Биполярная пластина и способ ее изготовления. Биполярная пластина топливного элемента круглой формы Устройство биполярных электродов в топливных элементах
Владельцы патента RU 2577860:
Изобретение относится к способу защиты от окисления биполярных пластин топливных элементов и коллекторов тока электролизеров с твердым полимерным электролитом (ТПЭ), заключающемуся в предварительной обработке металлической подложки, нанесении на обработанную металлическую подложку электропроводного покрытия благородных металлов методом магнетронно-ионного напыления. Способ характеризуется тем, что наносят на обработанную подложку электропроводное покрытие послойно с закреплением каждого слоя импульсной имплантацией ионов кислорода или инертного газа. Техническим результатом является получение устойчивого покрытия с ресурсом работы, в 4 раза превышающим полученный по прототипу, и сохраняющего токопроводящие свойства. 7 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 16 пр.,
Область техники
Изобретение относится к области химических источников тока, а именно к способам создания защитных покрытий металлических коллекторов тока (в случае электролизеров) и биполярных пластин (в случае топливных элементов - ТЭ) с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). В процессе электролиза коллекторы тока, изготовленные, как правило, из пористого титана, подвергаются постоянному воздействию агрессивных сред кислорода, озона, водорода, что приводит к образованию на кислородном коллекторе тока (анод) оксидных пленок, в результате увеличивается электрическое сопротивление, снижается электропроводность и производительность электролизера. На водородном коллекторе (катод) тока в результате наводораживания поверхности пористого титана, происходит его коррозионное растрескивание. Работая в таких жестких условиях при постоянной влажности, коллектора тока и биполярные пластины нуждаются в надежной защите от коррозии.
Основными требованиями к коррозионным защитным покрытиям являются низкое электрическое сопротивление контакта, высокая электропроводность, хорошая механическая прочность, равномерность нанесения по всей площади поверхности для создания электрического контакта, низкая стоимость материалов и затрат на производство.
Для установок с ТПЭ также важнейшим критерием является химическая стойкость покрытия, невозможность использования металлов, изменяющих степень окисления в процессе работы и испаряющихся, что приводит к отравлению мембраны и катализатора.
Учитывая все указанные требования, идеальными защитными свойствами обладают Pt, Pd, Ir и их сплавы.
Уровень техники
В настоящее время известно множество различных способов создания защитных покрытий - гальваническое и термическое восстановление, ионная имплантация, физическое осаждение из паровой фазы (PVD методы распыления), химическое осаждение из паровой фазы (CVD методы распыления).
Из уровня техники известен способ защиты металлических подложек (патент США US №6887613 на изобретение, опубл. 03.05.2005). Предварительно с поверхности металла удаляли оксидный слой, пассивирующий поверхность, химическим травлением или механической обработкой. На поверхность подложки наносили полимерное покрытие, смешанное с проводящими частицами золота, платины, палладия, никеля и др. Полимер выбирается по его совместимости с металлической подложкой - эпоксидные смолы, силиконы, полифенолы, фторсополимеры и др. Покрытие наносили тонкой пленкой помощью электрофоретического осаждения; кистью; распылением в виде порошка. Покрытие обладает хорошими антикоррозионными свойствами.
Недостатком данного способа является высокое электрическое сопротивление слоя из-за наличия полимерной составляющей.
Из уровня техники известен способ защиты (см. патент CШA US №7632592 на изобретение, опубл. 15.12.2009), в котором предложено создание антикоррозионного покрытия на биполярных пластинах с использованием кинетического (холодного) процесса распыления порошка платины, палладия, родия, рутения и их сплавов. Распыление проводили пистолетом с помощью сжатого газа, например гелия, который подается в пистолет при высоком давлении. Скорость движения частиц порошка 500-1500 м/с. Ускоренные частицы остаются в твердом и относительно холодном состоянии. В процессе не происходит окисления их и оплавления, средняя толщина слоя 10 нм. Сцепление частиц с подложкой зависит от достаточного количества энергии - при недостаточной энергии наблюдается слабое сцепление частиц, при очень больших энергиях происходит деформация частиц и подложки, создается высокая степень локального нагрева.
Из уровня техники известен способ защиты металлических подложек (см. патент США US №7700212 на изобретение, опубл. 20.04.2010). Предварительно поверхности подложки придавали шероховатость для улучшения сцепления с материалом покрытия. Наносили два слоя покрытия: 1 - из нержавеющей стали, толщина слоя от 0,1 мкм до 2 мкм, 2 - покрывающий слой из золота, платины, палладия, рутения, родия и их сплавов, толщиной не более 10 нм. Слои наносили с помощью термического напыления, используя пистолет, из распылительной форсунки которого выбрасывался поток расплавленных частиц, которые образовывали химическую связь с поверхностью металла, также возможно нанесение покрытия с помощью PVD метода (физическое осаждение из паровой фазы). Наличие 1 слоя снижает скорость коррозии и уменьшает затраты на изготовление, однако его наличие приводит также и к недостатку - из нержавеющей стали образуется пассивный слой из оксида хрома, что приводит к значительному повышению контактного сопротивления антикоррозионного покрытия.
Из уровня техники известен способ защиты (см. патент США US №7803476 на изобретение, опубл. 28.09.2010)., в котором предложено создание ультратонких покрытий из благородного металла Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir и их сплавов, толщина покрытия составляет от 2 до 10 нм, предпочтительно даже одноатомный слой толщиной от 0,3 до 0,5 нм (толщина, равная диаметру атома покрытия). Предварительно на биполярную пластину наносили слой неметалла, имеющего хорошую пористость - уголь, графит в смеси с полимером, или металла - алюминий, титан, нержавеющая сталь. Металлические покрытия наносили электронно-лучевым напылением, электрохимическим осаждением, магнетронно-ионным напылением.
К достоинствам данного способа относятся: исключение стадии травления подложки для удаления окислов, низкое контактное сопротивление, минимальная стоимость.
Недостатки - в случае наличия неметаллического слоя увеличивается электрическое контактное сопротивление из-за различий в поверхностных энергиях и других молекулярных и физических взаимодействиях; возможно смешение первого и второго слоев, в результате на поверхности могут оказаться неблагородные металлы, подверженные окислению.
Из уровня техники известен способ защиты металлической подложки (см. патент США US №7150918 на изобретение, опубл. 19.12.2006), включающий: обработку металлической подложки для удаления окислов с ее поверхности, нанесение электропроводящего коррозионно-стойкого металлического покрытия благородных металлов, нанесение электропроводящего коррозионно-стойкого полимерного покрытия.
Недостатком указанного способа является высокое электрическое сопротивление при наличии значительного количества связующего полимера, в случае недостаточного количества связующего полимера происходит вымывание электропроводящих частиц сажи из полимерного покрытия.
Из уровня техники известен способ защиты биполярных пластин и коллекторов тока от коррозии - прототип (см. патент США US №8785080 на изобретение, опубл. 22.07.2014), включающий:
Обработку подложки в кипящей деионизированной воде, или термическую обработку при температуре выше 400°С, или замачивание в кипящей деионизированной воде с целью образования пассивного оксидного слоя толщиной от 0,5 нм до 30 нм,
Нанесение электропроводящего металлического покрытия (Pt, Ru, Ir) на пассивный оксидный слой толщиной от 0,1 нм до 50 нм. Покрытие наносили методом магнетронно-ионного напыления, электронно-лучевым испарением или ионным осаждением.
Наличие пассивного оксидного слоя увеличивает коррозионную стойкость металлического покрытия, однако, и приводит к недостаткам - не проводящий слой оксида резко ухудшает токопроводящие свойства покрытий.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение устойчивости покрытия к окислению, повышение коррозийной стойкости и ресурса работы и сохранение токопроводящих свойств, присущих неокисленному металлу.
Технический результат достигается тем, что способ защиты от окисления биполярных пластин топливных элементов и коллекторов тока электролизеров с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) заключается в том, что предварительно обрабатывают металлическую подложку, наносят на обработанную металлическую подложку электропроводное покрытие благородных металлов методом магнетронно-ионного напыления, при этом электропроводное покрытие наносят послойно с закреплением каждого слоя импульсной имплантацией ионов кислорода или инертного газа.
В предпочтительном варианте в качестве благородных металлов используют платину, или палладий, или иридий, или их смесь. Импульсную имплантацию ионов производят с постепенным снижением энергии ионов и дозы. Общая толщина покрытия составляет от 1 до 500 нм. Последовательно напыляемые слои имеют толщину от 1 до 50 нм. В качестве инертного газа используют аргон, или неон, или ксенон, или криптон. Энергия имплантируемых ионов составляет от 2 до 15 кэВ, а доза имплантируемых ионов - до 10 15 ионов/см 2 .
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами и таблицей, где показано следующее.
На фиг. 1 - распределение атомов платины и титана, перемещенных в результате воздействия имплантации аргона (расчет программой SRIM).
На фиг. 2 - срез титановой подложки с напыленной платиной до имплантации аргона, где
1 - титановая подложка;
2 - слой платины;
3 - поры в платиновом слое.
На фиг. 3 - срез титановой подложки с напыленной платиной после имплантации аргона, где:
1 - титановая подложка;
4 - промежуточный титаново-платиновый слой;
5 - платиновое покрытие.
В таблице приведены характеристики всех примеров реализации заявленного изобретения и прототипа.
Осуществление и примеры реализации изобретения
В основе метода магнетронно-ионного напыления лежит процесс, основанный на образовании над поверхностью катода (мишени) кольцеобразной плазмы в результате столкновения электронов с молекулами газа (обычно аргона). Положительные ионы газа, образующиеся в разряде, при подаче отрицательного потенциала на подложку разгоняются в электрическом поле и выбивают атомы (или ионы) материала мишени, которые осаждаются на поверхности подложки, образуя на ее поверхности пленку.
Достоинствами метода магнетронно-ионного напыления являются:
Высокая скорость распыления осаждаемого вещества при низких рабочих напряжениях (400-800 В) и при небольших давлениях рабочего газа (5·10 -1 -10 Па);
Возможность регулирования в широких пределах скорости распыления и осаждения распыленного вещества;
Малая степень загрязнения осаждаемых покрытий;
Возможность одновременного распыления мишеней из разного материала и, как следствие, возможность получения покрытий сложного (многокомпонентного) состава.
Относительная простота реализации;
Невысокая стоимость;
Простота масштабирования.
В то же время, образующееся покрытие отличается наличием пористости, обладает невысокой прочностью и недостаточно хорошим сцеплением с материалом подложки вследствие малой кинетической энергии распыленных атомов (ионов), составляющей примерно 1-20 эВ. Такой уровень энергии не позволяет обеспечить проникновение атомов напыляемого материала в приповерхностные слои материала подложки и обеспечить создание промежуточного слоя с высоким сродством к материалу подложки и покрытия, высокой коррозионной стойкостью и относительно низким сопротивлением даже при образовании оксидной поверхностной пленки.
В рамках заявленного изобретения задача повышения стойкости и сохранения токопроводящих свойств электродов и защитных покрытий конструкционных материалов решается путем воздействия на покрытие и подложку потока ускоренных ионов, осуществляющих перемещение материала покрытия и подложки на атомном уровне, ведущее к взаимопроникновению материала подложки и покрытия, в результате чего происходит размывание границы раздела покрытия и подложки с образованием фазы промежуточного состава.
Тип ускоренных ионов и их энергия подбирается в зависимости от материала покрытия, его толщины и материала подложки таким образом, чтобы вызывать перемещение атомов покрытия и подложки и их перемешивание на границе раздела фаз при минимальном распылении материала покрытия. Подбор производится с помощью соответствующих расчетов.
На фиг. 1 приведены расчетные данные по перемещению атомов покрытия, состоящего из платины толщиной 50А и атомов подложки, состоящей из титана при воздействии ионов аргона с энергией 10 кэВ. Ионы с меньшей энергией на уровне 1-2 кэВ не достигают границы раздела фаз и не обеспечат эффективное перемешивание атомов для такой системы на границе раздела фаз. Однако при энергии свыше 10 кэВ происходит существенное распыление платинового покрытия, что отрицательно влияет на ресурс изделия.
Таким образом, в случае однослойного покрытия большой толщины и большой энергии, требуемой для проникновения имплантируемых ионов до границы раздела фаз, происходит распыление атомов покрытия и потери драгметаллов, в случае небольшой толщины покрытия при оптимальной энергии ионов происходит проникновение атомов покрытия в материал подложки, перемешивание материала подложки и покрытия и увеличение прочности покрытия. Однако такая малая (1-10 нм) толщина покрытия не обеспечивает длительного ресурса изделия. С целью увеличения прочности покрытия, его ресурса и уменьшения потерь при распылении импульсная имплантация ионов производится при послойном (толщина каждого слоя 1-50 нм) нанесении покрытия с постепенным снижением энергии ионов и дозы. Снижение энергии и дозы позволяет практически исключить потери при распылении, но позволяет обеспечить требуемое сцепление наносимых слоев с подложкой, на которую уже нанесен такой же металл (отсутствие раздела фаз) повышает их однородность. Все это также способствует повышению ресурса. Следует отметить, что пленки толщиной 1 нм не дают существенного (требуемого для коллекторов тока) увеличения ресурса изделия, а предлагаемый метод заметно увеличивает их стоимость. Пленки толщиной более 500 нм также следует считать экономически не рентабельными, т.к. существенно растет расход металлов платиновой группы, а ресурс изделия в целом (электролизера) начинает ограничиваться другими факторами.
При многократном нанесении слоев покрытия обработка ионами более высокой энергии целесообразна только после нанесения первого слоя толщиной 1-10 нм, а при обработке последующих слоев толщиной до 10-50 нм для их уплотнения достаточно ионов аргона с энергией 3-5 кэВ. Имплантация ионов кислорода при нанесении первых слоев покрытия наряду с решением вышеназванных проблем позволяет создать коррозионно-стойкую оксидную пленку на поверхности, легированную атомами покрытия.
Пример 1 (прототип).
Образцы титановой фольги марки ВТ1-0 площадью 1 см 2 , толщиной 0,1 мм и пористого титана марки ТПП-7 площадью 7 см 2 помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 450°С 20 минут.
Образцы поочередно зажимают в рамку и устанавливают в специальный держатель образца установки магнетронно-ионного распыления МИР-1 со съемной платиновой мишенью. Камеру закрывают. Включают механический насос и производят откачку воздуха из камеры до давления ~10 -2 Торр. Откачку воздуха камеры перекрывают и открывают откачку диффузионного насоса и включают его прогрев. Примерно через 30 минут диффузионный насос выходит на рабочий режим. Открывают откачку камеры через диффузионный насос. После достижения давления 6×10 -5 Торр открывают напуск аргона в камеру. Натекателем устанавливают давление аргона 3×10 -3 Торр. Плавным увеличением напряжения на катоде зажигают разряд, устанавливают мощность разряда 100 Вт, подают напряжение смещения. Открывают заслонку между мишенью и держателем и начинают отсчет времени обработки. Во время обработки контролируют давление в камере и ток разряда. По истечении 10 мин обработки выключают разряд, отключают вращение, перекрывают подачу аргона. Через 30 мин перекрывают откачку камеры. Выключают нагрев диффузионного насоса и после его остывания выключают механический насос. Камеру открывают на атмосферу и производят извлечение рамки с образцом. Толщина напыленного покрытия составила 40 нм.
Полученные материалы с покрытиями могут использоваться в электрохимических ячейках, в первую очередь в электролизерах с твердым полимерным электролитом, в качестве катодных и анодных материалов (коллектора тока, биполярные пластины). Максимальные проблемы вызывают анодные материалы (интенсивное окисление), в связи с этим ресурсные испытания проводились при их использовании в качестве анодов (то есть при положительном потенциале).
К полученному образцу титановой фольги методом точечной сварки приваривают токоподвод и помещают в качестве исследуемого электрода в трехэлектродную ячейку. В качестве противоэлектрода используют Pt фольгу площадью 10 см 2 , в качестве электрода сравнения используют стандартный хлорсеребряный электрод, соединенный с ячейкой через капилляр. В качестве электролита используют раствор 1М H 2 SO 4 в воде. Измерения проводят с помощью прибора АЗРИВК 10-0,05А-6 В (производства ООО «Бустер», Санкт-Петербург) в гальваностатическом режиме, т.е. на исследуемый электрод подают положительный потенциал постоянного тока, необходимый для достижения величины тока 50 мА. Испытания заключаются в измерении изменения потенциала, необходимого для достижения данного тока, во времени. При превышении потенциала выше величины 3,2 В ресурс электрода считается исчерпанным. Полученный образец имеет ресурс 2 часа 15 минут.
Примеры 2-16 осуществления заявленного изобретения.
Образцы титановой фольги марки ВТ1-0 площадью 1 см 2 , толщиной 0,1 мм и пористого титана марки ТПП-7 площадью 7 см 2 кипятят в изопропиловом спирте в течение 15 минут. Затем спирт сливают и образцы кипятят 2 раза по 15 минут в деионизированной воде со сменой воды между кипячениями. Образцы нагревают в растворе 15%-ной соляной кислоты до 70°С и выдерживают при данной температуре в течение 20 минут. Затем кислоту сливают и образцы кипятят 3 раза по 20 минут в деионизированной воде со сменой воды между кипячениями.
Образцы поочередно помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с платиновой мишенью и наносят платиновое покрытие. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 420 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.86 Па. За 15 минут напыления получают покрытие толщиной 60 нм. Полученное покрытие подвергается действию потока ионов аргона методом плазменной импульсной ионной имплантации.
Имплантация производится в потоке ионов аргона с максимальной энергией ионов 10 кэВ средняя энергия - 5 кэВ. Доза за время воздействия составила 2*10 14 ионов /см 2 . Вид сечения покрытия после имплантации приведен на фиг. 3.
Полученный образец испытывают в трехэлектродной ячейке, процесс аналогичен приведенному в примере 1. Полученный образец имеет ресурс 4 часа. Для сравнения данные по ресурсу титановой фольги с исходной напыленной пленкой платины (60 нм) без имплантации аргона составляет 1 час.
Примеры 3-7.
Процесс аналогичен приведенному в примере 2, но варьируют дозу имплантации, энергию ионов и толщину покрытия. Доза имплантации, энергия ионов, толщина покрытия, а также ресурс работы полученных образцов приведены в таблице 1.
Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы с толщиной напыленного слоя до 15 нм обрабатывают в потоке криптона с максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозой 6*10 14 ионов/см 2 . Полученный образец имеет ресурс 1 часа 20 минут. По данным электронной микроскопии, толщина слоя платины сократилась до величины 0-4 нм, но при этом образовался слой титана с внедренными в него атомами платины.
Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы с толщиной напыленного слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозой 6*10 14 ионов/см 2 . После нанесения второго слоя толщиной 10 нм проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5 кэВ и дозой 2*10 14 ион/см 2 , а затем 4 раза повторяют напыление с толщиной нового слоя по 15 нм, и каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*10 13 ион/см 2 . Полученный образец имеет ресурс 8 часов 55 минут.
Пример 10.
Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы с толщиной напыленного слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов кислорода максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозой 2*10 14 ион/см 2 . После нанесения второго слоя толщиной 10 нм проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5кэВ и дозой 1*10 14 ион/см 2 , а затем 4 раза повторяют напыление с толщиной нового слоя 15 нм, при этом каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 5 кэВ и дозой 8*10 13 ион/см 2 (чтобы не было распыления!). Полученный образец имеет ресурс 9 часов 10 минут.
Пример 11.
Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с иридиевой мишенью и наносят иридиевое покрытие. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 440 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.71 Па. Скорость напыления обеспечивает образование покрытия толщиной 60 нм за 18 минут. Полученное покрытие подвергается действию потока ионов аргона методом плазменной импульсной ионной имплантации.
Образцы с толщиной первого напыленного слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозе 2*10 14 ион/см 2 . После нанесения второго слоя толщиной 10 нм проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5-10 кэВ и дозой 2*10 14 ион/см 2 , а затем 4 раза повторяют напыление с толщиной нового слоя по 15 нм, каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*10 13 ион/см 2 . Полученный образец имеет ресурс 8 часов 35 минут.
Пример 12.
Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с мишенью из сплава платины с иридием (сплав ПлИ-30 по ГОСТ 13498-79), наносят покрытие, состоящее из платины и иридия. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 440 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.69 Па. Скорость напыления обеспечивает образование покрытия толщиной 60 нм за 18 минут. Полученное покрытие подвергается действию потока ионов аргона методом плазменной импульсной ионной имплантации.
Образцы с толщиной напыленного слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозе 2*10 14 ион/см 2 , а затем 5 раз повторяют напыление с толщиной нового слоя 10 нм. После нанесения второго слоя проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5-10 кэВ и дозой 2*10 14 ион/см 2 , а каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*10 13 ион/см 2 . Полученный образец имеет ресурс 8 часов 45 минут.
Пример 13.
Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с палладиевой мишенью и наносят палладиевое покрытие. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 420 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.92 Па. За 17 минут напыления получают покрытие толщиной 60 нм. Образцы с толщиной напыленного первого слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозе 2*10 14 ион/см 2 . После нанесения второго слоя толщиной 10 нм проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5-10 кэВ и дозой 2*10 14 ион/см 2 , а затем 4 раза повторяют напыление с толщиной нового слоя по 15 нм, каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*10 13 ион/см 2 . Полученный образец имеет ресурс 3 часа 20 минут.
Пример 14.
Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с мишенью, состоящей из платины, включающей 30% углерода, и наносят покрытие состоящее из платины и углерода. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 420 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.92 Па. За 20 минут напыления получают покрытие толщиной 80 нм. Образцы с толщиной напыленного слоя 60 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозе 2*10 14 ион/см 2 , а затем 5 раз повторяют напыление с толщиной нового слоя 10 нм. После нанесения второго слоя проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5-10 кэВ и дозой 2*10 14 ион/см 2 , а каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*10 13 ион/см 2 . Полученный образец имеет ресурс 4 часа 30 минут.
Пример 15.
Процесс аналогичен приведенному в примере 9 и отличается тем, что напыляют 13 слоев, толщина первого и второго по 30 нм, последующих по 50 нм, энергию ионов последовательно снижают от 15 до 3 кэВ, дозу имплантации - от 5·10 14 до 8·10 13 ион/см 2 . Полученный образец имеет ресурс 8 часов 50 минут.
Пример 16.
Процесс аналогичен приведенному в примере 9 и отличается тем, что толщина первого слоя составляет 30 нм, последующих шести слоев по 50 нм, доза имплантации от 2·10 14 до 8·10 13 ион/см 2 . Полученный образец имеет ресурс 9 часа 05 минут.
Таким образом, заявленный способ защиты от окисления биполярных пластин ТЭ и коллекторов тока электролизеров с ТПЭ позволяет получить устойчивое покрытие с ресурсом работы, в 4 раза превышающим полученный по прототипу, и сохраняющее токопроводящие свойства.
1. Способ защиты от окисления биполярных пластин топливных элементов и коллекторов тока электролизеров с твердым полимерным электролитом (ТПЭ), заключающийся в предварительной обработке металлической подложки, нанесении на обработанную металлическую подложку электропроводного покрытия благородных металлов методом магнетронно-ионного напыления, отличающийся тем, что наносят на обработанную подложку электропроводное покрытие послойно с закреплением каждого слоя импульсной имплантацией ионов кислорода или инертного газа.
2. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что в качестве благородных металлов используют платину, или палладий, или иридий, или их смесь.
3. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что импульсную имплантацию ионов производят с постепенным снижением энергии ионов и дозы.
4. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что общая толщина покрытия составляет от 1 до 500 нм.
5. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что последовательно напыляемые слои имеют толщину от 1 до 50 нм.
6. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон, или неон, или ксенон, или криптон.
7. Способ защиты по п. 1 отличающийся тем, что энергия имплантируемых ионов составляет от 2 до 15 кэВ.
8. Способ защиты по п. 1 отличающийся тем, что доза имплантируемых ионов составляет до 10 15 ионов/см 2 .
Похожие патенты:
Изобретение относится к области электротехники, а именно к батареи трубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которая включает в себя по меньшей мере два узла трубчатых твердооксидных топливных элементов, по меньшей мере один общий токоотвод и держатель для удержания секции узлов топливного элемента и общего токоотвода в соединении с ними с точной посадкой, при этом коэффициент термического расширения держателя меньше или равен коэффициенту термического расширения узлов топливных элементов.
Изобретение относится к полимерным мембранам для низко- или высокотемпературных полимерных топливных элементов. Протонопроводящая полимерная мембрана на основе полиэлектролитного комплекса, состоящего из: а) азотсодержащего полимера, такого как поли-(4-винилпиридин) и его производные, полученные посредством алкилирования, поли-(2-винилпиридин) и его производные, полученные посредством алкилирования, полиэтиленимин, поли-(2-диметиламино)этилметакрилат)метил хлорид, поли-(2-диметиламино)этилметакрилат)метил бромид, поли-(диаллилдиметиламмоний) хлорид, поли-(диаллилдиметиламмоний) бромид, б) Нафиона или другого нафионподобного полимера, выбранного из группы, включающей Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta и ионообменные смолы, содержащие карбоксильные и сульфоновые группы; в) жидкой смеси, включающей растворитель, выбранный из группы, включающей метанол, этиловый спирт, н-пропиловый спирт, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, изобутиловый спирт, трет-бутиловый спирт, формамиды, ацетамиды, диметилсульфоксид, N-метилпирроллидон, а также дистиллированную воду и их смеси; в которой молярное отношение азотсодержащего полимера к Нафиону или нафионподобному полимеру находится в пределах 10-0,001.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к получению оксидной пленки электролита толщиной, соизмеримой с размером пор материала электрода, более простым и технологичным, а также более экономичным способом, чем ионно-плазменный.
Изобретение предусматривает газодиффузионную среду для топливного элемента, которая имеет низкую воздухопроницаемость в плоскости и хорошее свойство дренажа и способна проявлять высокие эксплуатационные характеристики топливного элемента в широком температурном диапазоне от низких до высоких температур.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления каталитического электрода мембрано-электродного блока, преимущественно для водородных и метанольных топливных элементов.
Владельцы патента RU 2267833:
Изобретение относится к автомобилестроению, судостроению, энергетической, химической и электрохимической отраслям промышленности, в частности при электролизе для получения хлора, и может найти применение при производстве топливных элементов с мембранно-электродным блоком. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, улучшение эксплуатационных свойств и характеристик биполярных пластин и топливного элемента в целом, получение биполярных пластин с токоведущими выступами произвольной формы и расположения с высотой выступов от 0,3 до 2,0 мм, а также повышение эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции, повышение коррозионной стойкости по периферии с технологической нагрузкой, которая составляет с центральной электропроводящей частью, имеющей функциональную нагрузку, единое целое. Биполярная пластина, состоящая из периферийных частей с отверстиями и центральной части с токоведущими выступами произвольной формы, вершины которых расположены в одной плоскости с периферийными частями, при этом токоведущие выступы выполнены с заданной площадью основания, с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм. Способ получения биполярной пластины включает приготовление термоотверждаемой смолы заданного состава в летучем растворителе с углеродным наполнителем, перемешивание, сушку, отжиг и прессование путем многократного нагружения до давления 15-20 МПа при температуре отверждения смолы. При этом отжиг смеси проводят при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения смеси. При приготовлении смеси углеродных порошков с растворителем соотношение твердой и жидкой фаз находится в диапазоне от 1:3 до 1:5. В состав исходной смеси для прессования добавляют 0,1-3% порообразователя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к автомобилестроению, судостроению, энергетической, химической и электрохимической отраслям промышленности, в частности при электролизе для получения хлора, и может найти применение при производстве топливных элементов с мембранно-электродным блоком.
Известны биполярные пластины, состоящие из центральной и периферийных частей, расположенных вокруг центральной части. На центральной части с одной или с двух сторон расположены для распределения потоков газообразных реагентов продольные параллельные лабиринтные канавки, образующие между собой функциональные токоведущие выступы с вершинами, расположенными в одной плоскости, с одним центральным и двумя диагональными отверстиями для циркуляции и распределения потоков электролита. На периферийных частях пластин расположены сквозные отверстия для их сборки в пакет. Периферийная и центральная части разделены уплотняющим элементом по периметру центральной части. При этом для организованного распределения потоков газообразных реагентов продольные параллельные канавки, как и функциональные токоведущие выступы, имеют лабиринтное направление от центрального отверстия к периферийным отверстиям или наоборот, см. рекламный каталог фирмы Schunk KOHLNSTOFF GmbH.
Недостатками известных биполярных пластин топливного элемента являются снижение эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции на экранируемых участках пористого коллектора тока и, как следствие, снижение плотности тока ячейки топливного элемента при заданном напряжении, возможность перекрывания каналов каплями конденсирующейся воды при флуктуациях в температурном режиме топливного элемента и/или водном балансе системы, что также ведет к снижению эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции по этим каналам и, как следствие, снижению плотности тока ячейки топливного элемента при заданном напряжении.
Известен способ получения биполярных пластин, включающий приготовление смеси термоотверждаемой смолы определенного состава в летучем растворителе, перемешивание углеродного наполнителя с приготовленным раствором до однородного состояния, сушку, прессование и термоотверждение (заявка на патент США №US 2002/0037448 A1 от 28.03.2002, МКИ Н 01 М 8/02; Н 01 В 1/4; Н 01 В 1/20).
Недостатком известного способа является проведение термоотверждения не одновременно, а после прессования изделия. Кроме того, низкотемпературная сушка смеси не обеспечивает удаления большого количества летучих компонентов из связующего, что приводит к непропрессовке микрообъемов в материале биполярных пластин, особенно в местах токоведущих выступов, служащих для обеспечения электрического контакта и механического прижима коллектора тока к каталитическому слою, что приводит к образованию дефектных мест в основании выступов и разрушению последних под воздействием рабочей нагрузки при сборке и эксплуатации батареи топливных элементов.
Ближайшим техническим решением являются биполярные пластины и способ их изготовления, состоящие из центральной и периферийных частей, расположенных противоположно относительно центральной части. На центральной части с одной или с двух сторон для распределения потоков газообразных реагентов расположены продольные параллельные канавки, образующие между собой токоведущие выступы с вершинами, расположенными в плоскости периферийных частей пластин, и их соединяющие. На периферийных частях пластин расположены сквозные отверстия, которые после сборки в пакет со смежными пластинами образуют продольные каналы для улучшения циркуляции и распределения потоков электролита. Способ получения биполярных пластин включает смешение порошковых углеграфитовых компонентов и термопластичного связующего, стойкого к коррозии, холодное прессование порошкообразной смеси в форме при 14500 кПа, нагревание при 150°С, снижение давления при 2000 кПа, повышение температуры до 205°С, доведение давления снова до 14500 кПа, с конечной фазой постепенного снижения давления и температуры. См. описание к патенту RU №2187578 С2, МПК 7 С 25 В 9/04, 9/00.
Недостатками известных биполярных пластин являются равномерное распределение потока только на коротком участке, определенном длиной средней части, и ограниченное пространство для распределения потоков газообразных реагентов, определенное количеством продольных параллельных канавок. Недостатком известного способа получения биполярных пластин является сложная технология изготовления, которая приводит к снижению эффективности формирования токоведущих выступов и дополнительным затратам.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, улучшение эксплуатационных свойств и характеристик биполярных пластин и топливного элемента в целом, получение биполярных пластин с токоведущими выступами произвольной формы и расположения с высотой выступов от 0,3 до 2,0 мм, а также повышение эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции, повышение коррозионной стойкости по периферии с технологической нагрузкой, которая составляет с центральной электропроводящей частью, имеющей функциональную нагрузку, единое целое. Технический результат достигается тем, что в биполярной пластине, состоящей из периферийных частей с отверстиями и центральной части с токоведущими выступами, вершины которых расположены в одной плоскости с периферийными частями, токоведущие выступы выполнены с заданной геометрической площадью основания, с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм, выполнены с основанием в виде круга или квадрата, или прямоугольника, или элипса, или ромба, или трапеции, или их сочетаний, токоведущие выступы выполнены в форме усеченной пирамиды, или цилиндра, или конуса, или пирамиды; токоведущие выступы выполнены в виде призмы с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм, прчем токоведущие выступы расположены произвольно или упорядоченно, или в шахматном, или ромбическом, или круговом, или спиральном, или лабиринтном порядке их расположения, а в способе получения биполярных пластин, включающем приготовление смеси термоотверждаемой смолы заданного состава в летучем растворителе, вводение углеродного наполнителя и перемешивание их до однородного состояния, сушку, прессование и термоотверждение, смесь перед прессованием подвергают сушке с последующим отжигом при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения смеси, а прессование ведут многократным нагружением до давления 15-20 МПа, при этом одновременно нагревают до отверждения смеси, отжиг осуществляют с постепенным повышением температуры в течение 10,0-15,0 ч и последующей выдержкой при этой температуре в течение 1,0-2,0 ч, а прессование ведут при температуре рабочего органа прессующего агрегата в 1,5-2,0 раза выше температуры отжига, соотношение "т:ж" при формировании смеси углеродных порошков с растворителем термоотверждаемой смолы выбирают в диапазоне от 1:3 до 1:5, в состав исходной смеси для прессования добавляют 0,1-3,0% порообразователя.
Это позволит обеспечить равномерное распределение реагентов по поверхности ячейки топливного элемента и эффективный отвод продуктов реакции и, как следствие этого, повысить плотность тока на ячейке топливного элемента при заданном напряжении.
В способе получения биполярных пластин, включающем приготовление смеси термоотверждаемой смолы определенного состава в летучем растворителе, введение углеродного наполнителя и их перемешивание до однородного состояния, сушку, прессование и термоотверждение, смесь перед прессованием подвергают сушке с последующим отжигом при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения смеси, а прессование ведут многократным нагружением до давления 15-20 МПа одновременно с нагревом, соответствующим отверждению смеси. При этом отжиг осуществляют с постепенным повышением температуры в течение 10,0-15,0 ч и последующей выдержкой при этой температуре в течение 1,0-2,0 ч, а прессование ведут при температуре рабочего органа прессующего агрегата в 1,5-2,0 раза выше температуры отжига. Соотношение "т:ж" (твердой и жидкой фаз) при формировании смеси углеродных порошков с растворителем термоотверждаемой смолы (ацетоном) варьируется в диапазоне от 1:2 до 1:5, а в состав исходной смеси для прессования добавляют 0,1-3,0% (масс.) порообразователя.
Необходимость использования термоотверждаемой смолы вызвана установленным экспериментально фактом отсутствия должного уплотнения областей токоведущих выступов при прессовании углеродсодержащих БП на термопластичном связующем, что выражалось в слабой адгезии токоведущих выступов к телу пластины и их отслоении. Наличие в смеси для прессования термоотверждаемой смолы любого состава позволяет в этом случае формировать бездефектные токоведущие выступы и БП в целом по механизму спекания с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления несмотря на продолжающийся нагрев.
Последовательность основных операций, происходящих в ходе биполярных пластин, выглядит следующим образом: формируют на поверхности частиц углеродного наполнителя тонкого слоя полимерного термоотверждаемого связующего во время подготовки смеси, ее сушки и последующего отжига, уплотнение смеси, появление жидкой фазы из-за плавления слоя связующего на частицах наполнителя, дальнейшее уплотнение изделия за счет усадки, характерной для жидкофазного спекания, термоотверждение связующего и изделия в целом.
Необходимость отжига перед прессованием обусловлена наличием в агломерированных смесях большого количества летучих компонентов, препятствующих эффективному прессованию. Более высокая температура отжига может привести к нежелательным процессам преждевременного отверждения связующего в отдельных микрообъемах смеси, а более низкотемпературный отжиг оказывается неэффективным.
Важным параметром является давление прессования. Для смесей углеродных дисперсных наполнителей и термоотверждаемого связующего давление прессования зависит от конкретного вида наполнителя и не должно превышать значения, выше которого происходит выдавливание жидкого связующего из смеси - 20 МПа. Низкое давление прессования (менее 15 МПа) не обеспечивает эффективное уплотнение БП, особенно в области токоведущих выступов.
Проведение прессования одновременно с нагревом пресс-формы со смесью под отверждение позволяет реализовать стадию 4 из указанной выше последовательности явлений, происходящих в ходе формирования пластин.
Конструктивное выполнение биполярной пластины иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид биполярной пластины, а на фиг.2 - сечение пластины по А-А с токоведущими выступами, выполненными в виде, например, цилиндра, на фиг.3 - сечение пластины по А-А с токоведущими выступами, выполненными в виде, например, конуса или пирамиды.
Биполярная пластина состоит из центральной части 1 и периферийной части 2. Центральная часть имеет выступы 3, вершины которых находятся в одной плоскости с периферийной частью, высотой от 0,3 до 2 мм и диаметром в основании 0,5-3,0 мм. Выступы расположены в линейном порядке по вертикали и горизонтали с шагом 1,0-4,0 мм и позволяют при большей развитой площади и объеме прохождения потоков газообразных реагентов распределить возникающие напряжения (давления) по всем направлениям. Возможен шахматный, ромбический, круговой, спиральный или лабиринтный порядок расположения выступов. А сами выступы могут иметь форму цилиндра, усеченной пирамиды, призмы, и/или усеченного конуса. Экспериментально было установлено, что в зависимости от приведенных диаметров выступов, их высоты и шагом между центрами выступов - оптимальная форма токоведущих выступов различается, потому что они по-разному оптимизируют потоки реагентов, эффективность теплообмена и электропроводность. Так, в частности, для шага 1 мм оптимальной является форма усеченной пирамиды. Для выступов с диаметром основания 0,5 мм, оптимальной является форма эллипса. Для токоведущих выступов с высотой 0,3 мм, оптимальной является форма цилиндра. Для конкретных режимов работы (сила тока, напряжение, поток реагента, размер ячейки и др.) подбор оптимальной формы токоведущих выступов и их геометрических размеров проводят индивидуально.
Биполярные пластины изготавливают следующим образом.
Комбинацию углеродных дисперсных компонентов смешивают для образования однородной смеси с определенным количеством раствора термоотверждаемой смолы. В виде углеродных дисперсных компонентов могут быть графит, сажа, рубленое волокно, измельченный кокс и т.д. Приготовленную смесь при периодическом перемешивании помещают на сушку при комнатной температуре для удаления основного количества летучих составляющих. Таким образом можно получать полуфабрикат в виде, например, гранул для последующего процесса изготовления БП. Далее, после визуального осмотра, сухую смесь отжигают при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения. Затем отожженную смесь прессуют при давлении 15-20 МПа в пресс-форме, пуансоны которой выполнены с углублениями, формирующими токоведущие выступы во время прессования и отверждения. Одновременно с прессованием проводят нагрев пресс-формы со смесью от температуры отжига до температуры отверждения. После выдержки при температуре отверждения 0,5-1 ч пресс-форму извлекают из пресса и охлаждают на воздухе, а затем распрессовывают с использованием специального приспособления.
Важным свойством биполярной пластины является структура ее поверхности. Для получения более высоких характеристик топливного элемента целесообразно, чтобы поверхность, по которой между токоведущими выступами проходят рабочие газы, имела определенную шероховатость и микропористость. В этом случае вода, образующаяся в результате реакции между газами, частично скапливается в приповерхностных порах и тем самым увеличивает влажность газов, что положительно влияет на удельные энергетические характеристики топливного элемента. Формирование нужной структуры приповерхностного слоя по предложенному способу в отличие от прототипа происходит путем введения в состав исходной смеси для прессования 0,1-3,0% (масс.) по отношению к твердой составляющей смеси («т») порообразователя (карбоната аммония, полиэтиленгликоля, полиэтилена). Введенный в состав исходной смеси порообразователь для осаждения воды не влияет на отверждение связующего и, разлагаясь в процессе термообработки, прессовки при отверждении, формирует микропористую структуру пластины, а следовательно, и приповерхностного слоя (на глубину 1-2 мкм).
Уменьшение содержания порообразователя менее 0,1% практически не влияет на микропористость и шероховатость приповерхностного слоя, а увеличение содержания порообразователя свыше 3,0% нецелесообразно из-за уменьшения механической прочности и возможного возникновения сквозной проницаемости пластин.
Способ получения биполярной пластины иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Для изготовления одной БП (с цилиндрическими токоведущими выступами, расположенными линейно, диаметром 0,5 мм, высотой 0,5 мм, с расстоянием между центрами выступов 1,0 мм) размером 100×100 мм, толщиной 7 мм и массой 115 г приготавливают смесь следующего состава с соотношением «т:ж»=1.33:3.00
Графит марки KS-10 - 98 г
Сажа марки ПМ-100 - 1 г
Бакелитовый лак марки ЛБС-1 - 34 г
Ацетон - 300 г.
В мерном стакане смешивают указанное количество бакелитового лака и, например, ацетона до однородно окрашенного раствора. Навеску порошка графита и сажу предварительно перемешивают всухую до состояния однородной смеси. Далее помещают смесь порошков и раствор бакелитового лака в емкость для перемешивания и механически перемешивают 5-10 мин до состояния однородности. Затем оставляют смесь под тягой вытяжного шкафа для высыхания при комнатной температуре в течение 12-15 ч до визуально сухого состояния, по мере высыхания периодически перемешивая смесь и растирая крупные (более 2-3 мм) агломераты через металлическую сетку с размером ячейки 2 мм. Навеску сухой смеси засыпают в пресс-форму, устанавливают пресс-форму в печь и нагревают до температуры 90°С в течение 13,5-14 ч с последующей выдержкой при этой температуре в течение 2 ч. Далее извлекают садку из печи и помещают ее в разогретый до 170°С гидравлический пресс. Прессовали на прессе рывками (это скорость нагружения) по 1-2 сек примерно до усилия 22 т. После примерно 5 сек выдержки снова увеличивают усилие до 22-25 т. Оставляют садку под прессом в течение 1 ч, после чего извлекают пресс-форму из пресса и оставиляют охлаждаться при комнатной температуре. После остывания разгружают пресс-форму на ручном винтовом прессе с помощью 4-х стальных выталкивателей. Визуальный контроль качества БП указывает на отсутствие на поверхности пластины (в том числе в области токоведущих выступов) царапин, дефектов и трещин, расслоений материала БП на границе между областью токоведущих выступов и основой БП. При осмотре пластины после проведения испытания на прочность (пластину помещают между стальными плитами и подвергают сжатию с усилием 5 т (давление 5 МПа), что соответствует рабочему усилию в топливном элементе в течение 1 ч) изменений и дефектов не обнаружено. Величина объемного удельного сопротивления составила 0,025 Ом·см.
Пример 2. Биполярную пластину изготавливают из композиции и по методике, аналогичной примеру 1 с выступами, имеющими форму усеченного конуса с диаметром в основании 3,0 мм, на вершине 2,5 мм, высотой 2,0 мм, с расстоянием между центрами выступов 4,0 мм.
До и после проведения испытаний на прочность дефектов поверхности и выступов не обнаруживают. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,030 Ом·см.
Пример 3. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1, но в качестве термоотверждаемого связующего используют эпоксифенольное связующее №560 производства ФГУП ГНЦ «ВИАМ» в количестве 31 г.
До и после проведения испытаний на прочность дефектов поверхности и выступов не обнаруживают. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,017 Ом·см.
Пример 4. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1, в исходную смесь для прессования добавляют порообразователь - порошок полиэтилена высокого давления в количестве 3,5 г (3,0 мас.%). До и после проведения испытаний на прочность дефектов поверхности и выступов не обнаруживают. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,028 Ом·см. Пористость приповерхностного слоя (глубиной до 100 мкм), измеренная по сорбции воды, составляет 2,8%.
Пример 5. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией, аналогичной примеру 1, из композиции и по методике, описанной в примере 9.
До проведения испытаний на прочность обнаружено до 10% разрушенных и дефектных выступов, после них количество разрушенных выступов составляет около 30%. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,025 Ом·см.
Пример 6. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1 (токоведущие выступы расположены линейно), испытывают в ячейке топливного элемента при следующих условиях:
Мембрана - МФ4-СК толщиной 135 мкм
Катализатор - Pt 40 /C в количестве 2.5 мг/см 2
Топливо - водород при давлении 2 ати
Окислитель - кислород при давлении 3 ати
Температура работы ячейки - 85°С
Реакция на аноде: H 2 →2H + +2е -
Реакция на катоде: О 2 +4е - +4H + →2Н 2 О
Суммарная реакция: О 2 +2Н 2 →2Н 2 О
При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляет 1,1 А/см 2 .
Пример 7. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1, но токоведущие выступы располагают ромбически и испытывают в ячейке топливного элемента при условиях, аналогичных примеру 6. При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляет 1,25 А/см 2 .
Пример 8. Биполярную пластину изготавливают из композиции и по методике, аналогичной примеру 1, выступы выполняют в форме призмы с диаметром 2 мм, высотой 1.5 мм, с расстоянием между центрами выступов 3,0 мм, а токоведущие выступы располагают ромбически и испытания проводят в ячейке топливного элемента при условиях, аналогичных примеру 6. При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляла 0,95 А/см 2 .
Пример 9. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией, аналогичной известному техническому решению, из композиции и по методике, описанной в примере 9, испытания проводят в ячейке топливного элемента при условиях, аналогичных примеру 6. При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляла 0,9 А/см 2 . Экспериментально установлено, что в зависимости от приведенных диаметров выступов, их высоты и шагом между центрами выступов оптимальная форма токоведущих выступов различается, потому что они по-разному оптимизируют потоки реагентов, эффективность теплообмена и электропроводность. Так, в частности, для шага 1 мм оптимальной является форма усеченной пирамиды. Для выступов с диаметром основания 0,5 мм оптимальной является форма эллипса. Для токоведущих выступов с высотой 0,3 мм оптимальной является форма цилиндра. Для конкретных режимов работы (сила тока, напряжение, поток реагента, размер ячейки и др.) подбор оптимальной формы токоведущих выступов и их геометрических размеров проводят индивидуально.
Изобретения позволяет расширить функциональные возможности, улучшить эксплуатационные свойства и характеристики биполярных пластин и топливного элемента в целом и получить биполярные пластины с токоведущими выступами произвольной формы и расположения с высотой выступов от 0,3 до 2,0 мм, а также повысить эффективность транспорта реагентов и отвода продуктов реакции, повышение коррозионной стойкости по периферии с технологической нагрузкой, которая составляет с центральной электропроводящей частью, имеющей функциональную нагрузку, единое целое.
1. Биполярная пластина для топливного элемента, состоящая из периферийных частей с отверстиями и центральной части с токоведущими выступами, вершины которых расположены в одной плоскости с периферийными частями, отличающаяся тем, что токоведущие выступы выполнены с заданной площадью основания с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм.
2. Биполярная пластина по п.1, отличающаяся тем, что токоведущие выступы выполнены с основанием в виде круга, или квадрата, или прямоугольника, или эллипса, или ромба, или трапеции, или их сочетаний.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в топливных элементах. Биполярная пластина топливного элемента включает в себя пластину, пространство протекания текучей среды, сформированное на обеих боковых сторонах пластины, сетку направления текучей среды, установленную в пространстве протекания текучей среды. На пластине сформированы впускной канал, соединенный с пространством протекания текучей среды, и выпускной канал, соединенный с пространством протекания текучей среды. Биполярную пластину изготавливают с помощью определенной пресс-формы и соответствующей обработки. В результате обеспечивается более равномерное распределение потоков и уменьшение сопротивления потокам топлива и воздуха, протекающим, соответственно, в топливный электрод и воздушный электрод топливного элемента. Помимо этого, площадь реакции с мембранно-электродным узлом и зона диффузии могут быть увеличены, а изготовление может быть упрощено и облегчено, 6 н. и 14 з.п. ф-лы, 16 ил.
Область техники
Изобретение относится к топливному элементу и, в частности, к биполярной пластине топливного элемента и способу изготовления такой пластины, способной придать равномерность распределению потоков, уменьшить сопротивление потокам топлива и воздуха, протекающим, соответственно, в топливный электрод и воздушный электрод топливного элемента и упростить ее изготовление.
Уровень техники
Топливный элемент вырабатывает в целом не наносящую вреда окружающей среде энергию, и он был создан для того, чтобы заменять традиционную энергию ископаемого топлива. Как показано на фиг.1, топливный элемент включает в себя пакет 100, который должен быть объединен с, по меньшей мере, одним единичным элементом 101, в котором протекает электрохимическая реакция; подающий топливопровод 200, соединенный с пакетом 100 так, чтобы подавать топливо; подающий воздуховод 300, соединенный с пакетом 100 так, чтобы подавать воздух; и выпускные трубопроводы 400, 500 для выпуска побочных продуктов протекающей реакции топлива и воздуха, соответственно. Единичный элемент 101 включает в себя топливный электрод (анод) (не показан), к которому поступает топливо; и воздушный электрод (катод) (не показан), к которому поступает воздух.
Сначала топливо и воздух подают к топливному электроду и воздушному электроду пакета 100 посредством подающего топливопровода 200 и подающего воздуховода 300, соответственно. Топливо, поданное к топливному электроду, ионизируется на положительные ионы и электроны (е-) посредством электрохимической реакции окисления на топливном электроде, ионизированные положительные ионы перемещаются через электролит к воздушному электроду, а электроны перемещаются к топливному электроду. Положительные ионы, перемещенные к воздушному электроду, вступают в электрохимическую реакцию восстановления с воздухом, поданным к воздушному электроду, и генерируют побочные продукты, такие как тепло реакции и воду и т.д. В данном процессе при перемещении электронов генерируется электроэнергия. Топливо после реакции на топливном электроде, а также вода и дополнительные побочные продукты, сгенерированные на воздушном электроде, выпускаются, соответственно, через выпускные трубопроводы 400, 500.
Топливные элементы могут быть классифицированы на различные типы в соответствии с используемыми в них электролитом и топливом и т.д.
Между тем, как показано на фиг.2, единичный элемент 101, составляющий пакет 100, включает в себя две биполярные пластины 10, имеющие открытый канал 11, по которому протекает воздух или топливо; и мембранно-электродный узел (МЭУ, от англ. «membrane electrode assembly» или МЕА) 20, размещенный между двумя этими биполярными пластинами 10 так, чтобы иметь определенные толщину и площадь. Две биполярные пластины 10 и размещенный между ними МЭУ 20 объединены друг с другом посредством дополнительных средств 30, 31 объединения. Канал, сформированный каналом 11 биполярной пластины 10 и боковой стороной МЭУ 20, составляет топливный электрод, и при протекании топлива через этот канал топливного электрода происходит реакция окисления. Кроме того, канал, сформированный каналом 11 другой биполярной пластины 10 и другой боковой стороной МЭУ 20, составляет воздушный электрод, и при протекании воздуха через этот канал воздушного электрода происходит реакция восстановления.
Форма биполярной пластины 10, в частности, форма канала 11, влияет на контактное сопротивление, оказываемое при протекании топлива и воздуха, и на распределение потоков и т.п., а контактное сопротивление и распределение потоков влияют на отдачу мощности (выход по энергии). Кроме того, биполярные пластины 10 имеют определенную форму, подходящую для облегчения технологического процесса и серийного производства.
Как показано на фиг.3, в традиционной биполярной пластине сформированы сквозные отверстия 13, 14, 15, 16, соответственно, на каждом краю пластины 12, имеющей определенную толщину и прямоугольную форму.
Кроме того, на боковой стороне пластины 12 сформированы многочисленные каналы 11 с тем, чтобы соединить сквозное отверстие 13 с расположенным по диагонали сквозным отверстием 16. Эти каналы 11 имеют зигзагообразную форму. Как показано на фиг.4, в поперечном сечении канала 11 этот канал 11 имеет определенные ширину и толщину и одну открытую боковую сторону. На другой боковой стороне пластины 12 сформированы многочисленные каналы 11 с тем, чтобы соединить два расположенных по диагонали сквозных отверстия 14, 16, причем эти каналы 11 имеют такую же самую форму, что и каналы, сформированные на противоположной боковой стороне.
Далее описывается работа традиционной биполярной пластины. Сначала топливо и воздух втекают, соответственно, в сквозные отверстия 13, 14, и проходящие через сквозные отверстия 13, 14 топливо и воздух втекают в каналы 11. Топливо или воздух в каналах 11 текут зигзагообразно вдоль каналов 11 и выпускаются наружу через сквозные отверстия 15, 16. В этом процессе в МЭУ 20 (показан на фиг.2), в котором протекает топливо, происходит реакция окисления, и одновременно происходит реакция восстановления в том МЭУ, в котором протекает воздух.
Однако в случае традиционной биполярной пластины, поскольку каналы 11 сформированы зигзагообразно, поток может распределяться равномерно лишь в некоторой степени. Более того, поскольку каналы, по которым протекают топливо и воздух, являются сложными и длинными, сопротивление потоку увеличивается, и поэтому возрастают потери давления на создание потока топлива и воздуха. Помимо этого, поскольку технологический процесс изготовления является сложным и затруднительным, производственные затраты высоки.
Техническая сущность настоящего изобретения
Чтобы разрешить вышеописанные проблемы, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить биполярную пластину топливного элемента и способ изготовления такой пластины, способной придать равномерность распределению потоков, уменьшить сопротивление потокам топлива и воздуха, протекающим, соответственно, в топливный электрод и воздушный электрод топливного элемента, и упростить ее изготовление.
Чтобы достичь вышеупомянутых целей, биполярная пластина топливного элемента включает в себя пластину, имеющую определенные толщину и площадь; пространство протекания текучей среды, сформированное на обеих боковых сторонах этой пластины так, чтобы иметь определенные ширину, длину и глубину; сетку направления текучей среды, установленную в пространстве протекания текучей среды так, чтобы иметь определенную форму; впускной канал, сформированный на пластине так, чтобы быть соединенным с пространством протекания текучей среды и принимать текучую среду; и выпускной канал, сформированный на пластине так, чтобы быть соединенным с пространством протекания текучей среды и выпускать текучую среду.
Помимо этого, способ изготовления биполярной пластины топливного элемента включает в себя изготовление пресс-формы для обработки пластины, на которой с обеих боковых сторон формируют пространство протекания текучей среды, имеющее определенные площадь и глубину, и формируют внутренний канал посредством опорной сетки, выступающей в форме сетки из пространства протекания текучей среды; формирование пластины с помощью этой пресс-формы; обработку пластины с выполнением впускного канала так, чтобы обеспечить втекание потока текучей среды в пространство протекания текучей среды, имеющее опорную сетку; и обработку пластины с выполнением выпускного канала так, чтобы обеспечить вытекание потока из пространства протекания текучей среды.
Помимо этого, биполярная пластина топливного элемента включает в себя пластину, имеющую определенные толщину и площадь; область канала, имеющую решетчатые выступы рядом с многочисленными решетчатыми пазами, сформированными по определенной области обеих боковых сторон пластины; впускной канал, сформированный на боковой стороне пластины так, чтобы быть соединенным с решетчатыми пазами в области канала и принимать текучую среду; и выпускной канал, сформированный на боковой стороне пластины так, чтобы выпускать текучую среду, проходящую по решетчатым пазам области канала.
Помимо этого, способ изготовления биполярной пластины топливного элемента включает в себя изготовление пластины, имеющей определенные толщину и площадь; выполнение механической обработки для формирования решетчатых пазов рядом с решетчатыми выступами, формируемых на обеих боковых сторонах пластины; и обработку пластины с выполнением впускного канала и выпускного канала таким образом, чтобы они были соединенными с решетчатыми пазами.
Помимо этого, биполярная пластина топливного элемента включает в себя пластину, имеющую определенные толщину и площадь, в которой на обеих боковых сторонах в середине посредством прессования сформированы многочисленные каналы, состоящие из многочисленных подъемов и спусков, так чтобы они имели определенные ширину и длину; и герметизирующий элемент, соответственно прикрепленный к контуру обеих боковых сторон пластины так, чтобы сформировать внутренние каналы вместе с каналами пластины, впускной канал и выпускной канал, по которым текучая среда втекает в и вытекает из этих каналов.
Помимо этого, способ изготовления биполярной пластины топливного элемента включает в себя вырезание пластины так, чтобы она имела определенный размер; пресс-обработку обеих боковых сторон вырезанной пластины, так чтобы сформировать многочисленные каналы, по которым протекает текучая среда; и объединение герметизирующего элемента с контуром пресс-обработанной пластины.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены для обеспечения лучшего понимания изобретения, входят в состав и составляют часть данного описания, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения.
На этих чертежах:
фиг.1 иллюстрирует традиционную систему топливного элемента;
фиг.2 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий часть пакета традиционного топливного элемента;
фиг.3 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий биполярную пластину традиционного топливного элемента;
фиг.4 представляет собой вид в разрезе вдоль линии А-В на фиг.3;
фиг.5 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий первый вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий часть биполярной пластины топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг.7 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую первый вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.8 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий пакет биполярных пластин топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг.9 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий рабочее состояние биполярной пластины топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг.10 и 11 представляют собой вид сверху и вид спереди в разрезе, иллюстрирующие второй вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.12 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую второй вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.13 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий рабочее состояние биполярной пластины топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг.14 и 15 представляют собой вид сверху и вид спереди в разрезе, иллюстрирующие третий вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением; и
фиг.16 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую третий вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Сначала будет описан первый вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий первый вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением, а фиг.6 представляет собой вид в перспективе с пространственным разделением деталей, иллюстрирующий часть биполярной пластины топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения.
Как показано на фиг.5 и 6, первый вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением включает в себя пластину 40, имеющую определенные толщину и площадь; пространство 41 протекания текучей среды, сформированное на обеих боковых сторонах пластины 40 так, чтобы иметь определенные ширину, длину и глубину; сетку 42 направления текучей среды, установленную в пространстве 41 протекания текучей среды так, чтобы иметь определенную форму; впускной канал 43, сформированный на пластине 40 соединенным с пространством 41 протекания текучей среды для введения текучей среды; и выпускной канал 44, сформированный на пластине 40 соединенным с пространством 41 протекания текучей среды для выпуска текучей среды.
Пластина 40 имеет прямоугольную форму и определенную толщину, пространство 41 протекания текучей среды сформировано, соответственно, на обеих боковых сторонах прямоугольной пластины 40, и оно имеет прямоугольную форму и определенную глубину. Пластина 40 выполнена из материала нержавеющей стали. Пластина 40 и пространство 41 протекания текучей среды могут иметь другие формы помимо прямоугольной формы.
Сетка 42 направления текучей среды имеет прямоугольную форму, меньшую, чем пространство 41 протекания текучей среды, с тем, чтобы она могла быть вставлена в пространство 41 протекания текучей среды пластины 40, и она имеет толщину, не большую, чем глубина пространства 41 протекания текучей среды.
Впускной канал 43 выполнен в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия и сформирован на одной боковой стороне пластины 40. Выпускной канал 43 выполнен в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия и сформирован на противоположной стороне от впускного канала 43 так, чтобы быть диагональным по отношению к этому впускному каналу 43.
Фиг.7 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую первый вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Как показано на фиг.7, в первом варианте реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением изготавливают пресс-форму для обработки пластины, на которой по обеим боковым сторонам формируют пространство протекания текучей среды, имеющее определенные площадь и глубину, и формируют сетку выступающей в пространство протекания текучей среды. После этого пластину обрабатывают с помощью этой пресс-формы. При этом в пластине формируют прямоугольное пространство протекания текучей среды, имеющее определенную глубину, по обеим боковым сторонам прямоугольной пластины, имеющей определенную глубину, и в пространстве протекания текучей среды формируют сетку, так чтобы сформировать канал. Эта сетка может быть сформирована имеющей различные формы.
Далее пластину обрабатывают с целью выполнения впускного канала так, чтобы обеспечить втекание потока текучей среды в имеющее сетку пространство протекания текучей среды, и обрабатывают с целью выполнения выпускного канала так, чтобы обеспечить вытекание потока из пространства протекания текучей среды. Впускной канал и выпускной канал, соответственно, выполняют в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия или открытого паза.
Сначала биполярные пластины топливного элемента соединяют в пакет. Более подробно, как показано на фиг.8, между биполярными пластинами (БП) размещают МЭУ (М) и их объединяют друг с другом посредством средства объединения (не показаны). При этом пространством 41 протекания текучей среды, сформированным на боковой стороне биполярной пластины (БП), сеткой 42 направления текучей среды, сформированной в пространстве 41 протекания текучей среды, и боковой стороной МЭУ (М) образуется путь (канал), по которому протекает топливо. Другой боковой стороной МЭУ (М), пространством 41 протекания текучей среды, сформированным на боковой стороне другой биполярной пластины (БП), обращенной к первой биполярной пластине (БП), и сеткой 42 направления текучей среды, сформированной в пространстве 41 протекания текучей среды, образуется путь (канал), по которому протекает воздух.
При такой конструкции, когда топливо подается во впускной канал 43 биполярной пластины (БП), как показано на фиг.9, топливо во впускном канале 43 втекает в пространство 41 протекания текучей среды. Далее, топливо в пространстве 41 протекания текучей среды распространяется (распределяется) по всему пространству 41 протекания текучей среды посредством сетки 42 направления текучей среды, размещенной в пространстве 41 протекания текучей среды, и затем это топливо выпускается наружу через выпускной канал 44.
В этом процессе сетка 42 направления текучей среды в пространстве 41 протекания текучей среды выполняет не только функцию направления посредством равномерного распространения топлива в пространстве 41 протекания текучей среды, но и «диффузионную» функцию (функцию рассеивания) при надлежащем регулировании плотности потока. При этом распределение и давление могут быть отрегулированы посредством размера «ячеек» сетки 42 направления текучей среды. Между тем, за счет формирования сетки 42 направления текучей среды именно в виде сетки площадь контакта с МЭУ (М), соприкасающимся с биполярной пластиной (БП), сравнительно уменьшается, и, соответственно, эффективная площадь контакта топлива и МЭУ (М) увеличивается.
В дополнение к этому, воздух протекает посредством прохождения такого же процесса, как и описанный выше.
В случае способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения, за счет изготовления пластины с помощью пресс-формы она может легко изготавливаться в серийном производстве. Говоря более подробно, при изготовлении пластины с опорной сеткой и выполнении впускного канала и выпускного канала биполярная пластина может быть просто и легко изготовлена.
Фиг.10 и 11 представляют собой вид сверху и вид спереди в разрезе, иллюстрирующие второй вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Как показано на фиг.10 и 11, биполярная пластина топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения включает в себя пластину 50, имеющую определенные толщину и площадь; область 53 канала, имеющую решетчатые выступы 52 рядом с многочисленными решетчатыми пазами 51, сформированными по определенной области обеих боковых сторон пластины 50; впускной канал 54, сформированный на одной боковой стороне пластины 50 так, чтобы быть соединенным с решетчатыми пазами 51 области 53 канала для введения текучей среды; и выпускной канал 55, сформированный на этой боковой стороне пластины 50 так, чтобы выпускать текучую среду, проходящую по решетчатым пазам 51 области 53 канала.
Пластина 50 имеет прямоугольную форму и определенную толщину. Область 53 канала, соответственно, сформирована на обеих боковых сторонах пластины 50 так, чтобы иметь прямоугольную форму. Пластина 50 и область 53 канала могут быть сформированы имеющими различные формы помимо прямоугольной формы.
Решетчатые выступы 52 сформированы имеющими форму прямоугольного конуса, и каждый решетчатый паз 51 сформирован между этими решетчатыми выступами 52 имеющим форму прямоугольного конуса. Решетчатый выступ 52 может быть сформирован так, чтобы иметь форму треугольного конуса.
Решетчатые выступы 52 размещены регулярным образом (через равные промежутки). В одной из модификаций решетчатые выступы 52 могут быть размещены нерегулярным образом.
Впускной канал 54 и выпускной канал 55, соответственно, сформированы на одной боковой стороне пластины 50 имеющими открытую форму, с определенными шириной и глубиной. Помимо этого, впускной канал 54 и выпускной канал 55 могут быть, соответственно, сформированы в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия.
Биполярная пластина топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения выполнена из нержавеющей стали.
Фиг.12 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую второй вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Как показано на фиг.12, в способе изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения первым этапом является изготовление пластины, имеющей определенные толщину и площадь. Затем выполняют второй этап в виде механической обработки для формирования решетчатых пазов рядом с решетчатыми выступами на обеих боковых сторонах пластины. Этот второй этап включает в себя подэтапы насечки обеих боковых сторон пластины для формирования решетчатых выступов; и шлифовки обеих насеченных боковых сторон пластины. Решетчатые выступы, сформированные посредством насечки, имеют форму прямоугольного конуса, но они могут быть сформированы имеющими другие формы помимо формы прямоугольного конуса. Посредством насечки решетчатые пазы формируют среди решетчатых выступов, и при этом решетчатые пазы формируют каналы, по которым протекает текучая среда. Посредством выполнения шлифовки можно удалить заусенцы, возникшие при насечке, и обработать острые концы (вершины) решетчатых выступов так, чтобы они были тупыми.
И, наконец, третий этап заключается в обработке пластины с выполнением впускного канала и выпускного канала так, чтобы они были соединены с решетчатыми пазами.
Биполярные пластины топливного элемента собирают в пакет. При этом областью 53 канала, сформированной на одной боковой стороне биполярной пластины (БП), и боковой стороной МЭУ (М) образуется путь (канал), по которому протекает топливо. Другой боковой стороной МЭУ (М) и боковой стороной другой биполярной пластины (БП), обращенной к первой биполярной пластине (БП), образуется путь (канал), по которому протекает воздух.
При такой конструкции, когда топливо подается во впускной канал 54 биполярной пластины (БП), как показано на фиг.13, топливо во впускном канале 54 протекает по всей области 53 канала по пути (каналу), образованном(у) решетчатыми пазами 51 в области 53 канала, и далее это топливо выпускается наружу через выпускной канал 55.
В данном процессе за счет небольшой и единообразной формы подобной сетки, образованной решетчатыми пазами 51, сформированными посредством решетчатых выступов 52 в области 53 канала, текучая среда может не только распределяться равномерно, но также и рассеиваться. При этом за счет решетчатых выступов 52, сформированных в области 53 канала, площадь контакта биполярной пластины (БП) и МЭУ (М) сравнительно уменьшается, а эффективная площадь контакта топлива и МЭУ (М) увеличивается.
В дополнение к этому, воздух протекает посредством такого же процесса, как и описанный выше.
В случае способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии со вторым вариантом реализации настоящего изобретения, за счет механической обработки имеющей определенную толщину прямоугольной пластины по обеим боковым сторонам с выполнением впускного канала и выпускного канала с помощью валка и т.д., изготовление является простым и быстрым.
Фиг.14 и 15 представляют собой вид сверху и вид спереди в разрезе, иллюстрирующие третий вариант реализации биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Как показано на фиг.14 и 15, биполярная пластина топливного элемента в соответствии с третьим вариантом реализации настоящего изобретения включает в себя пластину 60, имеющую определенные толщину и площадь, в которой на обеих боковых сторонах в середине посредством прессования сформированы многочисленные каналы 61, состоящие из многочисленных подъемов и спусков, так чтобы они имели определенную ширину и длину; и герметизирующий элемент 65, соответственно прикрепленный к контуру обеих боковых сторон пластины 60 так, чтобы сформировать каналы 62а, 62b, 62 с вместе с каналами 61 пластины 60, впускной канал 63 и выпускной канал 64, по которым втекает и вытекает текучая среда.
Пластина 60 выполнена в виде прямоугольной металлической пластины, и в определенной внутренней области этой прямоугольной металлической пластины сформированы каналы 61. Каналы 61, состоящие из многочисленных подъемов и спусков, сформированы на обеих боковых сторонах пластины 60 с равномерными интервалами. При прессовании пластины 60 каналы 61, соответственно, формируются на обеих боковых сторонах пластины 60, и при этом каналы 61 имеют одинаковую глубину.
Герметизирующий элемент 65 имеет прямоугольную форму и определенную ширину, причем он имеет такую же самую толщину, что и высота подъемов канала 61, и имеет такой же самый размер, что и пластина 60. Высота подъемов канала 61 составляет приблизительно 2,5 мм.
Впускной канал 63, по которому протекает текучая среда, сформирован на одной боковой стороне герметизирующего элемента 65, а выпускной канал 64 сформирован так, чтобы быть противоположным впускному каналу 63.
Внутренний канал, сформированный посредством герметизирующего элемента 65, включает в себя впускной буферный канал 62а для распределения текучей среды по каналам 61 пластины 60; выпускной буферный канал 62b для обеспечения втекания текучей среды, проходящей по каналам 61 пластины 60, в выпускной канал 64; и соединительный канал 62 с для соединения впускного буферного канала 62а и выпускного буферного канала 62b.
Фиг.16 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую третий вариант реализации способа изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Как показано на фиг.16, в способе изготовления биполярной пластины топливного элемента в соответствии с третьим вариантом реализации настоящего изобретения первым этапом является получение пластины 60 посредством вырезания металлической пластины, имеющей определенные толщину и площадь согласно определенному размеру, а вторым этапом является пресс-обработка пластины 60 с тем, чтобы сформировать многочисленные каналы 61 на обеих боковых сторонах пластины 60. Металлическая пластина 60 имеет прямоугольную форму.
Каналы 61 пластины 60 изготавливают прямыми, и они имеют определенную длину, причем высота подъемов каналов 61 является одинаковой. Канал 61 пластины 60 может иметь различные формы сечения, такие как форма волны или прямоугольная форма.
Третий этап заключается в объединении герметизирующего элемента 65 с контуром пресс-обработанной пластины 60. Герметизирующий элемент 65 сформирован в форме прямоугольной прокладки, имеющей определенную ширину и толщину, и этот герметизирующий элемент 65 объединяют с контуром пластины 60 так, чтобы окружить внутреннюю область пластины 60, и, следовательно, формируют каналы 62а, 62b, 62с. Впускной канал 63 и выпускной канал 64 формируют на герметизирующем элементе 65. Впускной канал 63 и выпускной канал 64 могут быть сформированы посредством вырезания части герметизирующего элемента 65.
Как описано выше в первом варианте реализации настоящего изобретения, собирают пакет топливного элемента. При этом подъемами прямого канала 61, сформированного на боковой стороне биполярной пластины (БП), и боковой стороной МЭУ (М) образуется путь (канал), по которому протекает топливо. Другой боковой стороной МЭУ (М) и спусками прямых каналов 61, сформированных на боковой стороне другой биполярной пластины (БП), обращенной к первой биполярной пластине (БП), образуется путь (канал), по которому протекает воздух.
При такой конструкции, когда топливо подается во впускной канал 63 биполярной пластины (БП), топливо во впускном канале 63 протекает по этому пути, а именно через впускной буферный канал 62а, соединительный канал 62с, канал 61 и выпускной буферный канал 62b. После этого топливо выпускается наружу через выпускной канал 64. В дополнение к этому, воздух протекает посредством прохождения такого же процесса, что и описанный выше.
Кроме того, в настоящем изобретении за счет изготовления металлической пластины посредством пресс-обработки, изготовление является простым и быстрым. Помимо этого, за счет уменьшения толщины биполярной пластины размер и масса пакета могут быть уменьшены.
Промышленная применимость
Как описано выше, в случае биполярной пластины топливного элемента и способа ее изготовления в соответствии с настоящим изобретением, за счет придания равномерности потокам топлива и воздуха, соответственно протекающим в топливный электрод и воздушный электрод топливного элемента, повышения эффективной площади реакции с МЭУ и увеличения зоны диффузии может быть увеличена отдача мощности (выход по энергии). За счет уменьшения сопротивления потоку топлива и воздуха могут быть уменьшены потери давления, генерирующего поток топлива и воздуха, т.е. силы накачки. Помимо этого, за счет упрощения и облегчения изготовления затраты на производство могут быть значительно снижены, и, следовательно, возможно серийное производство.
1. Биполярная пластина топливного элемента, содержащая пластину, имеющую определенные толщину и площадь; пространство протекания текучей среды, сформированное на обеих боковых сторонах этой пластины, причем пространство протекания текучей среды выполнено имеющим определенные ширину, длину и глубину; сетку направления текучей среды, установленную в пространстве протекания текучей среды, причем сетка направления текучей среды имеет определенную форму; впускной канал, сформированный на пластине соединенным с пространством протекания текучей среды для введения текучей среды; и выпускной канал, сформированный на пластине соединенным с пространством протекания текучей среды для выпуска текучей среды.
2. Биполярная пластина по п.1, в которой пространство протекания текучей среды сформировано имеющим прямоугольную форму, и сетка направления текучей среды имеет прямоугольную форму, не большую, чем размер пространства протекания текучей среды.
3. Биполярная пластина по п.1, в которой сетка направления текучей среды имеет толщину, не большую, чем глубина пространства протекания текучей среды.
4. Биполярная пластина по п.1, в которой впускной канал и выпускной канал соответственно выполнены в виде, по меньшей мере, одного сквозного отверстия, и при этом они сформированы сбоку пластины.
5. Биполярная пластина по п.1, в которой впускной канал и выпускной канал размещены диагональными по отношению друг к другу.
6. Биполярная пластина по п.1, причем эта пластина выполнена из материала нержавеющей стали.
7. Способ изготовления биполярной пластины топливного элемента, включающий в себя изготовление пресс-формы для обработки пластины, на которой с обеих боковых сторон формируют пространство протекания текучей среды, имеющее определенные площадь и глубину, и формируют сетку выступающей в пространство протекания текучей среды; выполнение пластины с помощью этой пресс-формы; обработку пластины с выполнением впускного канала для втекания текучей среды в имеющее сетку пространство протекания текучей среды; и обработку пластины с выполнением выпускного канала для вытекания текучей среды из пространства протекания текучей среды.
8. Биполярная пластина топливного элемента, содержащая пластину, имеющую определенные толщину и площадь; область канала, имеющую решетчатые выступы рядом с многочисленными решетчатыми пазами, сформированными по определенной области обеих боковых сторон пластины; впускной канал, сформированный на боковой стороне пластины соединенным с решетчатыми пазами для введения текучей среды; и выпускной канал, сформированный на боковой стороне пластины соединенным с решетчатыми пазами для выпуска текучей среды в решетчатых пазах.
9. Биполярная пластина по п.8, в которой решетчатый выступ сформирован имеющим форму прямоугольного конуса.
10. Биполярная пластина по п.8, в которой решетчатые выступы сформированы через равные промежутки.
11. Биполярная пластина по п.8, в которой впускной канал и выпускной канал соответственно сформированы сбоку пластины имеющими открытую форму с определенными шириной и глубиной.
12. Биполярная пластина по п.8, причем эта пластина выполнена из материала нержавеющей стали.
13. Способ изготовления биполярной пластины топливного элемента, включающий в себя изготовление пластины, имеющей определенные толщину и площадь; выполнение механической обработки для формирования решетчатых пазов рядом с решетчатыми выступами, формируемых на обеих боковых сторонах пластины; и обработку пластины с выполнением впускного канала и выпускного канала соединенными с решетчатыми пазами.
14. Способ по п.13, в котором этап механической обработки включает в себя подэтапы: насечки обеих боковых сторон пластины для формирования решетчатых выступов; и шлифовки обеих насеченных боковых сторон пластины.
15. Биполярная пластина топливного элемента, содержащая: пластину, имеющую определенные толщину и площадь, в которой на обеих боковых сторонах в середине посредством прессования сформированы многочисленные каналы, состоящие из многочисленных подъемов и спусков так, чтобы они имели определенные ширину и длину; и герметизирующий элемент, соответственно прикрепленный к контуру обеих боковых сторон пластины так, чтобы сформировать внутренние каналы вместе с каналами пластины, впускной канал и выпускной канал, по которым текучая среда втекает и вытекает из каналов.
16. Биполярная пластина по п.15, в которой внутренние каналы включают в себя впускной буферный канал для распределения текучей среды по каналам пластины; выпускной буферный канал для обеспечения втекания текучей среды, проходящей по каналам пластины, в выпускной канал; и соединительный канал для соединения впускного буферного канала и выпускного буферного канала.
17. Способ изготовления биполярной пластины топливного элемента, включающий в себя вырезание пластины так, чтобы она имела определенный размер; пресс-обработку обеих боковых сторон вырезанной пластины так, чтобы сформировать многочисленные каналы, по которым протекает текучая среда; и объединение герметизирующего элемента с контуром пресс-обработанной пластины.
18. Способ по п.17, в котором на этапе пресс-обработки сформированные каналами подъемы обрабатывают так, чтобы они имели одинаковую высоту.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в топливных элементах
Электроды ТОТЭ, произведённого в ИФТТ РАН: зелёный — анод и чёрный — катод. Топливные элементы расположены на биполярных пластинах для батарей из ТОТЭ
Недавно моя знакомая побывала в Антарктиде. Увлекательное путешествие! — рассказывала она, туристический бизнес развит равно настолько, чтобы привезти путешественника на место и дать ему насладиться суровым великолепием предполярья, не замерзнув при этом насмерть. А это не так просто, как может показаться — даже с учетом современных технологий: электричество и тепло в Антарктиде на вес золота. Посудите сами, обычные дизельные генераторы загрязняют девственные снега, и требуют завоза большого количества топлива, а возобновляемые источники энергии пока не слишком эффективны. Например, на популярной у антарктических туристов музейной станции вся энергия генерируется за счёт силы ветра и солнца, но в помещениях музея прохладно, а душ четверо смотрителей принимают исключительно на кораблях, которые привозят к ним гостей.
Проблемы с постоянным и бесперебойным энергоснабжением знакомы не только полярникам, но и любым производителям и людям, живущим в удалённых районах.
Решить их могут новые способы запасания и генерации энергии, среди которых наиболее перспективными выглядят химические источники тока. В этих мини-реакторах энергия химических преобразований непосредственно, без перехода в тепловую, превращается в электричество. Тем самым резко снижаются потери и, соответственно расход топлива.
В химических источниках тока могут происходить разные реакции, и у каждой есть свои достоинства и недостатки: некоторые быстро «выдыхаются», другие могут работать только при определённых условиях, например, сверхвысоких температурах, или на строго определённом топливе, вроде чистого водорода. Группа учёных из Института физики твёрдого тела РАН (ИФТТ РАН) под руководством Сергея Бредихина сделала ставку на так называемый твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ). Учёные уверены, что при правильном подходе он сможет заменить неэффективные генераторы в Заполярье. Их проект был поддержан в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки на 2014-2020 годы ».
Сергей Бредихин, руководитель проекта ФЦП «Разработка лабораторной масштабируемой технологии изготовления ТОТЭ планарной конструкции и концепции создания на их базе энергетических установок различного назначения и структуры, включая гибридные, с изготовлением и испытаниями маломасштабного экспериментального образца энергоустановки мощностью 500 — 2000 Вт»
Без шума и пыли, но с полной отдачей
Сегодня борьба в энергетике идёт за полезный выход энергии: учёные бьются за каждый процент КПД. Повсеместно используются генераторы, работающие по принципу внутреннего сгорания на углеводородном топливе — мазуте, угле, природном газе (последний вид топлива является наиболее экологически чистым). Потери при их использовании существенны: даже при максимальной оптимизации КПД таких установок не превышает 45%. При этом во время их работы образуются оксиды азота (NOx), которые при взаимодействии с водой в атмосфере превращаются в достаточно агрессивные кислоты.
Батарея ТОТЭ под механической нагрузкой
У твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) нет таких «побочных эффектов». Такие установки имеют КПД более 50% (и это только по выходу электроэнергии, а при учёте теплового выхода КПД может достигать 85-90%), и опасных соединений в атмосферу они не выбрасывают.
«Это очень важная технология для Арктики или Сибири, где особенно важна экология и проблемы с завозом горючего. Потому что ТОТЭ потребляют в разы меньше топлива, — пояснил Сергей Бредихин. - Они должны работать без остановок, поэтому они хорошо подходят для работы на полярной станции, или северном аэродроме».
При сравнительно невысоком потреблении топлива такая установка еще и работает без обслуживания до 3-4 лет. «Дизель-генератор, который сейчас наиболее часто используется, требует замены масла через каждую тысячу часов. А ТОТЭ работает 10-20 тысяч часов без обслуживания», — подчеркнул младший научный сотрудник ИФТТ Дмитрий Агарков.
От идеи к батарее
Принцип работы ТОТЭ достаточно прост. Они представляют собой «батарею», в которой собрано несколько слоёв твердооксидных топливных элементов. У каждого элемента есть анод и катод, со стороны анода к нему подведено топливо, а со стороны катода — воздух. Примечательно, что для ТОТЭ подходят самые разные виды топлива от чистого водорода до угарного газа и различных углеводородных соединений. В результате реакций, протекающих на аноде и катоде, расходуется кислород и топливо, а также создается ток ионов между электродами. Когда батарея встроена в электрическую цепь, в той начинает течь ток.
Компьютерное моделирование распределения токов и температурных полей в батарее из ТОТЭ размером 100×100 мм.
Неприятной особенностью работы ТОТЭ является необходимость высоких температур. Например, образец, собранный в ИФТТ РАН, работает при 850?С. Чтобы разогреться до рабочей температуры, генератору требуется примерно 10 часов, зато потом он будет работать несколько лет.
Разрабатываемые в ИФТТ РАН твердооксидные элементы будут производить до двух киловатт электроэнергии — в зависимости от размера топливной пластины и количества этих пластин в батарее. Маленькие макетные образцы батарей на 50 ватт уже собраны и протестированы.
Особое внимание надо уделить самим пластинам. Одна пластина состоит из семи слоёв, каждый из которых имеет свою функцию. По два слоя на катоде и аноде катализируют реакцию и пропускают электроны, керамическая прослойка между ними изолирует разные среды (воздух и топливо), но пропускает заряженные ионы кислорода. При этом сама мембрана должна быть достаточно прочной (керамика такой толщины очень легко повреждается), поэтому она сама состоит из трёх слоёв: центральный даёт необходимые физические свойства — высокую ионную проводимость, — а нанесённые с двух сторон дополнительные слои придают механическую прочность. Тем не менее, один топливный элемент очень тонкий — не более 200 микрон толщиной.
Слои ТОТЭ
Но одного топливного элемента мало — всю систему необходимо поместить в жаропрочный контейнер, который выдержит режим работы в течение нескольких лет при температуре 850?С. Кстати, в рамках реализации проекта для защиты металлических элементов конструкции учёные ИФТТ РАН используют покрытия, разработанные в ходе другого проекта.
«Когда мы начали этот проект, мы столкнулись с тем, что у нас в стране ничего нет: ни исходного сырья, ни клеёв, ни герметиков, — рассказал Бредихин. — Нам пришлось заниматься всем. Мы проделали моделирование, практиковались на маленьких топливных элементах в виде таблеточек. Выясняли, какими они должны быть по составу и конфигурации, и как расположены».
Кроме того, надо принимать во внимание, что топливный элемент функционирует в высокотемпературной среде. Это значит, надо обеспечить герметичность, проверить, что при целевой температуре материалы не станут вступать в реакцию друг с другом. Важной задачей было «синхронизировать» расширение всех элементов, ведь у каждого материала есть свой собственный линейный коэффициент температурного расширения, и, если что-то не согласовано, могут отойти контакты, порваться герметики и клеи. На изготовление данного элемента исследователями получен патент .
На пути к реализации
Наверное, поэтому у группы Бредихина в ИФТТ выстроена целая система пошаговой подготовки сперва материалов, потом пластин и, наконец, топливных элементов и генераторов. Помимо этого прикладного крыла есть и направление, занимающееся фундаментальной наукой.
В стенах ИФТТ ведётся скрупулёзный контроль качества каждой партии топливных элементов
Основным партнером в настоящем проекте является Крыловский государственный научный центр , выполняющий функцию головного разработчика энергоустановки, включая разработку необходимой конструкторской документации и изготовление «железа» на своем опытном производстве. Часть работ делают и другие организации. Например, керамическую мембрану, которая разделяет катод и анод, производит новосибирская компания НЭВЗ-Керамикс .
Кстати, участие кораблестроительного центра в проекте неслучайно. Ещё одной перспективной сферой применения ТОТЭ могут стать подводные лодки и подводные беспилотники. Для них тоже крайне важно, сколько времени они могут находиться в полностью автономном режиме.
Индустриальный партнёр проекта — фонд «Энергия без границ », возможно, будет организовывать производство небольших партий двухкиловаттных генераторов на базе Крыловского научного центра, но учёные надеются на существенное расширение производства. По словам разработчиков, энергия, полученная в генераторе ТОТЭ, конкурентоспособна даже для бытового применения в отдалённых уголках России. Стоимость кВт*час на них ожидается около 25 рублей, а при нынешней стоимости энергии в Якутии до 100 рублей за кВт*час такой генератор выглядит весьма привлекательно. Рынок уже подготовлен, уверен Сергей Бредихин, главное — успеть проявить себя.
Между тем зарубежные компании уже внедряют генераторы на основе ТОТЭ. Лидером в этом направлении является американская Bloom Energy , которая производит стокиловаттные установки для мощных вычислительных центров таких компаний, как Google, Bank of America и Walmart.
Практическая выгода понятна — огромные дата-центры, питаемые такими генераторами, должны быть независимыми от перебоев электроснабжения. Но помимо этого крупные фирмы стремятся поддержать имидж прогрессивных компаний, которые заботятся об окружающей среде.
Только вот в США за разработку таких «зелёных» технологий полагаются крупные государственные выплаты — до 3 000 долларов за каждый киловатт произведённой мощности, что в сотни раз больше финансирования российских проектов.
В России есть ещё одна область, где применение ТОТЭ-генераторов выглядит очень перспективной — это катодная защита трубопроводов. В первую очередь речь идёт о газо- и нефтепроводах, которые тянутся на сотни километров по безлюдному ландшафту Сибири. Установлено, что при подаче на металлическую трубу напряжения она меньше подвержена коррозии. Сейчас станции катодной защиты работают на термогенераторах, за которыми нужно постоянно следить и эффективность которых всего 2%. Единственное их достоинство — дешевизна, но, если посмотреть в долгосрочной перспективе, учесть затраты на топливо (а они подпитываются содержимым трубы), и эта их «заслуга» выглядит неубедительно. При помощи же станций на ТОТЭ-генераторах можно организовать не только бесперебойную подачу напряжения на трубопровод, но и передачу электроэнергии для телеметрической съёмки… Говорят, что Россия без науки — труба. Оказывается, даже этой трубе без науки и новых технологий - труба.
Кроме того, основание может быть выполнено из сплава титана, алюминия или нержавеющей стали.
Описание на 6 л., илл. 2 л.
Полезная модель относится к конструкции устройств для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, более конкретно, к биполярным пластинам топливных элементов и может найти применение при создании компактных автономных источников питания на их основе для потребителей малой и средней мощности, в том числе, для удаленных потребителей, транспортных и переносных портативных энергоустановок, источников питания сотовых телефонов, ноутбуков и др.
В настоящее время в сборках топливных элементов используют, преимущественно, два основных типа биполярных пластин. Первый тип - это биполярные пластины, изготовленные целиком из углерода или графитовых полимерных композитов, а второй - это биполярные пластины, изготовленные из металлических материалов - нержавеющая сталь, алюминий и др.
Разработки в области графитовых биполярных пластин привели к существенному улучшению их физико-химических свойств и удельных характеристик. В частности, известна биполярная пластина, выполненная полностью из композита углерода - полибензимидазола (см. патент США US 7510678, 2004 г.). Биполярные пластины, изготовленные на основе углеродных композитов являются более коррозионно-стойкими, чем металлические, но главным их недостатком остается слабая механическая прочность, что ограничивает их использование в топливных элементах для транспортных и переносных портативных энергоустановок.
Металлы, в связи с этим, имеют несколько несомненных преимуществ перед углеродными материалами. Для них характерна более высокая тепло- и электропроводность, отсутствие пор, газонепроницаемость, а также высокая механическая прочность. Металлические биполярные пластины являются также более выгодными, по сравнению с графитовыми, с точки зрения их себестоимости. Для изготовления основания биполярной пластины, в частности, возможно использование нержавеющей стали, алюминия и титана. Использование нержавеющей стали и алюминия сравнительно удобно и выгодно по причине их невысокой стоимости, тогда как более дорогой титан обладает, по сравнению с ними, дополнительными преимуществами, связанными с легкостью, прочностью и более высокой коррозионной стойкостью.
Для повышения коррозионной стойкости металлических биполярных пластин предложено множество защитных покрытий. Анодная и катодная поверхности биполярных пластин из нержавеющей стали могут быть защищены проводящей пленкой нитрида хрома (патент США US 7247403, 2005 г.) или пленкой карбида (патент США US 5798188, 1997 г.). Основная проблема данной технологии - получение бездефектных покрытий.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является биполярная пластина топливного элемента, содержащая металлическое основание, анодная и катодная поверхности которого снабжены защитным токопроводящим покрытием (см. патент США US 6887610, 2003 г.). Особенностью известной биполярной пластины является то, что ее основание выполнено из нержавеющей стали, а анодная и катодная поверхности снабжены защитным покрытием в виде слоя золота, нанесенного на основание электрохимическим путем. К недостаткам известного устройства следует отнести сравнительно высокую стоимость защитного покрытия, возможность его отслоения от основания при нарушении технологии электрохимического восстановления золота и, как следствие, снижение срока службы биполярных пластин и батареи топливных элементов в целом.
Решаемой задачей полезной модели является создание сравнительно простой, технологичной и эффективной конструкции биполярной пластины, используемой в производстве батарей топливных элементов для автономных источников питания аппаратуры различного назначении. Дополнительной к указанной является задача повышения эксплуатационных характеристик биполярных пластин при работе на водороде и воздухе в условиях повышенных температур.
Решение указанной задачи достигается тем, что в биполярной пластине топливного элемента, содержащей металлическое основание, анодная и катодная поверхности которого снабжены защитным токопроводящим покрытием, согласно полезной модели, защитное токопроводящее покрытие выполнено за одно целое с основанием в виде модифицированного слоя металла, легированного углеродом на глубину 100-250 нм, причем основание выполнено из титана, алюминия или нержавеющей стали.
Такое выполнение устройства позволяет решить поставленную задачу создания сравнительно простой, технологичной и эффективной конструкции биполярной пластины, пригодной для промышленного производства многоэлементных батарей топливных элементов малой и средней мощности. Предложенное техническое решение позволяет также улучшить важнейшие характеристики биполярных пластин при работе на водороде и воздухе в условиях повышенных температур, в том числе, собственную и контактную электропроводность, теплопроводность, термостойкость, коррозионную стойкость. Одновременно решается задача предотвращения выделения в процессе эксплуатации компонентов, отравляющих топливные элементы.
Легирование углеродом поверхностных слоев металлической биполярной пластины на указанную глубину может достигаться, в том числе, термодиффузионным методом или методом ионной имплантации. Исследования, проведенные в ЗАО «РИМОС» показали высокую эффективность поверхностного модифицирования указанных металлов методом ионной имплантации при легировании биполярных пластин углеродом на глубину до 250 нм. Технологический процесс ионной имплантации, используемый для создания предложенного устройства, основан на внедрении ускоренных ионов углерода в материал основания биметаллических пластин топливных элементов. Для ионно-лучевой обработки биполярных пластин был разработан специализированный стенд, обеспечивающий получение контролируемого сильноточного пучка ускоренных ионов углерода (C + 12) в условиях высокого вакуума. Стенд обеспечивал необходимое изменение физических свойств поверхностного слоя биметаллических пластин на глубинах до десятых долей микрометров.
Внедрение ионов углерода (С + 12) в поверхностные слои металлических биполярных пластин обеспечило получение в них модифицированного защитного нанослоя со сверхвысокой концентрацией углерода. Полученный слой имеет характеристики близкие к характеристикам чистого углерода, но составляет с металлическим основанием биполярной пластины топливного элемента одно неотделимое целое, то есть общую конструкцию. В этом состоит принципиальное отличие от поверхностного защитного нанослоя, созданного методами электролиза или напыления.
В технологическом процессе ионной имплантации за счет торможения ионов в обрабатываемых изделиях происходит их разогрев, который поддерживается до окончания имплантации, тем самым, обеспечивая термодиффузию внедряемых ионов углерода вглубь материала биполярной пластины. Принципиальное отличие введения примесей методом ионной имплантации от метода тепловой диффузии отличается тем, что максимум ее концентрации залегает не на поверхности, а на глубине среднего нормального пробега ионов мишени, который определяется вышеперечисленными факторами.
В частности, доза имплантации при энергии ионов углерода 20 кэВ по глубине профиля распределения шлифованной пластины из титана марки ВТ1-0 достигала 10 18 см -2 преимущественно на глубине 200-230 нм с резким падением в зоне 250-300 нм. Уменьшение глубины легирования основания биполярной пластины менее 100 нм, в свою очередь, снижает уровень концентрации углерода в металле основания, защитные и электрофизические характеристики биполярной пластины.
В результате проведенных исследований также выяснено, что достигнутые результаты по степени легирования углеродом титана можно распространить на другие металлы для биполярных пластин топливных элементов, в том числе, на алюминий и нержавеющую сталь, широко используемые в топливных элементах. Основанием для этого является сравнительно большая длина свободного пробега ускоренных ионов углерода с энергией порядка 20 кэВ, позволяющая модифицировать анодную и катодную поверхности биполярной пластины на достаточную глубину в десятые доли мкм.
На фиг.1 представлено сечение типичной биполярной пластины топливного элемента, на фиг.2 - распределение концентрации углерода в имплантированном слое основания, на фиг.3 - график плотности мощности предложенного топливного элемента с биполярной пластиной из титана.
Биполярная пластина содержит плоское основание 1 из токопроводящего материала, преимущественно, из титана, алюминия или нержавеющей стали, а также из сплава каждого из этих металлов. В качестве примера приведены характеристики биполярной пластины из титана ВТ1-0. Катодная и анодная поверхности основания 1 снабжены защитным токопроводящим покрытием 2, 3, которое выполнено за одно целое с основанием 1 и представляет собой модифицированный слой основания из титана, легированного углеродом на глубину 100-250 нм. В основании 1, имеющем габариты 4×30×30 мм, в области катодной и анодной поверхности отфрезерованы продольные и поперечные каналы 4, 5 для подачи водорода и воздуха к газодиффузионным слоям топливного элемента и технологические отверстия 6. На катодной и анодной поверхности основания 1 биполярной пластины методом ионно-лучевой обработки были имплантированы слои 2, 3 углерода толщиной около 200 нм.
На фиг.2 приведен типичный график распределения концентрации углерода на анодной и катодной поверхности основания биполярной пластины (материал титан ВТ1-0). На фиг.3 приведены типичные кривые плотности мощности водородно-воздушного топливного элемента с токосъемными пластинами из металла без покрытий и металла, легированного углеродом (материал титан ВТ1-0). Как показывают расчеты и экспериментальные данные, решение поставленной задачи создания эффективных и надежных биполярных пластин становится возможным в случае использования каждого из упомянутых материалов. При этом технология изготовления биполярной пластины с другими материалами основания (алюминий, нержавеющая сталь, а также сплавы титана, алюминия и нержавеющей стали) аналогична описанной для титана с учетом изменения характеристик каждого из металлов.
Биполярная пластина топливного элемента функционирует следующим образом.
После фрезерования в основании 1 указанных каналов 4, 5 и сверления отверстий 6 рабочие поверхности биполярной пластины подвергают ионной имплантации потоком ускоренных до 20 кэВ ионов углерода для легирования катодной и анодной поверхности биполярной пластины и получения легированных углеродом слоев 2, 3. Биполярную пластину размещают в сборке топливных элементов между мембранно-электродными блоками на основе протонобменных мембран и осуществляют подачу водорода в каналы 5 и воздуха в каналы 4 с последующим отбором электрической энергии.
Как было указано, для предложенного устройства ионная имплантация углерода 12 в биполярные пластины осуществлялась на специализированном стенде при отработке ионных источников ЗАО «РИМОС». Измерение дозы имплантации углерода по глубине профиля распределения шлифованной пластины из титана марки ВТ1-0 (ТУ 1-5-063-85) производилось методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на оборудовании САМЕСА IMS4F (Франция).
Из фиг.2 следует, что на участке 200-220 нм сосредоточено наибольшее содержание углерода. При меньшей энергии ионов пик концентрации смещается ближе к поверхности титана, а при большей, соответственно, на большую глубину. Результаты измерений дозы имплантации углерода по глубине профиля распределения в титановой пластине показывают, что глубина эффективного для решаемой задачи поверхностного слоя составляет 200220 нм, что является достаточным для получения принципиально новых физико-химических свойств нанослоев биполярных пластин. Слой металла, легированный углеродом, имеет характеристики близкие к характеристикам углерода, но составляет с титановым основанием одно целое, то есть обладает прочностными характеристиками, соответствующими основному металлу.
Кривую распределения концентрации углерода в титане условно можно разбить на несколько участков (Фиг.2).
Участок от поверхности до глубины 200 нм характеризуется достаточно постоянной концентрацией углерода. На участке 200220 нм сосредоточено наибольшее содержание углерода. При меньшей энергии пик концентрации сместится ближе к поверхности титана, а при большей, соответственно, на большую глубину. Данное распределение концентрации углерода в титане получено при энергии ионов 20 кэВ, дозе имплантации 10 18 см -2 и температуре обрабатываемого изделия 300°С±10°С.
На следующем участке 230300 нм наблюдается резкое падение концентрации углерода из-за недостаточности энергии для большинства ионов проникать на такую глубину. Участок, отстоящий от поверхности более чем на 300 нм, характеризуется работой оборудования САМЕСА IMS4F за пределами достоверных измерений концентрации примеси. Это говорит о практическом отсутствии углерода на таких глубинах при ионной имплантации с вышеуказанными энергией ионов и температурой образца.
Полученные после метода ионной имплантации титановые биполярные пластины были исследованы на электрические характеристики.
На фиг.3 представлены кривые плотности мощности для топливных элементов с биполярными пластинами из титана без обработки и с титаном легированным углеродом. Абсолютные значения мощности отнесены к площади активной поверхности мембранно-электродного блока, составляющей 2,16 см 2 . Из графиков следует, что легирование углеродом приводит к улучшению удельных характеристик топливных элементов. Результаты исследования полученных образцов методом импедансной спектроскопии говорят о том, что легирование основания ионами углерода уменьшает суммарное омическое сопротивление биполярной пластины по сравнению с титаном без покрытий примерно в 1,4 раза за счет уменьшения контактных потерь.
Опытные образцы топливных элементов с биполярными пластинами предложенной конструкции были изготовлены с использованием упомянутых стендов и опробованы на специализированном оборудовании. Проведенные испытания подтвердили основные тактико-технические характеристики топливных элементов, в которых использованы предложенные биполярные пластины. Испытания также подтвердили технико-экономическую эффективность предложенного технического решения.
Биполярная пластина топливного элемента, содержащая металлическое основание, анодная и катодная поверхности которого снабжены защитным токопроводящим покрытием, отличающаяся тем, что защитное токопроводящее покрытие выполнено за одно целое с основанием в виде модифицированного слоя металла, легированного углеродом на глубину 100-250 нм, причем основание выполнено из титана, алюминия или нержавеющей стали.
Похожие патенты:
