortet pyramide. For fremspring med en basediameter på 0,5 mm er den optimale formen en ellipse. For strømførende fremspring med en høyde på 0,3 mm er den optimale formen en sylinder. For spesifikke driftsmoduser (strømstyrke, spenning, reagensstrøm, cellestørrelse, etc.), utføres valget av den optimale formen på strømførende fremspring og deres geometriske dimensjoner individuelt.

Bipolare plater er laget som følger.

En kombinasjon av karbondispergerte komponenter blandes for å danne en homogen blanding med en spesifisert mengde herdeplastløsning. Karbondispergerte komponenter kan være grafitt, sot, hakket fiber, knust koks, etc. Med periodisk omrøring plasseres den tilberedte blandingen for tørking ved romtemperatur for å fjerne hovedmengden av flyktige komponenter. På denne måten er det mulig å oppnå et halvfabrikat i form av for eksempel granulat for den påfølgende produksjonsprosessen for BP. Deretter, etter visuell inspeksjon, glødes den tørre blandingen ved en temperatur som er 50-60°C lavere enn den termoherdende temperaturen. Deretter presses den glødede blandingen med et trykk på 15-20 MPa i en form, hvis stanser er laget med utsparinger som danner strømførende fremspring under pressing og herding. Samtidig med pressing varmes formen med blandingen opp fra glødetemperaturen til herdetemperaturen. Etter å ha holdt på herdetemperaturen i 0,5-1 time, fjernes formen fra pressen og avkjøles i luft, og deretter presses ved hjelp av en spesiell enhet.

En viktig egenskap til en bipolar plate er strukturen på overflaten. For å få mer høy ytelse For en brenselcelle er det tilrådelig at overflaten som arbeidsgassene passerer mellom de strømførende fremspringene har en viss ruhet og mikroporøsitet. I dette tilfellet akkumuleres vannet som dannes som følge av reaksjonen mellom gasser delvis i porene nær overflaten og øker dermed luftfuktigheten til gassene, noe som har en positiv effekt på brenselcellens spesifikke energiegenskaper. Dannelsen av den ønskede strukturen til overflatelaget i henhold til den foreslåtte metoden, i motsetning til prototypen, skjer ved å innføre i sammensetningen av den opprinnelige blandingen for pressing 0,1-3,0% (masse) i forhold til den faste komponenten av blanding ("t") av et esemiddel (ammoniumkarbonat, polyetylenglykol, polyetylen). Blåsemidlet som innføres i den opprinnelige blandingen for vannutfelling påvirker ikke herdingen av bindemidlet og, som brytes ned under varmebehandling og pressing under herding, danner en mikroporøs struktur av platen, og derfor det nære overflatelaget (til en dybde på 1-2 μm).

Å redusere innholdet av poredannende middel til mindre enn 0,1 % har praktisk talt ingen effekt på mikroporøsiteten og ruheten til overflatelaget, og å øke innholdet av poredannende middel til over 3,0 % er upraktisk på grunn av en reduksjon i mekanisk styrke og mulig forekomst. av platenes gjennomtrengelighet.

Fremgangsmåten for å produsere en bipolar plate er illustrert med følgende eksempler.

Eksempel 1. For fremstilling av én strømforsyning (med sylindriske strømførende fremspring anordnet lineært, med en diameter på 0,5 mm, en høyde på 0,5 mm, med en avstand mellom sentrene til fremspringene på 1,0 mm) med en størrelse på 100 × 100 mm, en tykkelse på 7 mm og en vekt på 115 d tilbered en blanding av følgende sammensetning med forholdet "s:l" = 1,33:3,00

Grafittkvalitet KS-10 - 98 g

PM-100 kjønrøk - 1 g

Bakelitt lakk merke LBS-1 - 34 g

Aceton - 300 g.

I et målebeger blander du den angitte mengden bakelittlakk og for eksempel aceton til løsningen har en jevn farge. En prøve av grafittpulver og sot forhåndsblandes tørt til en homogen blanding er oppnådd. Plasser deretter blandingen av pulver og Bakelitt-lakkløsningen i en blandebeholder og bland mekanisk i 5-10 minutter til den er homogen. La deretter blandingen stå under trekk av et avtrekksskap for å tørke ved romtemperatur i 12-15 timer til den er visuelt tørr, rør blandingen med jevne mellomrom etter hvert som den tørker og mal store (mer enn 2-3 mm) agglomerater gjennom et metallnett. med en maskevidde på 2 mm. En prøve av den tørre blandingen helles i en form, formen plasseres i ovnen og varmes opp til en temperatur på 90°C i 13,5-14 timer, etterfulgt av å holde denne temperaturen i 2 timer. Fjern deretter ladningen ovnen og sett den i oppvarmet til 170°C Hydraulisk presse. De presset pressen i rykk (dette er lastehastigheten) i 1-2 sekunder til omtrent en kraft på 22 tonn. Etter ca. 5 sekunders hold økes kraften igjen til 22-25 tonn i 1 time, hvoretter formen tas ut av pressen og avkjøles i romtemperatur. Etter avkjøling tømmes formen på en manuell skruepresse ved hjelp av 4 stålutkastere. Visuell kontroll av kvaliteten på strømforsyningen indikerer fravær av riper, defekter og sprekker på overflaten av platen (inkludert i området med strømførende fremspring), delaminering av strømforsyningsmaterialet ved grensen mellom området av strømførende fremspring og bunnen av strømforsyningen. Ved undersøkelse av platen etter en styrketest (platen legges mellom stålplater og utsettes for kompresjon med en kraft på 5 tonn (trykk 5 MPa), som tilsvarer arbeidskraften i brenselcellen i 1 time), ingen endringer eller mangler ble funnet. Volumresistivitetsverdien var 0,025 Ohm cm.

Eksempel 2. En bipolar plate er laget av en sammensetning og ved bruk av en metode som ligner på eksempel 1 med fremspring i form av en avkortet kjegle med en diameter på 3,0 mm i bunnen, 2,5 mm i toppen, 2,0 mm i høyden, med en avstand mellom midten av fremspringene 4,0 mm.

Før og etter styrketesting er det ikke funnet overflatedefekter eller fremspring. Volumresistivitetsverdien er 0,030 Ohm cm.

Eksempel 3. En bipolar plate er laget med en konfigurasjon og i henhold til en metode som ligner på eksempel 1, men epoksyfenolbindemiddel nr. 560 produsert av Federal State Unitary Enterprise State Scientific Center "VIAM" i mengden 31 g brukes som termoherdende binder.

Før og etter styrketesting er det ikke funnet overflatedefekter eller fremspring. Volumresistivitetsverdien er 0,017 Ohm cm.

Eksempel 4. En bipolar plate produseres med en konfigurasjon og i henhold til en metode som ligner på eksempel 1, tilsettes et esemiddel - høydensitetspolyetylenpulver i en mengde på 3,5 g (3,0 vekt%) - til startblandingen for pressing. Før og etter styrketesting er det ikke funnet overflatedefekter eller fremspring. Volumresistivitetsverdien er 0,028 Ohm cm. Porøsiteten til det overflatenære laget (opp til 100 µm dypt), målt ved vannsorpsjon, er 2,8 %.

Eksempel 5. En bipolar plate lages med en konfigurasjon som ligner på eksempel 1, fra sammensetningen og i henhold til metoden beskrevet i eksempel 9.

Før styrkeprøver ble det funnet opptil 10 % av ødelagte og defekte fremspring, hvoretter antall ødelagte fremspring var ca. 30 %. Volumresistivitetsverdien er 0,025 Ohm cm.

Eksempel 6. En bipolar plate er laget med en konfigurasjon og ved bruk av en metode som ligner på eksempel 1 (strømførende fremspring er anordnet lineært) og testes i en brenselcelle under følgende forhold:

Membran - MF4-SK 135 mikron tykk

Katalysator - Pt 40 /C i en mengde på 2,5 mg/cm 2

Drivstoff - hydrogen ved et trykk på 2 ati

Oksyderingsmiddel - oksygen ved et trykk på 3 ati

Cellens driftstemperatur - 85°C

Reaksjon ved anoden: H 2 → 2H + +2e -

Reaksjon ved katoden: O 2 +4e - +4H + →2H 2O

Total reaksjon: O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O

Ved en spenning på 0,7 V er maksimal strømtetthet 1,1 A/cm 2 .

Eksempel 7. En bipolar plate er laget med en konfigurasjon og metode som ligner på eksempel 1, men de strømførende fremspringene er ordnet rombisk og testet i en brenselcelle under forhold som ligner på eksempel 6. Ved en spenning på 0,7 V er maks. strømtettheten er 1,25 A/cm 2 .

Eksempel 8. En bipolar plate er laget av en sammensetning og i henhold til en metode som ligner på eksempel 1, er fremspringene laget i form av et prisme med en diameter på 2 mm, en høyde på 1,5 mm, med en avstand mellom sentrene av fremspringene på 3,0 mm, og de strømførende fremspringene er ordnet rombisk og tester utføres i en cellebrenselcelle under forhold tilsvarende eksempel 6. Ved en spenning på 0,7 V var maksimal strømtetthet 0,95 A/cm 2 .

Eksempel 9. En bipolar plate lages med en konfigurasjon lik en kjent teknisk løsning, fra en sammensetning og i henhold til metoden beskrevet i eksempel 9, utføres tester i en brenselcelle under forhold tilsvarende eksempel 6. Ved en spenning på 0,7 V, var den maksimale strømtettheten 0,9 A/cm 2. Det er eksperimentelt fastslått at, avhengig av de gitte diametrene til fremspringene, deres høyde og stigningen mellom sentrene til fremspringene, er den optimale formen til de strømførende fremspringene forskjellig, fordi de optimerer reagensstrømmer, varmeoverføringseffektivitet og elektrisk ledningsevne på forskjellige måter. Så spesielt for en stigning på 1 mm er den optimale formen en avkortet pyramide. For fremspring med en basediameter på 0,5 mm er den optimale formen en ellipse. For strømførende fremspring med en høyde på 0,3 mm er den optimale formen en sylinder. For spesifikke driftsmoduser (strømstyrke, spenning, reagensstrøm, cellestørrelse, etc.), utføres valget av den optimale formen på strømførende fremspring og deres geometriske dimensjoner individuelt.

Oppfinnelsen gjør det mulig å utvide funksjonaliteten, forbedre de operasjonelle egenskapene og egenskapene til bipolare plater og brenselcellen som helhet og oppnå bipolare plater med strømførende fremspring av vilkårlig form og plassering med en fremspringshøyde fra 0,3 til 2,0 mm, samt øke effektiviteten til reagenstransport og fjerningsreaksjonsprodukter, øke korrosjonsmotstanden langs periferien med den teknologiske belastningen, som danner en enkelt helhet med den sentrale elektrisk ledende delen som har en funksjonell belastning.

1. En bipolar plate for en brenselcelle, bestående av perifere deler med hull og en sentral del med strømførende fremspring, hvis topper er plassert i samme plan som de perifere delene, karakterisert ved at de strømførende fremspringene er laget med et gitt basisareal med redusert diameter i bunnen på 0,5 -3,0 mm, høyde fra 0,3 til 2,0 mm og med en stigning mellom sentrene til strømførende fremspring 1,0-4,0 mm.

2. Bipolar plate ifølge krav 1, karakterisert ved at de strømførende fremspringene er laget med en base i form av en sirkel, eller en firkant, eller et rektangel, eller en ellipse, eller en rombe, eller en trapes, eller kombinasjoner derav.

USA har flere initiativer rettet mot å utvikle hydrogenbrenselceller, infrastruktur og teknologi for å gjøre brenselcellekjøretøyer praktiske og drivstoffeffektive innen 2020. Mer enn én milliard dollar er bevilget til disse formålene.

Brenselceller genererer strøm stille og effektivt, uten å forurense miljøet. I motsetning til energikilder som bruker fossilt brensel, er biprodukter av brenselceller varme og vann. Hvordan det fungerer?

I denne artikkelen vil vi kort se på hver av de eksisterende drivstoffteknologiene i dag, samt snakke om design og drift av brenselceller, og sammenligne dem med andre former for energiproduksjon. Vi vil også diskutere noen av hindringene forskerne møter for å gjøre brenselceller praktiske og rimelige for forbrukere.

Brenselceller er elektrokjemiske energikonverteringsenheter. En brenselcelle omdanner kjemikalier, hydrogen og oksygen, til vann, og genererer elektrisitet i prosessen.

En annen elektrokjemisk enhet som vi alle er godt kjent med er batteriet. Batteriet har alle nødvendige kjemiske elementer i seg selv og omdanner disse stoffene til elektrisitet. Det betyr at batteriet til slutt dør og du enten kaster det eller lader det på nytt.

I en brenselcelle mates kjemikalier kontinuerlig inn i den slik at den aldri "dør". Elektrisitet vil bli generert så lenge kjemikalier kommer inn i elementet. De fleste brenselceller som er i bruk i dag, bruker hydrogen og oksygen.

Hydrogen er det mest tallrike grunnstoffet i vår galakse. Imidlertid eksisterer hydrogen praktisk talt ikke på jorden i sin elementære form. Ingeniører og forskere må utvinne rent hydrogen fra hydrogenforbindelser, inkludert fossilt brensel eller vann. For å utvinne hydrogen fra disse forbindelsene, må du bruke energi i form av varme eller elektrisitet.

Oppfinnelse av brenselceller

Sir William Grove oppfant den første brenselcellen i 1839. Grove visste at vann kunne deles til hydrogen og oksygen ved å føre en elektrisk strøm gjennom det (en prosess kalt elektrolyse). Han foreslo at det i omvendt rekkefølge ville være mulig å skaffe strøm og vann. Han skapte en primitiv brenselcelle og kalte den gass ​​galvanisk batteri. Etter å ha eksperimentert med sin nye oppfinnelse, beviste Grove sin hypotese. Femti år senere laget forskerne Ludwig Mond og Charles Langer begrepet brenselsceller når man prøver å bygge en praktisk modell for å generere strøm.

Brenselcellen vil konkurrere med mange andre energikonverteringsenheter, inkludert gassturbiner i urbane kraftverk, forbrenningsmotorer i biler og alle typer batterier. Forbrenningsmotorer, som gassturbiner, brenner forskjellige typer brensel og bruke trykket skapt av ekspansjon av gasser til å utføre mekanisk arbeid. Batterier konverterer kjemisk energi til elektrisk energi ved behov. Brenselceller må utføre disse oppgavene mer effektivt.

Brenselcellen gir DC (likestrøm) spenning som kan brukes til å drive elektriske motorer, lys og andre elektriske apparater.

Det er flere forskjellige typer brenselceller, som hver bruker forskjellige kjemiske prosesser. Brenselceller er vanligvis klassifisert i henhold til deres Driftstemperatur Og typeelektrolytt, som de bruker. Noen typer brenselceller er godt egnet for bruk i stasjonære kraftverk. Andre kan være nyttige for små bærbare enheter eller for å drive biler. Hovedtypene brenselceller inkluderer:

Polymer exchange membran brenselcelle (PEMFC)

PEMFC anses som den mest sannsynlige kandidaten for transportapplikasjoner. PEMFC har både høy effekt og relativt lav driftstemperatur (fra 60 til 80 grader Celsius). Lave driftstemperaturer betyr at brenselceller raskt kan varmes opp for å begynne å generere strøm.

Solid oxide brenselcelle (SOFC)

Disse brenselcellene er best egnet for store stasjonære kraftgeneratorer som kan drive fabrikker eller byer. Denne typen brenselceller opererer ved svært høye temperaturer (700 til 1000 grader Celsius). Høy temperatur utgjør et pålitelighetsproblem fordi noen brenselceller kan svikte etter noen av-på-sykluser. Fast oksid brenselceller er imidlertid meget stabile under kontinuerlig drift. Faktisk har SOFC-er vist den lengste levetiden til en brenselcelle under visse forhold. Den høye temperaturen har også den fordelen at dampen som produseres av brenselcellene kan sendes til turbiner og generere mer strøm. Denne prosessen kalles kraftvarmeproduksjon av varme og elektrisitet og forbedrer den generelle systemeffektiviteten.

Alkalisk brenselcelle (AFC)

Det er en av de eldste designene for brenselceller, etter å ha vært i bruk siden 1960-tallet. AFC-er er svært utsatt for forurensning da de krever rent hydrogen og oksygen. I tillegg er de veldig dyre, så denne typen brenselceller vil neppe bli satt i masseproduksjon.

Smeltet-karbonat brenselcelle (MCFC)

I likhet med SOFC-er er disse brenselcellene også best egnet for store stasjonære kraftverk og generatorer. De opererer ved 600 grader Celsius slik at de kan generere damp, som igjen kan brukes til å generere enda mer energi. De har lavere driftstemperatur enn fastoksid brenselceller, noe som betyr at de ikke krever slike varmebestandige materialer. Dette gjør dem litt billigere.

Fosforsyre brenselcelle (PAFC)

Fosforsyre brenselcelle har potensial for bruk i små stasjonære kraftsystemer. Den opererer ved en høyere temperatur enn en brenselcelle med polymerutvekslingsmembran, så det tar lengre tid å varme opp, noe som gjør den uegnet for bruk i biler.

Direkte metanol brenselcelle (DMFC)

Metanol brenselceller er sammenlignbare med PEMFC når det gjelder driftstemperatur, men er ikke like effektive. I tillegg krever DMFC-er ganske store mengder platina som katalysator, noe som gjør disse brenselcellene dyre.

Brenselcelle med polymer utvekslingsmembran

Polymer exchange membrane brenselcelle (PEMFC) er en av de mest lovende brenselcelleteknologiene. PEMFC bruker en av de enkleste reaksjonene til enhver brenselcelle. La oss se på hva den består av.

1. EN node – negativ terminal på brenselcellen. Den leder elektroner som frigjøres fra hydrogenmolekyler, hvoretter de kan brukes i en ekstern krets. Den har graverte kanaler gjennom hvilke hydrogengass fordeles jevnt over overflaten av katalysatoren.

2.TIL athode - positiv terminal på brenselcellen, har også kanaler for fordeling av oksygen over overflaten av katalysatoren. Den leder også elektroner tilbake fra katalysatorens ytre krets, hvor de kan kombineres med hydrogen- og oksygenioner for å danne vann.

3.Elektrolytt-proton utvekslingsmembran. Dette er et spesialbehandlet materiale som leder kun positivt ladede ioner og blokkerer elektroner. Med PEMFC må membranen være hydrert for å fungere ordentlig og forbli stabil.

4. Katalysator er et spesielt materiale som fremmer reaksjonen av oksygen og hydrogen. Den er vanligvis laget av platinananopartikler som påføres veldig tynt på karbonpapir eller stoff. Katalysatoren har en overflatestruktur slik at maksimal overflate av platina kan utsettes for hydrogen eller oksygen.

Figuren viser hydrogengass (H2) som kommer inn i brenselcellen under trykk fra anodesiden. Når et H2-molekyl kommer i kontakt med platina på katalysatoren, splittes det i to H+-ioner og to elektroner. Elektronene passerer gjennom anoden, hvor de brukes i eksterne kretser (gjør nyttig arbeid, for eksempel å snu en motor), og går tilbake til katodesiden av brenselcellen.

I mellomtiden, på katodesiden av brenselcellen, passerer oksygen (O2) fra luften gjennom katalysatoren der den danner to oksygenatomer. Hvert av disse atomene har en sterk negativ ladning. Denne negative ladningen tiltrekker seg to H+ ioner over membranen, hvor de kombineres med et oksygenatom og to elektroner som kommer fra den eksterne kretsen for å danne et vannmolekyl (H2O).

Denne reaksjonen i en enkelt brenselcelle produserer bare ca. 0,7 volt. For å heve spenningen til et rimelig nivå, må mange individuelle brenselceller kombineres for å danne en brenselcellestabel. Bipolare plater brukes til å koble en brenselcelle til en annen og gjennomgår oksidasjon for å redusere potensialet. Det store problemet med bipolare plater er deres stabilitet. Bipolare metallplater kan korroderes, og biprodukter (jern- og kromioner) reduserer effektiviteten til brenselcellemembranene og elektrodene. Derfor bruker lavtemperatur brenselceller lettmetaller, grafitt og kompositter av karbon og herdeplast (en herdeplast er en slags plast som forblir solid selv når de utsettes for høye temperaturer) i form av bipolart arkmateriale.

Brenselcelleeffektivitet

Å redusere forurensning er et av hovedmålene for en brenselcelle. Ved å sammenligne en bil drevet av en brenselcelle med en bil drevet av en bensinmotor og en bil drevet av et batteri, kan du se hvordan brenselceller kan forbedre effektiviteten til biler.

Siden alle tre typer biler har mange av de samme komponentene, vil vi ignorere denne delen av bilen og sammenligne de nyttige handlingene frem til det punktet hvor mekanisk energi produseres. La oss starte med brenselcellebilen.

Hvis brenselcellen drives av rent hydrogen, kan effektiviteten være opptil 80 prosent. Dermed omdanner den 80 prosent av energiinnholdet i hydrogen til elektrisitet. Imidlertid må vi fortsatt konvertere elektrisk energi til mekanisk arbeid. Dette oppnås ved hjelp av en elektrisk motor og en inverter. Virkningsgraden til motor + omformer er også omtrent 80 prosent. Dette gir en total virkningsgrad på ca. 80*80/100=64 prosent. Hondas FCX konseptbil har angivelig 60 prosent energieffektivitet.

Hvis drivstoffkilden ikke er i form av rent hydrogen, da kjøretøy vil også trenge en reformator. Reformatorer omdanner hydrokarbon- eller alkoholdrivstoff til hydrogen. De genererer varme og produserer CO og CO2 i tillegg til hydrogen. De bruker forskjellige enheter for å rense det resulterende hydrogenet, men denne rensingen er utilstrekkelig og reduserer effektiviteten til brenselcellen. Så forskerne bestemte seg for å fokusere på brenselceller for kjøretøy drevet av rent hydrogen, til tross for utfordringene knyttet til produksjon og lagring av hydrogen.

Effektiviteten til en bensinmotor og en batteri-elektrisk bil

Effektiviteten til en bil drevet av bensin er overraskende lav. All varme som tømmes eller absorberes av radiatoren er bortkastet energi. Motoren bruker også mye strøm på å drive de ulike pumpene, viftene og generatorene som holder den i gang. Dermed er den totale effektiviteten til en bensinbilmotor omtrent 20 prosent. Dermed blir bare rundt 20 prosent av bensinens termiske energiinnhold omdannet til mekanisk arbeid.

Et batteridrevet elektrisk kjøretøy har ganske høy effektivitet. Batteriet er omtrent 90 prosent effektivt (de fleste batterier genererer noe varme eller krever oppvarming), og motoren + omformeren er omtrent 80 prosent effektiv. Dette gir en samlet effektivitet på cirka 72 prosent.

Men det er ikke alt. For at en elbil skal bevege seg, må det først genereres strøm et sted. Hvis det var et kraftverk som brukte en forbrenningsprosess for fossilt brensel (snarere enn kjernekraft, vannkraft, sol- eller vindkraft), så ble bare omtrent 40 prosent av drivstoffet som forbrukes av kraftverket omdannet til elektrisitet. I tillegg krever prosessen med å lade en bil å konvertere vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC). Denne prosessen har en effektivitet på omtrent 90 prosent.

Nå, hvis vi ser på hele syklusen, er effektiviteten til et elektrisk kjøretøy 72 prosent for selve kjøretøyet, 40 prosent for kraftverket og 90 prosent for lading av kjøretøyet. Dette gir en samlet effektivitet på 26 prosent. Samlet effektivitet varierer betydelig avhengig av hvilket kraftverk som brukes til å lade batteriet. Hvis bilens elektrisitet er generert av for eksempel et vannkraftverk, vil elbilens virkningsgrad være cirka 65 prosent.

Forskere forsker på og forbedrer design for å fortsette å forbedre effektiviteten til brenselcellen. En ny tilnærming ville være å kombinere brenselcelle- og batteridrevne kjøretøy. Et konseptkjøretøy drevet av en hybrid drivlinje drevet av en brenselcelle er under utvikling. Den bruker et litiumbatteri for å drive bilen mens brenselcellen lader batteriet.

Brenselcellekjøretøyer er potensielt like effektive som en batteridrevet bil som lades fra et kraftverk som ikke bruker fossilt brensel. Men å nå dette potensialet på en praktisk og tilgjengelig måte kan være vanskelig.

Hvorfor bruke brenselceller?

Hovedårsaken er alt relatert til olje. Amerika må importere nesten 60 prosent av sin olje. Innen 2025 forventes importen å stige til 68 %. Amerikanerne bruker to tredjedeler av oljen daglig til transport. Selv om hver bil på gaten var en hybridbil, ville USA innen 2025 fortsatt trenge å bruke samme mengde olje som amerikanerne konsumerte i 2000. Faktisk forbruker Amerika en fjerdedel av all verdens olje, selv om bare 4,6 % av verdens befolkning bor her.

Eksperter forventer at oljeprisene vil fortsette å stige i løpet av de neste tiårene ettersom billigere kilder minker. Oljeselskapene må bygge ut oljefelt under stadig vanskeligere forhold, noe som vil øke oljeprisen.

Bekymringer strekker seg langt utover økonomisk sikkerhet. Mye penger fra salg av olje brukes på å støtte internasjonal terrorisme, radikale politiske partier og den ustabile situasjonen i oljeproduserende regioner.

Bruk av olje og andre fossile brensler til energi gir forurensning. Det er best for alle å finne et alternativ til å brenne fossilt brensel for energi.

Brenselceller er et attraktivt alternativ til oljeavhengighet. I stedet for å forurense, produserer brenselceller rent vann som et biprodukt. Mens ingeniører midlertidig har fokusert på å produsere hydrogen fra ulike fossile kilder som bensin eller naturgass, utforskes fornybare, miljøvennlige måter å produsere hydrogen på i fremtiden. Den mest lovende vil naturligvis være prosessen med å produsere hydrogen fra vann

Oljeavhengighet og global oppvarming er et internasjonalt problem. Flere land er i fellesskap involvert i å fremme forskning og utvikling for brenselcelleteknologi.

Det er klart at forskere og produsenter har mye arbeid å gjøre før brenselceller blir et alternativ moderne metoder energiproduksjon. Og likevel, med støtte fra hele verden og globalt samarbeid, en levedyktig energisystem basert på brenselceller kan bli en realitet innen et par tiår.