Proprietarii brevetului RU 2267833:

Invenția se referă la industria auto, construcțiile navale, industria energetică, industria chimică și electrochimică, în special la electroliză pentru producerea de clor, și poate fi utilizată la producerea pilelor de combustie cu o unitate cu membrană-electrod. Rezultatul tehnic al invenției este extinderea funcționalității, îmbunătățirea proprietăților și caracteristicilor operaționale ale plăcilor bipolare și ale celulei de combustie în ansamblu, obținerea plăcilor bipolare cu proeminențe purtătoare de curent de formă și amplasare arbitrară cu o înălțime a proeminențelor de la 0,3 la 2,0 mm, precum și creșterea eficienței transportului reactivilor și îndepărtarea produselor de reacție, creșterea rezistenței la coroziune de-a lungul periferiei cu o sarcină tehnologică, care este un singur întreg cu o parte centrală conductoare electric având o sarcină funcțională. O placă bipolară formată din părți periferice cu găuri și o parte centrală cu proeminențe purtătoare de curent de formă arbitrară, ale cărei vârfuri sunt situate în același plan cu părțile periferice, în timp ce proeminențele purtătoare de curent sunt realizate cu o zonă de bază dată. , cu un diametru redus la bază de 0,5-3,0 mm, cu o înălțime de 0,3 până la 2,0 mm și cu o treaptă între centrele proeminențelor purtătoare de curent de 1,0-4,0 mm. Metoda de producere a unei plăci bipolare include prepararea unei rășini termorigide dintr-o compoziție dată într-un solvent volatil cu o umplutură de carbon, amestecarea, uscarea, recoacere și presare prin încărcare repetată la o presiune de 15-20 MPa la o temperatură de întărire a rășinii. În acest caz, recoacerea amestecului se efectuează la o temperatură cu 50-60°C mai mică decât temperatura de termostabilizare a amestecului. Când se prepară un amestec de pulberi de carbon cu un solvent, raportul dintre fazele solide și lichide este în intervalul de la 1:3 la 1:5. În compoziția amestecului inițial pentru presare se adaugă 0,1-3% agent de expandare. 2 n. și 6 z.p. f-ly, 3 ill.

Invenţia se referă la industria auto, construcţiile navale, industria energetică, chimică şi electrochimică, în special la electroliză pentru producerea de clor, şi poate fi utilizată la producerea pilelor de combustie cu o unitate electrod-membrană.

Plăci bipolare cunoscute, formate din părțile centrale și periferice situate în jurul părții centrale. Pe partea centrală, pe una sau ambele părți, sunt amplasate șanțuri labirint paralele longitudinale pentru a distribui fluxurile de reactivi gazoși, formând proeminențe funcționale purtătoare de curent cu vârfuri situate în același plan, cu un orificiu central și două diagonale pentru circulație și distribuție. a fluxurilor de electroliţi. Pe părțile periferice ale plăcilor există găuri de trecere pentru asamblarea lor într-un pachet. Părțile periferice și centrale sunt separate printr-un element de etanșare de-a lungul perimetrului părții centrale. În același timp, pentru o distribuție organizată a fluxurilor de reactivi gazoși, șanțurile paralele longitudinale, ca și proeminențele funcționale purtătoare de curent, au o direcție labirint de la orificiul central până la orificiile periferice sau invers, vezi catalogul publicitar Schunk. KOHLNSTOFF GmbH.

Dezavantajele plăcilor bipolare cunoscute pentru celulele de combustie sunt o scădere a eficienței transportului de reactivi și îndepărtarea produselor de reacție în zonele ecranate ale colectorului de curent poros și, ca urmare, o scădere a densității de curent a celulei de combustie. celulă la o anumită tensiune, posibilitatea blocării canalelor cu picături de apă în condensare în timpul fluctuațiilor regimului de temperatură al celulei de combustie și/sau bilanțul hidric al sistemului, ceea ce duce și la scăderea eficienței transportului. a reactivilor și îndepărtarea produselor de reacție prin aceste canale și, ca urmare, o scădere a densității de curent a celulei de combustie la o anumită tensiune.

O metodă cunoscută de producere a plăcilor bipolare, incluzând prepararea unui amestec de rășină termorezistentă dintr-o anumită compoziție într-un solvent volatil, amestecarea umpluturii de carbon cu soluția preparată până la omogenizare, uscare, presare și termorigide (cererea de brevet SUA nr. US 2002). /0037448 A1 din 28.03.2002, MKI N 01 M 8/02; H 01 V 1/4; H 01 V 1/20).

Dezavantajul metodei cunoscute este că termosetarea se efectuează nu simultan, ci după presarea produsului. În plus, uscarea la temperatură scăzută a amestecului nu asigură îndepărtarea unei cantități mari de componente volatile din liant, ceea ce duce la necomprimarea microvolumelor din materialul plăcilor bipolare, în special în locurile proeminențelor purtătoare de curent. care servesc la asigurarea contactului electric și presare mecanică a colectorului de curent cu stratul catalitic, ceea ce duce la formarea de locuri defecte la baza proeminențelor și distrugerea acestora din urmă sub influența sarcinii de lucru în timpul montajului și funcționării stiva de celule de combustibil.

Cea mai apropiată soluție tehnică este plăcile bipolare și o metodă de fabricare a acestora, constând dintr-o părți centrale și periferice situate opus părții centrale. Pe partea centrală, pe una sau ambele părți, pentru distribuirea fluxurilor de reactivi gazoși, există șanțuri paralele longitudinale, formând între ele proeminențe purtătoare de curent cu vârfuri situate în planul părților periferice ale plăcilor și leagăndu-le. Pe părțile periferice ale plăcilor există găuri de trecere, care, după ce au fost asamblate într-un pachet cu plăci adiacente, formează canale longitudinale pentru a îmbunătăți circulația și distribuția fluxurilor de electroliți. Metoda de producere a plăcilor bipolare include amestecarea componentelor pulbere carbon-grafit și un liant termoplastic rezistent la coroziune, presarea la rece a amestecului de pulbere într-o matriță la 14500 kPa, încălzirea la 150°C, reducerea presiunii la 2000 kPa, creșterea temperaturii la 205 °C, readucerea presiunii la 14500 kPa, cu faza finală de reducere treptată a presiunii și a temperaturii. Vezi descrierea brevetului RU Nr. 2187578 C2, IPC 7 C 25 V 9/04, 9/00.

Dezavantajele plăcilor bipolare cunoscute sunt distribuția uniformă a fluxului doar într-o secțiune scurtă, determinată de lungimea părții din mijloc, și spațiul limitat pentru distribuirea fluxurilor de reactivi gazoși, determinat de numărul de șanțuri paralele longitudinale. Dezavantajul metodei cunoscute de producere a plăcilor bipolare este o tehnologie complexă de fabricație, care duce la o scădere a eficienței formării proeminențelor purtătoare de curent și la costuri suplimentare.

Rezultatul tehnic al invenției este extinderea funcționalității, îmbunătățirea proprietăților și caracteristicilor operaționale ale plăcilor bipolare și ale celulei de combustie în ansamblu, obținerea plăcilor bipolare cu proeminențe purtătoare de curent de formă și amplasare arbitrară cu o înălțime a proeminențelor de la 0,3 la 2,0 mm, precum și creșterea eficienței transportului reactivilor și îndepărtarea produselor de reacție, creșterea rezistenței la coroziune de-a lungul periferiei cu o sarcină tehnologică, care este un singur întreg cu o parte centrală conductoare electric având o sarcină funcțională. Rezultatul tehnic este atins prin faptul că într-o placă bipolară formată din părți periferice cu orificii și o parte centrală cu proeminențe purtătoare de curent, ale cărei vârfuri sunt situate în același plan cu părțile periferice, proeminențele purtătoare de curent sunt realizat cu o zonă geometrică dată a bazei, cu un diametru redus la bază de 0,5 -3,0 mm, înălțime de la 0,3 la 2,0 mm și cu o treaptă între centrele proeminențelor purtătoare de curent de 1,0-4,0 mm, realizate cu o bază sub formă de cerc sau pătrat, sau dreptunghi, sau elipsă, sau romb, sau trapez sau combinații ale acestora, proeminențele purtătoare de curent sunt realizate sub forma unei piramide trunchiate, sau a unui cilindru, sau un con, sau o piramidă; proeminențele purtătoare de curent se realizează sub forma unei prisme cu diametrul redus la bază de 0,5-3,0 mm, o înălțime de 0,3 până la 2,0 mm și o treaptă între centrele proeminențelor purtătoare de curent de 1,0-4,0 mm. , iar proeminențele purtătoare de curent sunt amplasate în mod arbitrar sau ordonate, sau într-o ordine de șah, sau rombica, sau circulară, sau spirală, sau labirint a aranjamentului lor, dar într-o metodă de producere a plăcilor bipolare, inclusiv prepararea unui amestec de un termorezistent. rășină dintr-o compoziție dată într-un solvent volatil, introducând o umplutură de cărbune și amestecându-le până la o stare omogenă, uscare, presare și termorigide, amestecul se usucă înainte de presare, urmată de recoacere la o temperatură cu 50-60°C mai mică decât cea termodură. temperatura amestecului, iar presarea se efectuează prin încărcare repetată la o presiune de 15-20 MPa, în timp ce se încălzește simultan până la întărirea amestecului, recoacerea se efectuează cu o creștere treptată a temperaturii timp de 10,0-15,0 ore și menținerea ulterioară la această temperatură pentru 1 .0-2.0 h, iar presarea se efectuează la o temperatură a corpului de lucru al unității de presare de 1,5-2,0 ori mai mare decât temperatura de recoacere, raportul „t:l” la formarea unui amestec de pulberi de carbon cu un solvent de o rășină termorezistabilă este selectată în intervalul de la 1:3 la 1:5, se adaugă 0,1-3,0% din agentul de expandare la compoziția amestecului inițial pentru presare.

Acest lucru va asigura distribuția uniformă a reactivilor pe suprafața celulei de combustie și îndepărtarea eficientă a produselor de reacție și, în consecință, va crește densitatea de curent în celula de combustie la o anumită tensiune.

Într-o metodă de producere a plăcilor bipolare, care include prepararea unui amestec dintr-o rășină termorezistentă cu o anumită compoziție într-un solvent volatil, introducerea unei umpluturi de carbon și amestecarea acestora până la o stare omogenă, uscare, presare și termorigide, amestecul este uscat înainte de presare. , urmată de recoacere la o temperatură cu 50-60 ° C mai mică decât temperatura de termorepriză a amestecului, iar presarea se efectuează prin încărcare repetată la o presiune de 15-20 MPa concomitent cu încălzirea, corespunzătoare întăririi amestecului. În acest caz, recoacerea se efectuează cu o creștere treptată a temperaturii timp de 10,0-15,0 ore și menținerea ulterioară la această temperatură timp de 1,0-2,0 ore, iar presarea se efectuează la o temperatură a corpului de lucru al unității de presare de 1,5- de 2,0 ori mai mare decât temperatura de recoacere. Raportul „solid:l” (faze solide și lichide) în timpul formării unui amestec de pulberi de carbon cu un solvent al unei rășini termorigide (acetonă) variază în intervalul de la 1:2 la 1:5 și 0,1-3, 0% (greutate) agent de expandare.

Necesitatea utilizării unei rășini termorigide este cauzată de faptul stabilit experimental că nu există o etanșare adecvată a zonelor proeminențelor purtătoare de curent la presarea BP cu conținut de carbon pe un liant termoplastic, care a fost exprimată în aderența slabă a proeminențelor purtătoare de curent. la corpul plăcii și delaminarea acestora. Prezența unei rășini termorezistente din orice compoziție în amestecul pentru presare face posibilă în acest caz formarea de proeminențe purtătoare de curent fără defecte și BP în ansamblu prin mecanismul de sinterizare cu o fază lichidă care dispare la scurt timp după apariția sa, în ciuda încălzirii continue. .

Secvența principalelor operațiuni care au loc în timpul plăcilor bipolare este următoarea: pe suprafața particulelor de umplutură de carbon se formează un strat subțire de liant polimeric termorigid în timpul preparării amestecului, uscarii acestuia și recoacerii ulterioare, amestecul este compactat, apariția unei faze lichide datorită topirii stratului de liant pe umplutura cu particule, compactării ulterioare a produsului datorită contracției caracteristice sinterizării în fază lichidă, întăririi termice a liantului și a produsului în ansamblu.

Necesitatea recoacerii înainte de presare se datorează prezenței în amestecurile aglomerate a unei cantități mari de componente volatile care împiedică presarea eficientă. O temperatură de recoacere mai mare poate duce la procese nedorite de întărire prematură a liantului în microvolume individuale ale amestecului, iar recoacere la temperatură mai scăzută este ineficientă.

Un parametru important este presiunea de presare. Pentru amestecurile de umpluturi dispersate de carbon și un liant termorigid, presiunea de presare depinde de tipul specific de umplutură și nu trebuie să depășească valoarea peste care liantul lichid este stors din amestec - 20 MPa. Presiunea scăzută de presare (mai puțin de 15 MPa) nu asigură etanșarea eficientă a PSU, în special în zona proeminențelor care transportă curent.

Efectuarea presării în același timp cu încălzirea matriței cu amestecul pentru întărire face posibilă implementarea etapei 4 a secvenței de mai sus a fenomenelor care apar în timpul formării plăcilor.

Designul plăcii bipolare este ilustrat prin desene, în care figura 1 prezintă o vedere generală a plăcii bipolare, iar figura 2 - secțiunea plăcii de-a lungul AA cu proeminențe purtătoare de curent, realizate sub forma, de exemplu, a unui cilindru , figura 3 - secțiunea plăcii de-a lungul A-A cu proeminențe purtătoare de curent, realizate sub formă, de exemplu, de con sau piramidă.

Placa bipolară este formată dintr-o parte centrală 1 și o parte periferică 2. Partea centrală are proeminențe 3, ale căror vârfuri sunt în același plan cu partea periferică, de 0,3 până la 2 mm înălțime și 0,5 până la 3,0 mm în diametru la baza. Proeminențele sunt dispuse în ordine liniară vertical și orizontal cu un pas de 1,0-4,0 mm și permit, cu o suprafață dezvoltată și volum de trecere mai mare al fluxurilor de reactiv gazos, să se distribuie tensiunile (presiunile) rezultate în toate direcțiile. Este posibilă o aranjare în șah, rombică, circulară, spirală sau labirint a proeminențelor. Și proeminențele în sine pot fi sub forma unui cilindru, a unei trunchi de piramidă, a unei prisme și/sau a unui trunchi de con. S-a constatat experimental că, în funcție de diametrele reduse ale proeminențelor, de înălțimea acestora și de treapta dintre centrele proeminențelor, forma optimă a proeminențelor purtătoare de curent diferă, deoarece acestea optimizează fluxurile de reactiv, eficiența transferului de căldură, și conductivitatea electrică în moduri diferite. Deci, în special, pentru un pas de 1 mm, forma unei piramide trunchiate este optimă. Pentru proeminențe cu un diametru de bază de 0,5 mm, o formă de elipsă este optimă. Pentru proeminențe purtătoare de curent cu o înălțime de 0,3 mm, forma unui cilindru este optimă. Pentru anumite moduri de funcționare (puterea curentului, tensiunea, fluxul de reactiv, dimensiunea celulei etc.), selectarea formei optime a proeminențelor purtătoare de curent și a dimensiunilor geometrice ale acestora se realizează individual.

Plăcile bipolare sunt realizate după cum urmează.

Combinația de componente cu particule de carbon este amestecată pentru a forma un amestec omogen cu o anumită cantitate de soluție de rășină termorigidă. Grafitul, funinginea, fibrele tocate, cocsul zdrobit etc. pot fi sub formă de componente dispersate de carbon. Amestecul preparat cu agitare periodică este pus să se usuce la temperatura camerei pentru a îndepărta cantitatea principală de componente volatile. Astfel, este posibil să se obțină un semifabricat sub formă, de exemplu, de granule pentru procesul ulterior de fabricație BP. În plus, după inspecția vizuală, amestecul uscat este recoapt la o temperatură cu 50-60°C mai mică decât temperatura de termostabilizare. Apoi amestecul recoacet este presat la o presiune de 15-20 MPa într-o matriță ale cărei poansonuri sunt realizate cu adâncituri care formează proeminențe purtătoare de curent în timpul presarii și întăririi. Concomitent cu presarea, matrița cu amestecul este încălzită de la temperatura de recoacere la temperatura de întărire. După menținerea la o temperatură de întărire de 0,5-1 h, matrița este îndepărtată din presă și răcită în aer, apoi presată folosind un instrument special.

O proprietate importantă a unei plăci bipolare este structura suprafeței sale. Pentru a obține caracteristici mai mari ale celulei de combustie, este recomandabil ca suprafața de-a lungul căreia trec gazele de lucru între proeminențele purtătoare de curent să aibă o anumită rugozitate și microporozitate. În acest caz, apa formată ca urmare a reacției dintre gaze se acumulează parțial în porii din apropierea suprafeței și, prin urmare, crește umiditatea gazelor, ceea ce are un efect pozitiv asupra caracteristicilor energetice specifice ale celulei de combustie. Formarea structurii dorite a stratului de suprafață conform metodei propuse, spre deosebire de prototip, are loc prin introducerea în compoziție a amestecului inițial pentru presare a 0,1-3,0% (greutate) în raport cu componenta solidă a amestec ("t") de agent de expandare (carbonat de amoniu, polietilen glicol, polietilenă). Agentul poros introdus în compoziția amestecului inițial pentru depunerea apei nu afectează întărirea liantului și, descompunându-se în timpul tratamentului termic, presarea în timpul întăririi, formează o structură microporoasă a plăcii și, în consecință, a suprafeței. strat (până la o adâncime de 1–2 μm).

O scădere a conținutului de formator de pori cu mai puțin de 0,1% nu are practic niciun efect asupra microporozității și rugozității stratului apropiat de suprafață, iar o creștere a conținutului de formator de pori cu peste 3,0% este nepractică din cauza scăderii capacității mecanice. rezistența și posibila apariție a permeabilității prin intermediul plăcilor.

Metoda de obținere a unei plăci bipolare este ilustrată prin următoarele exemple.

Exemplul 1. Pentru fabricarea unei PSU (cu proeminențe cilindrice purtătoare de curent dispuse liniar, cu un diametru de 0,5 mm, o înălțime de 0,5 mm, cu o distanță între centrele proeminențelor de 1,0 mm) cu dimensiunea de 100 × 100 mm, o grosime de 7 mm și o masă de 115 g prepară un amestec din următoarea compoziție cu raportul „t:l” = 1,33:3,00

Grafit marca KS-10 - 98 g

Funingine marca PM-100 - 1 g

Lac de bachelit marca LBS-1 - 34 g

Acetonă - 300 g.

Într-o cană de măsurare, amestecați cantitatea indicată de lac de bachelită și, de exemplu, acetonă într-o soluție colorată uniform. O porție cântărită de pulbere de grafit și negru de fum sunt pre-amestecate uscate până se obține un amestec omogen. În continuare, amestecul de pulberi și soluția de lac de bachelit se pun într-un recipient de amestecare și se amestecă mecanic timp de 5-10 minute până la starea de uniformitate. Apoi amestecul este lăsat sub aspirarea unei hote să se usuce la temperatura camerei timp de 12-15 ore până când se usucă vizual, pe măsură ce se usucă, amestecând periodic amestecul și frecând aglomerate mari (mai mult de 2-3 mm) printr-un plasă metalică cu dimensiunea celulei de 2 mm. O porțiune din amestecul uscat se toarnă în matriță, matrita se introduce în cuptor și se încălzește la o temperatură de 90°C timp de 13,5-14 ore, după care se menține la această temperatură timp de 2 ore. În continuare, încărcarea este îndepărtată. din cuptor si introdus in presa hidraulica incalzita la 170°C. Apăsată pe presă în smucituri (aceasta este viteza de încărcare) timp de 1-2 secunde până la o forță de aproximativ 22 de tone.După aproximativ 5 secunde de expunere, forța este din nou crescută la 22-25 de tone. Cușca este lăsată sub presiune. timp de 1 ora, dupa care matrita se scoate din presa si se lasa la racit la temperatura camerei. După răcire, matrița este descărcată pe o presă manuală cu șurub folosind 4 ejectoare din oțel. Controlul vizual al calității PSU indică absența zgârieturilor, defectelor și fisurilor pe suprafața plăcii (inclusiv în zona proeminențelor purtătoare de curent), delaminarea materialului PSU la granița dintre zona curentului. -proeminențe purtătoare și baza PSU. La examinarea plăcii după testul de rezistență (placa este plasată între plăci de oțel și supusă la compresiune cu o forță de 5 tone (presiune 5 MPa), care corespunde forței de lucru în celula de combustie timp de 1 oră), fără modificări sau s-au constatat defecte. Valoarea rezistivității în volum a fost de 0,025 Ohm·cm.

Exemplul 2. O placă bipolară este realizată dintr-o compoziție și printr-o metodă similară exemplului 1 cu proeminențe având forma unui trunchi de con cu diametrul la bază de 3,0 mm, în partea de sus 2,5 mm, o înălțime de 2,0 mm, cu o distanţă între centrele proeminenţelor 4 .0 mm.

Înainte și după testele de rezistență, defecte de suprafață și proeminențe nu sunt detectate. Valoarea rezistivității de volum este de 0,030 Ohm·cm.

Exemplul 3. Se realizează o placă bipolară cu o configuraţie şi conform unui procedeu similar cu exemplul 1, dar liantul epoxifenol Nr. 560 fabricat de Centrul de Cercetare de Stat FSUE „VIAM” în cantitate de 31 g este utilizat ca liant termorigid.

Înainte și după testele de rezistență, defecte de suprafață și proeminențe nu sunt detectate. Valoarea rezistivității de volum este de 0,017 Ohm·cm.

Exemplul 4. O placă bipolară este realizată cu o configurație și conform unei proceduri similare cu exemplul 1, se adaugă un agent de expandare - pulbere de polietilenă de înaltă presiune la amestecul inițial pentru presare într-o cantitate de 3,5 g (3,0 % în greutate). . Înainte și după testele de rezistență, defecte de suprafață și proeminențe nu sunt detectate. Valoarea rezistivității de volum este de 0,028 Ohm·cm. Porozitatea stratului apropiat de suprafață (până la 100 µm adâncime), măsurată prin sorbția de apă, este de 2,8%.

Exemplul 5 O placă bipolară a fost realizată cu o configurație similară cu exemplul 1, din compoziție și conform procedurii descrise în exemplul 9.

Înainte de testele de rezistență, s-au găsit până la 10% din proeminențe distruse și defecte, după care numărul de proeminențe distruse este de aproximativ 30%. Valoarea rezistivității de volum este de 0,025 Ohm·cm.

Exemplul 6 O placă bipolară este fabricată cu o configurație similară cu Exemplul 1 (proeminențe purtătoare de curent dispuse liniar) și testată într-o celulă de combustie în următoarele condiții:

Membrana - MF4-SK 135 microni grosime

Catalizator - Pt 40/C în cantitate de 2,5 mg/cm2

Combustibil - hidrogen la o presiune de 2 ati

Agent oxidant - oxigen la o presiune de 3 ati

Temperatura de funcționare a celulei - 85°С

Reacția la anod: H 2 → 2H + + 2e -

Reacția la catod: O 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O

Reacția generală: O2 + 2H2 → 2H2O

La o tensiune de 0,7 V, densitatea maximă de curent este de 1,1 A/cm2.

Exemplul 7 O placă bipolară este realizată cu o configurație și o procedură similare cu exemplul 1, dar proeminențele purtătoare de curent sunt rombice și testate într-o pilă de combustie în condiții similare cu exemplul 6. La o tensiune de 0,7 V, densitatea maximă de curent este 1,25 A/cm2.

Exemplul 8. Se realizează o placă bipolară dintr-o compoziție și conform unei metode similare cu exemplul 1, proeminențele se realizează sub forma unei prisme cu diametrul de 2 mm, înălțimea de 1,5 mm, cu o distanță între centre. din proeminențele de 3,0 mm, iar proeminențele purtătoare de curent sunt așezate romb și testele sunt efectuate într-o celulă de combustie în condiții similare exemplului 6. La o tensiune de 0,7 V, densitatea maximă de curent a fost de 0,95 A/cm 2 .

Exemplul 9 Se realizează o placă bipolară cu o configurație similară cu soluția tehnică cunoscută din compoziție și conform procedurii descrise în exemplul 9, testele sunt efectuate într-o celulă de combustie în condiții similare cu exemplul 6. La o tensiune de 0,7 V, densitatea maximă de curent a fost de 0,9 A/cm2. S-a stabilit experimental că, în funcție de diametrele reduse ale proeminențelor, de înălțimea acestora și de pasul dintre centrele proeminențelor, forma optimă a proeminențelor purtătoare de curent diferă, deoarece acestea optimizează fluxurile de reactiv, eficiența schimbului de căldură. , și conductivitatea electrică în moduri diferite. Deci, în special, pentru un pas de 1 mm, forma unei piramide trunchiate este optimă. Pentru proeminențe cu un diametru de bază de 0,5 mm, forma unei elipse este optimă. Pentru proeminențe purtătoare de curent cu o înălțime de 0,3 mm, forma unui cilindru este optimă. Pentru anumite moduri de funcționare (puterea curentului, tensiunea, fluxul de reactiv, dimensiunea celulei etc.), selectarea formei optime a proeminențelor purtătoare de curent și a dimensiunilor geometrice ale acestora se realizează individual.

EFECT: invenția permite extinderea funcționalității, îmbunătățirea proprietăților și caracteristicilor operaționale ale plăcilor bipolare și ale celulei de combustie în ansamblu și obținerea de plăci bipolare cu proeminențe purtătoare de curent de formă și aranjare arbitrară cu o înălțime de proeminență de 0,3 până la 2,0 mm, precum și ca creșterea eficienței transportului reactivului și a produselor de reacție de îndepărtare, creșterea rezistenței la coroziune de-a lungul periferiei cu sarcina tehnologică, care este un singur întreg cu partea centrală conductoare electric, care are o sarcină funcțională.

1. O placă bipolară pentru o pilă de combustie, constând din părți periferice cu orificii și o parte centrală cu proeminențe purtătoare de curent, ale cărei vârfuri sunt situate în același plan cu părțile periferice, caracterizată prin aceea că proeminențele purtătoare de curent sunt realizate cu o zonă de bază dată cu diametrul redus la bază de 0,5 -3,0 mm, înălțime de la 0,3 la 2,0 mm și cu o treaptă între centrele proeminențelor purtătoare de curent de 1,0-4,0 mm.

2. Placă bipolară conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că proeminenţele purtătoare de curent sunt realizate cu o bază sub formă de cerc, sau pătrat, sau dreptunghi, sau elipsă, romb sau trapez, sau combinații ale acestora.

Proprietarii brevetului RU 2577860:

Invenția se referă la o metodă de protejare a plăcilor bipolare ale pilelor de combustie și a colectoarelor de curent ale electrolizoarelor cu un electrolit polimer solid (SPE) de oxidare, care constă în pretratarea unui substrat metalic, aplicarea unui strat conductor electric de metale nobile pe suprafață. substrat metalic tratat prin pulverizare cu magnetron-ion. Metoda se caracterizează prin faptul că pe substratul tratat se aplică în straturi un strat conductiv electric, fiecare strat fiind fixat prin implantare în impulsuri de ioni de oxigen sau un gaz inert. Rezultatul tehnic este de a obține o acoperire stabilă cu o durată de viață de 4 ori mai mare decât cea obținută de prototip și care păstrează proprietățile conductoare. 7 w.p. f-ly, 3 ill., 1 tab., 16 pr.,

Domeniul tehnic

Invenția se referă la domeniul surselor chimice de curent și în special la metode de realizare a acoperirilor de protecție pentru colectoarele de curent metalice (în cazul electrolizoarelor) și plăci bipolare (în cazul pilelor de combustie - FC) cu un electrolit polimer solid ( SPE). În timpul electrolizei, colectoarele de curent, de obicei fabricate din titan poros, sunt expuse în mod constant la medii agresive de oxigen, ozon, hidrogen, ceea ce duce la formarea de pelicule de oxid pe colectorul de curent de oxigen (anod), ca urmare, rezistența electrică crește, scăderea conductivităţii electrice şi a performanţelor.electrolizor. Pe colectorul de hidrogen (catodul) curentului, ca urmare a hidrogenării suprafeței titanului poros, are loc fisurarea prin coroziune. Lucrând în condiții atât de dure, cu umiditate constantă, colectoarele de curent și plăcile bipolare au nevoie de protecție fiabilă împotriva coroziunii.

Principalele cerințe pentru acoperirile de protecție împotriva coroziunii sunt rezistența de contact electrică scăzută, conductivitate electrică ridicată, rezistență mecanică bună, aplicare uniformă pe întreaga suprafață pentru a crea contact electric, costul scăzut al materialelor și costurile de producție.

Pentru instalațiile cu TPE, cel mai important criteriu este rezistența chimică a acoperirii, imposibilitatea folosirii metalelor care modifică gradul de oxidare în timpul funcționării și se evaporă, ceea ce duce la otrăvirea membranei și a catalizatorului.

Având în vedere toate aceste cerințe, Pt, Pd, Ir și aliajele lor au proprietăți de protecție ideale.

De ultimă oră

În prezent, există multe modalități diferite de a crea acoperiri de protecție - recuperare galvanică și termică, implantare ionică, depunere fizică de vapori (metode de pulverizare PVD), depunere chimică de vapori (metode de pulverizare CVD).

O metodă pentru protejarea substraturilor metalice este cunoscută din stadiul tehnicii (brevetul U.S. Nr. 6.887.613 pentru o invenţie, publicat pe 3 mai 2005). Stratul de oxid, care pasivează suprafața, a fost îndepărtat preliminar de pe suprafața metalului prin gravare chimică sau tratament mecanic. Pe suprafața substratului a fost aplicat un strat de polimer, amestecat cu particule conductoare de aur, platină, paladiu, nichel etc. Polimerul este selectat în funcție de compatibilitatea sa cu substratul metalic - rășini epoxidice, siliconi, polifenoli, fluorocopolimeri etc. Acoperirea a fost aplicată ca o peliculă subțire folosind depunerea electroforetică; perie; pulverizat sub formă de pulbere. Acoperirea are bune proprietăți anticorozive.

Dezavantajul acestei metode este rezistența electrică ridicată a stratului datorită prezenței componentei polimerice.

Din stadiul tehnicii se cunoaște o metodă de protecție (a se vedea brevetul US Nr. 7632592 pentru invenție, publ. 15/12/2009), care propune realizarea unei acoperiri anticoroziune pe plăcile bipolare folosind un procedeu cinetic (la rece). de pulverizare de pulbere de platină, paladiu, rodiu, ruteniu și aliajele acestora. Pulverizarea a fost efectuată cu un pistol folosind un gaz comprimat, cum ar fi heliul, care este introdus în pistol la presiune ridicată. Viteza de mișcare a particulelor de pulbere este de 500-1500 m/s. Particulele accelerate rămân într-o stare solidă și relativ rece. În acest proces, oxidarea și topirea lor nu au loc, grosimea medie a stratului este de 10 nm. Aderența particulelor la substrat depinde de o cantitate suficientă de energie - cu energie insuficientă, se observă o aderență slabă a particulelor, la energii foarte mari, are loc deformarea particulelor și a substratului și se creează un grad ridicat de încălzire locală.

O metodă pentru protejarea substraturilor metalice este cunoscută din stadiul tehnicii (a se vedea brevetul US nr. 7700212 pentru invenţie, publicaţia 20.04.2010). Suprafața substratului a fost rugoasă preliminar pentru a îmbunătăți aderența la materialul de acoperire. S-au aplicat două straturi de acoperire: 1 - oțel inoxidabil, grosimea stratului de la 0,1 μm la 2 μm, 2 - strat de acoperire din aur, platină, paladiu, ruteniu, rodiu și aliajele acestora, cu grosimea nu mai mare de 10 nm. Straturile au fost aplicate prin pulverizare termică, cu ajutorul unui pistol, din duza de pulverizare din care s-a ejectat un flux de particule topite, care au format o legătură chimică cu suprafața metalică, este posibil și aplicarea unei acoperiri prin metoda PVD (fizic). depunerea de vapori). Prezența unui strat reduce rata de coroziune și reduce costurile de producție, cu toate acestea, prezența acestuia duce și la un dezavantaj - un strat pasiv de oxid de crom este format din oțel inoxidabil, ceea ce duce la o creștere semnificativă a rezistenței de contact a anti- acoperire împotriva coroziunii.

Din stadiul tehnicii este cunoscută o metodă de protecție (a se vedea brevetul US Nr. 7803476 pentru invenție, publ. 28.09.2010), în care se propune realizarea de acoperiri ultra-subțiri din metalul nobil Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir și aliajele lor, grosimea acoperirii este de la 2 la 10 nm, de preferință chiar un strat monoatomic cu o grosime de 0,3 la 0,5 nm (grosime egală cu diametrul atomului de acoperire). Anterior, pe placa bipolară a fost aplicat un strat de nemetal cu porozitate bună - cărbune, grafit amestecat cu un polimer sau un metal - aluminiu, titan, oțel inoxidabil. Acoperirile metalice au fost aplicate prin pulverizare cu fascicul de electroni, depunere electrochimică și pulverizare cu ioni de magnetron.

Avantajele acestei metode includ: eliminarea etapei de gravare a substratului pentru îndepărtarea oxizilor, rezistență scăzută la contact, cost minim.

Dezavantaje - în cazul unui strat nemetalic, rezistența de contact electrică crește din cauza diferențelor de energii de suprafață și a altor interacțiuni moleculare și fizice; este posibil să se amestece primul și al doilea strat, ca urmare, pe suprafață pot apărea metale nenobile supuse oxidării.

O metodă pentru protejarea unui substrat metalic este cunoscută din stadiul tehnicii (a se vedea brevetul US Nr. 7150918 pentru o invenție, publicație 19/12/2006), incluzând: prelucrarea unui substrat metalic pentru a îndepărta oxizii de pe suprafața sa, aplicarea unui acoperire metalică conductivă rezistentă la coroziune din metale nobile, aplicând o acoperire polimerică rezistentă la coroziune conductoare electric.

Dezavantajul acestei metode este rezistența electrică ridicată în prezența unei cantități semnificative de polimer de liant, în cazul unei cantități insuficiente de polimer de liant, particulele de funingine conductoare electric sunt spălate de pe acoperirea polimerului.

Metoda din stadiul tehnicii pentru protejarea plăcilor bipolare și a colectoarelor de curent împotriva coroziunii este un prototip (a se vedea brevetul US Nr. 8785080 pentru invenție, publicat în 22.07.2014), incluzând:

Tratarea substratului în apă deionizată clocotită sau tratament termic la o temperatură de peste 400°C sau înmuiere în apă deionizată clocotită pentru a forma un strat de oxid pasiv cu o grosime de 0,5 nm până la 30 nm,

Depunerea unui strat de metal conductiv electric (Pt, Ru, Ir) pe un strat de oxid pasiv cu o grosime de la 0,1 nm la 50 nm. Acoperirea a fost aplicată prin pulverizare cu ioni de magnetron, evaporare cu fascicul de electroni sau depunere de ioni.

Prezența unui strat de oxid pasiv crește rezistența la coroziune a acoperirii metalice, totuși, și duce la dezavantaje - un strat de oxid neconductor înrăutățește brusc proprietățile conductoare ale acoperirilor.

Dezvăluirea invenției

Rezultatul tehnic al invenției revendicate este de a crește rezistența acoperirii la oxidare, de a crește rezistența la coroziune și de durata de viață și de a menține proprietățile conductoare inerente metalului neoxidat.

Rezultatul tehnic este atins prin faptul că metoda de protecție împotriva oxidării plăcilor bipolare ale pilelor de combustie și colectoarelor de curent ale electrolizoarelor cu un electrolit polimer solid (SPE) constă în faptul că substratul metalic este pretratat, un conductiv electric. acoperirea cu metale nobile este aplicată pe substratul metalic tratat prin pulverizare cu ioni de magnetron, în acest caz, învelișul conductiv electric este aplicat în straturi, fiecare strat fiind fixat prin implantare în impulsuri de ioni de oxigen sau un gaz inert.

De preferință, platina, sau paladiu, sau iridiu, sau un amestec al acestora, este utilizat ca metale nobile. Implantarea ionică pulsată se realizează cu o scădere treptată a energiei ionice și a dozei. Grosimea totală a acoperirii este de la 1 la 500 nm. Straturile depuse succesiv au o grosime de la 1 la 50 nm. Gazul inert utilizat este argon, sau neon, sau xenon, sau cripton. Energia ionilor implantați este de la 2 la 15 keV, iar doza ionilor implantați este de până la 10 15 ioni/cm 2 .

Scurtă descriere a desenelor

Caracteristicile și esența invenției revendicate sunt explicate în următoarea descriere detaliată, ilustrată prin desene și un tabel, unde sunt prezentate următoarele.

în fig. 1 - distribuția atomilor de platină și titan deplasați ca urmare a implantării argonului (calculat prin programul SRIM).

în fig. 2 - o tăietură a unui substrat de titan cu platină pulverizată înainte de implantarea argonului, unde

1 - substrat de titan;

2 - un strat de platină;

3 - pori în stratul de platină.

în fig. 3 - o tăietură a unui substrat de titan cu platină pulverizată după implantarea cu argon, unde:

1 - substrat de titan;

4 - strat intermediar de titan-platină;

5 - acoperire cu platină.

Tabelul prezintă caracteristicile tuturor exemplelor de implementare a invenției revendicate și a prototipului.

Implementare și exemple ale invenției

Metoda pulverizării catodic magnetron-ion se bazează pe un proces bazat pe formarea unei plasme inelare deasupra suprafeței catodului (țintei) ca urmare a ciocnirii electronilor cu moleculele de gaz (de obicei argon). Ionii gazoși pozitivi formați în descărcare, atunci când un potențial negativ este aplicat substratului, sunt accelerați într-un câmp electric și elimină atomii (sau ionii) materialului țintă, care se depun pe suprafața substratului, formând un film pe acesta. suprafaţă.

Avantajele metodei de pulverizare cu magnetron-ion sunt:

Viteză mare de pulverizare a substanței depuse la tensiuni scăzute de funcționare (400-800 V) și la presiuni scăzute ale gazului de lucru (5·10 -1 -10 Pa);

Posibilitatea de reglare într-o gamă largă de viteze de dispersie și depunere a substanței pulverizate;

Grad scăzut de contaminare a straturilor depuse;

Posibilitatea pulverizării simultane a țintelor din diferite materiale și, ca urmare, posibilitatea obținerii de acoperiri cu o compoziție complexă (multicomponentă).

Ușurință relativă de implementare;

Cost scăzut;

Ușurință de scalare.

În același timp, acoperirea rezultată se caracterizează prin prezența porozității, are o rezistență scăzută și o aderență insuficientă la materialul substratului datorită energiei cinetice scăzute a atomilor (ionilor) pulverizați, care este de aproximativ 1–20 eV. Un astfel de nivel de energie nu permite pătrunderea atomilor materialului depus în straturile apropiate de suprafață ale materialului substrat și crearea unui strat intermediar cu o afinitate mare pentru substrat și materialul de acoperire, rezistență ridicată la coroziune și relativ scăzută. rezistență chiar și cu formarea unei pelicule de suprafață de oxid.

În cadrul invenției revendicate, sarcina de a crește rezistența și de a menține proprietățile conductoare ale electrozilor și acoperirilor de protecție ale materialelor structurale este rezolvată prin expunerea acoperirii și substratului la un curent de ioni accelerați care mișcă materialul de acoperire și substrat la nivelul nivel atomic, conducând la întrepătrunderea substratului și a materialului de acoperire, având ca rezultat estomparea interfeței dintre acoperire și substrat cu formarea unei faze de compoziție intermediară.

Tipul de ioni accelerați și energia lor sunt selectate în funcție de materialul de acoperire, grosimea acestuia și materialul substratului, astfel încât să provoace mișcarea stratului de acoperire și a atomilor de substrat și amestecarea acestora la limita de fază cu pulverizare minimă a acoperirii. material. Selecția se face folosind calcule adecvate.

în fig. În figura 1 sunt prezentate datele calculate privind deplasarea atomilor unui înveliș format din platină de 50 A grosime și atomi ai unui substrat format din titan sub acțiunea ionilor de argon cu o energie de 10 keV. Ionii cu o energie mai mică la nivelul de 1-2 keV nu ating limita de fază și nu vor asigura amestecarea eficientă a atomilor pentru un astfel de sistem la limita de fază. Cu toate acestea, la energii de peste 10 keV, are loc o pulverizare semnificativă a stratului de platină, care afectează negativ durata de viață a produsului.

Astfel, în cazul unei acoperiri cu un singur strat de grosime mare și energie mare necesară pentru ca ionii implantați să pătrundă până la limita de fază, atomii de acoperire sunt pulverizați și se pierd metale prețioase; substraturi și acoperiri și crește rezistența acoperirii. Cu toate acestea, o grosime de acoperire atât de mică (1–10 nm) nu asigură o durată lungă de viață a produsului. Pentru a crește rezistența acoperirii, durata de viață a acestuia și pentru a reduce pierderile în timpul pulverizării, implantarea ionică în impulsuri se efectuează cu strat cu strat (grosimea fiecărui strat este de 1-50 nm) acoperire cu o scădere treptată a ionului. energie și doză. Reducerea energiei și a dozei face posibilă eliminarea practic a pierderilor în timpul pulverizării, dar face posibilă asigurarea aderenței necesare a straturilor depuse la substrat, pe care a fost deja depus același metal (fără separare de fază) crește uniformitatea acestora. . Toate acestea contribuie și la creșterea resursei. Trebuie remarcat faptul că filmele cu grosimea de 1 nm nu asigură o creștere semnificativă (necesară pentru colectorii actuali) a duratei de viață a produsului, iar metoda propusă crește semnificativ costul acestora. Filmele cu o grosime mai mare de 500 nm ar trebui, de asemenea, considerate neprofitabile din punct de vedere economic, deoarece consumul de metale din grupa platinei crește semnificativ, iar resursa produsului în ansamblu (celula) începe să fie limitată de alți factori.

Atunci când straturile de acoperire sunt aplicate în mod repetat, tratamentul cu ioni de energie mai mare este recomandabil numai după depunerea primului strat cu o grosime de 1–10 nm, iar la prelucrarea straturilor ulterioare de până la 10–50 nm grosime, ionii de argon cu o energie de 3–5 keV. sunt suficiente pentru a le compacta. Implantarea ionilor de oxigen în timpul depunerii primelor straturi de acoperire, împreună cu soluționarea problemelor de mai sus, face posibilă crearea unui film de oxid rezistent la coroziune pe suprafața dopată cu atomi de acoperire.

Exemplul 1 (prototip).

Mostre de folie de titan marca VT1-0 suprafață de 1 cm 2 , 0,1 mm grosime și titan poros marca TPP-7 suprafață de 7 cm 2 introduse într-un cuptor și păstrate la o temperatură de 450°C timp de 20 de minute.

Probele sunt prinse alternativ într-un cadru și plasate într-un suport special de probă al unității de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă de platină detașabilă. Camera este închisă. Pompa mecanică este pornită și aerul este evacuat din cameră la o presiune de ~10 -2 Torr. Camerele blocheaza evacuarea aerului si deschid evacuarea pompei de difuzie si pornesc incalzirea acesteia. După aproximativ 30 de minute, pompa de difuzie intră în modul de funcționare. Camera este evacuată prin pompa de difuzie. După atingerea unei presiuni de 6×10 -5 Torr, deschideți intrarea de argon în cameră. Scurgerea a stabilit presiunea argonului 3×10 -3 Torr. Prin creșterea lină a tensiunii la catod, descărcarea este aprinsă, puterea de descărcare este setată la 100 W și se aplică tensiunea de polarizare. Deschideți obturatorul dintre țintă și suport și începeți să numărați timpul de procesare. În timpul procesării, presiunea din cameră și curentul de descărcare sunt controlate. După 10 minute de tratament, descărcarea este oprită, rotația este oprită și alimentarea cu argon este întreruptă. După 30 de minute, pomparea din cameră este blocată. Încălzirea pompei de difuzie este oprită, iar după ce s-a răcit, pompa mecanică este oprită. Camera este deschisă în atmosferă și rama cu proba este îndepărtată. Grosimea acoperirii depuse a fost de 40 nm.

Materialele acoperite rezultate pot fi utilizate în celule electrochimice, în primul rând în electrolizoare cu un electrolit polimer solid, ca materiale catodice și anodice (colectori de curent, plăci bipolare). Materialele anodice cauzează cele mai multe probleme (oxidare intensă); prin urmare, testele de viață au fost efectuate atunci când au fost utilizate ca anozi (adică la un potențial pozitiv).

Un cablu de curent este sudat pe proba obținută de folie de titan prin sudare în puncte și plasat ca electrod de testare într-o celulă cu trei electrozi. Folia de Pt cu o suprafață de 10 cm 2 este utilizată ca contraelectrod, iar un electrod standard de clorură de argint conectat la celulă printr-un capilar este folosit ca electrod de referință. Electrolitul folosit este o soluție de 1M H 2 SO 4 în apă. Măsurătorile sunt efectuate folosind un dispozitiv AZRIVK 10-0.05A-6 V (fabricat de LLC „Buster”, Sankt Petersburg) în mod galvanostatic, adică electrodului studiat se aplică un potențial de curent continuu pozitiv, care este necesar pentru a obține o valoare a curentului de 50 mA. Testul constă în măsurarea modificării potenţialului necesară pentru a atinge un anumit curent în timp. Dacă potențialul depășește valoarea de 3,2 V, resursa electrodului este considerată epuizată. Proba rezultată are o resursă de 2 ore și 15 minute.

Exemplele 2-16 de implementare a invenţiei revendicate.

Mostre de folie de titan marca VT1-0 cu o suprafață de 1 cm 2 , 0,1 mm grosime și titan poros marca TPP-7 zonă de 7 cm 2 fierte în alcool izopropilic timp de 15 minute. Apoi alcoolul este scurs și probele sunt fierte de 2 ori timp de 15 minute în apă deionizată cu schimbări de apă între fierbe. Probele sunt încălzite într-o soluție de acid clorhidric 15% la 70°C și menținute la această temperatură timp de 20 de minute. Acidul este apoi scurs și probele sunt fierte de 3 ori timp de 20 de minute în apă deionizată cu schimbări de apă între fierbe.

Probele sunt plasate alternativ într-o unitate de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă de platină și se aplică un strat de platină. Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 420 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,86 Pa. Pentru 15 minute de depunere se obține o acoperire cu grosimea de 60 nm. Acoperirea rezultată este expusă fluxului de ioni de argon prin metoda implantării ionilor pulsați cu plasmă.

Implantarea se realizează într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV, o energie medie de 5 keV. Doza în timpul expunerii a fost de 2*1014 ioni/cm2. Vederea în secțiune a acoperirii după implantare este prezentată în Fig. 3.

Proba rezultată este testată într-o celulă cu trei electrozi, procesul fiind similar cu cel prezentat în exemplul 1. Proba rezultată are o resursă de 4 ore. Pentru comparație, datele privind resursa foliei de titan cu filmul inițial de platină pulverizat (60 nm) fără implantare de argon este de 1 oră.

Exemplele 3-7.

Procesul este similar cu cel din exemplul 2, dar doza de implantare, energia ionică și grosimea acoperirii sunt variate. Doza de implantare, energia ionică, grosimea acoperirii, precum și durata de viață a probelor obținute sunt prezentate în Tabelul 1.

Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele cu o grosime a stratului depus de până la 15 nm sunt procesate într-un flux de cripton cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 6*1014 ioni/cm 2 . Proba rezultată are o resursă de 1 oră 20 de minute. Conform datelor microscopiei electronice, grosimea stratului de platină a fost redusă la o valoare de 0-4 nm, dar s-a format un strat de titan cu atomi de platină încorporați în el.

Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele cu o grosime a stratului depus de 10 nm sunt procesate într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 6*1014 ioni/cm2 . După depunerea celui de-al doilea strat cu o grosime de 10 nm, procesarea se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2, iar apoi depunerea se repetă de 4 ori. cu grosimea unui nou strat de 15 nm, iar fiecare strat ulterior este procesat într-un flux de ioni argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*10 13 ion/cm 2 . Proba rezultată are o resursă de 8 ore 55 minute.

Exemplul 10

Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele cu o grosime a stratului depus de 10 nm sunt tratate într-un flux de ioni de oxigen cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2 . După depunerea celui de-al doilea strat cu o grosime de 10 nm, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5 keV și o doză de 1*10 14 ion/cm 2 , iar apoi depunerea se repetă de 4 ori cu un nou grosimea stratului de 15 nm, fiecare strat ulterior fiind tratat într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică de 5 keV și o doză de 8 * 10 13 ion / cm 2 (astfel încât să nu existe pulverizare!). Proba rezultată are o resursă de 9 ore și 10 minute.

Exemplul 11.

Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele sunt plasate în unitatea de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă de iridiu și se aplică o acoperire cu iridiu. Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 440 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,71 Pa. Viteza de depunere asigură formarea unei acoperiri cu o grosime de 60 nm în 18 minute. Acoperirea rezultată este expusă fluxului de ioni de argon prin metoda implantării ionilor pulsați cu plasmă.

Probele cu o grosime a primului strat depus de 10 nm sunt tratate într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*1014 ioni/cm2. După depunerea celui de-al doilea strat cu o grosime de 10 nm, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5-10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2, apoi depunerea se repetă. De 4 ori cu o grosime a stratului nou de 15 nm, fiecare strat ulterior este tratat într-un curent de ioni de argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*1013 ioni/cm2. Proba rezultată are o resursă de 8 ore 35 minute.

Exemplul 12.

Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele sunt plasate într-o instalație de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă realizată dintr-un aliaj de platină cu iridiu (aliaj Pli-30 conform GOST 13498-79). ), se aplică un strat format din platină și iridiu. Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 440 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,69 Pa. Viteza de depunere asigură formarea unei acoperiri cu o grosime de 60 nm în 18 minute. Acoperirea rezultată este expusă fluxului de ioni de argon prin metoda implantării ionilor pulsați cu plasmă.

Probele cu grosimea stratului depus de 10 nm sunt tratate într-un flux ionic de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm 2 , iar apoi depunerea se repetă de 5 ori cu o nouă grosime a stratului. de 10 nm. După aplicarea celui de-al doilea strat, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5-10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2, iar fiecare strat ulterior este tratat într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*10 13 ion/cm2. Proba rezultată are o resursă de 8 ore 45 minute.

Exemplul 13

Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin faptul că probele sunt plasate în unitatea de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă de paladiu și se aplică o acoperire cu paladiu. Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 420 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,92 Pa. Pentru 17 minute de depunere se obține o acoperire cu grosimea de 60 nm. Probele cu grosimea primului strat depus de 10 nm sunt tratate într-un flux ionic de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*1014 ioni/cm2. După depunerea celui de-al doilea strat cu o grosime de 10 nm, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5-10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2, apoi depunerea se repetă. De 4 ori cu o grosime a stratului nou de 15 nm, fiecare strat ulterior este tratat într-un curent de ioni de argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*1013 ioni/cm2. Proba rezultată are o resursă de 3 ore și 20 de minute.

Exemplul 14

Procesul este similar cu cel din exemplul 2 și diferă prin faptul că probele sunt plasate într-o instalație de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă constând din platină, inclusiv 30% carbon, și se aplică un strat de platină și carbon. Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 420 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,92 Pa. Pentru 20 de minute de depunere se obține o acoperire cu grosimea de 80 nm. Probele cu o grosime a stratului depus de 60 nm sunt tratate într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm 2 , iar apoi pulverizarea se repetă de 5 ori cu o nouă grosime a stratului de 10 nm. După aplicarea celui de-al doilea strat, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5-10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2, iar fiecare strat ulterior este tratat într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*10 13 ion/cm2. Proba rezultată are o resursă de 4 ore și 30 de minute.

Exemplul 15

Procesul este similar cu cel din exemplul 9 și diferă prin aceea că sunt depuse 13 straturi, grosimea primului și celui de-al doilea este de 30 nm fiecare, a celor ulterioare de 50 nm fiecare, energia ionică este redusă succesiv de la 15 la 3 keV. , doza de implantare este de la 5 10 14 la 8 10 13 ion/cm2. Proba rezultată are o resursă de 8 ore și 50 de minute.

Exemplul 16

Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 9 și diferă prin faptul că grosimea primului strat este de 30 nm, următoarele șase straturi sunt de 50 nm fiecare, doza de implantare este de la 2·10 14 la 8.10 13 ioni/cm 2 . Proba rezultată are o resursă de 9 ore 05 minute.

Astfel, metoda revendicată de protejare a plăcilor FC bipolare și a colectoarelor de curent ale electrolizoarelor TPE de oxidare face posibilă obținerea unei acoperiri stabile cu o durată de viață de 4 ori mai mare decât cea obținută conform prototipului și păstrând proprietățile conductoare.

1. O metodă de protejare a plăcilor bipolare ale pilelor de combustie și a colectoarelor de curent ale electrolizoarelor cu un electrolit polimer solid (SPE) de oxidare, care constă în pretratarea unui substrat metalic, aplicarea unui strat conductiv electric de metale nobile pe substratul metalic tratat prin magnetron pulverizarea ionică, caracterizată prin aceea că se aplică pe substratul tratat un strat de acoperire conductiv electric, strat cu strat, cu fixarea fiecărui strat prin implantare în impulsuri de ioni de oxigen sau un gaz inert.

2. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că ca metale nobile se utilizează platina, sau paladiu sau iridiu sau un amestec al acestora.

3. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că implantarea ionică pulsată se realizează cu o scădere treptată a energiei ionice şi a dozei.

4. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că grosimea totală a acoperirii este de la 1 la 500 nm.

5. Procedeu de protecţie conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că straturile depuse succesiv au o grosime de la 1 la 50 nm.

6. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că argonul, sau neonul, sau xenonul, sau criptonul este utilizat ca gaz inert.

7. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că energia ionilor implantaţi este de la 2 la 15 keV.

8. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că doza de ioni implantaţi este de până la 1015 ioni/cm2.

Brevete similare:

Invenția se referă la domeniul ingineriei electrice, și anume la o baterie de celule de combustibil tubulare cu oxid solid (SOFC), care include cel puțin două noduri de celule de combustibil tubulare cu oxid solid, cel puțin un colector de curent comun și un suport pentru susținerea unei secțiuni. a ansamblurilor de pile de combustie și un colector de curent comun în legătură cu acestea cu o potrivire exactă, în timp ce coeficientul de dilatare termică al suportului este mai mic sau egal cu coeficientul de dilatare termică a ansamblurilor de pile de combustie.

Invenţia se referă la membrane polimerice pentru celulele de combustibil polimerice la temperaturi joase sau înalte. O membrană polimerică conducătoare de protoni pe bază de complex polielectrolitic constând din: a) un polimer care conține azot, cum ar fi poli-(4-vinilpiridina) și derivații săi obținuți prin alchilare, poli-(2-vinilpiridina) și derivații săi obținuți prin alchilare , polietilenimină, poli(2-dimetilamino)etilmetacrilat)clorură de metil, poli(2-dimetilamino)etilmetacrilat)bromură de metil, clorură de poli(dialildimetilamoniu), bromură de poli(dialildimetilamoniu), b) Nafion sau alt polimer asemănător Nafion selectat din grup , inclusiv Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta și rășini schimbătoare de ioni care conțin grupări carboxil și sulfonice; c) un amestec lichid care cuprinde un solvent selectat din grupul constând din metanol, alcool etilic, alcool n-propilic, alcool izopropilic, alcool n-butilic, alcool izobutilic, alcool terţ-butilic, formamide, acetamide, dimetil sulfoxid, N-metilpirolidonă , precum și apă distilată și amestecuri ale acestora; în care raportul molar dintre polimerul care conține azot și Nafion sau polimerul asemănător Nafion este în intervalul 10-0,001.

Invenția se referă la domeniul ingineriei electrice, și anume la obținerea unei pelicule de oxid de electrolit cu o grosime comparabilă cu dimensiunea porilor materialului electrodului, într-un mod mai simplu și mai avansat tehnologic și, de asemenea, mai economic decât plasma ionică.

Invenţia furnizează un mediu de difuzie a gazului pentru celulele de combustie care are o permeabilitate scăzută la aer în plan şi o bună proprietate de drenaj şi este capabil de performanţe ridicate ale celulei de combustie pe o gamă largă de temperaturi de la temperaturi scăzute la temperaturi ridicate.

Invenția se referă la domeniul ingineriei electrice, și anume la o metodă de fabricare a unui electrod catalitic al unei unități membrană-electrod, în principal pentru pile de combustie cu hidrogen și metanol.

In plus, baza poate fi realizata din aliaj de titan, aluminiu sau otel inoxidabil.

Descriere pe 6 file., ill. 2 l.

Modelul de utilitate se referă la proiectarea dispozitivelor pentru conversia directă a energiei chimice în energie electrică, mai precis, la plăci de celule de combustie bipolare și poate fi folosit pentru a crea surse de energie autonome compacte pe baza acestora pentru consumatorii de putere mică și medie, inclusiv la distanță. consumatori, centrale electrice portabile de transport și portabile, surse de alimentare pentru telefoane mobile, laptopuri etc.

În prezent, două tipuri principale de plăci bipolare sunt utilizate predominant în ansamblurile de celule de combustie. Primul tip sunt plăcile bipolare realizate în întregime din compozite polimerice de carbon sau grafit, iar al doilea sunt plăci bipolare din materiale metalice - oțel inoxidabil, aluminiu etc.

Evoluțiile în domeniul plăcilor bipolare din grafit au condus la o îmbunătățire semnificativă a proprietăților lor fizico-chimice și a caracteristicilor specifice. În special, este cunoscută o placă bipolară realizată în întregime din compozit carbon-polibenzimidazol (vezi brevetul US Nr. 7.510.678, 2004). Plăcile bipolare realizate pe bază de compozite de carbon sunt mai rezistente la coroziune decât cele metalice, dar principalul lor dezavantaj este rezistența lor mecanică slabă, ceea ce limitează utilizarea lor în pile de combustie pentru transport și centrale portabile portabile.

Metalele, în acest sens, au câteva avantaje incontestabile față de materialele din carbon. Se caracterizează prin conductivitate termică și electrică mai mare, absența porilor, impermeabilitatea la gaz și rezistența mecanică ridicată. Plăcile bipolare metalice sunt, de asemenea, mai rentabile decât cele din grafit. Pentru fabricarea bazei plăcii bipolare, în special, este posibil să se utilizeze oțel inoxidabil, aluminiu și titan. Utilizarea oțelului inoxidabil și a aluminiului este relativ convenabilă și benefică datorită costului lor scăzut, în timp ce titanul mai scump are, în comparație cu acestea, avantaje suplimentare asociate cu ușurința, rezistența și rezistența mai mare la coroziune.

Pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune a plăcilor bipolare metalice, au fost propuse o varietate de acoperiri de protecție. Suprafețele anodului și catodic ale plăcilor bipolare din oțel inoxidabil pot fi protejate de o peliculă conductivă de nitrură de crom (Brevetul SUA nr. 7.247.403, 2005) sau o peliculă de carbură (Brevetul SUA nr. 5.798.188, 1997). Principala problemă a acestei tehnologii este obținerea de acoperiri fără defecte.

Cea mai apropiată soluție tehnică de cea propusă este o placă de pile de combustibil bipolară care conține o bază metalică, ale cărei suprafețe anodului și catodic sunt prevăzute cu un înveliș conductor protector (vezi brevetul US 6887610, 2003). O caracteristică a plăcii bipolare cunoscute este aceea că baza sa este din oțel inoxidabil, iar suprafețele anodului și catodic sunt prevăzute cu un înveliș protector sub forma unui strat de aur depus pe bază prin mijloace electrochimice. Dezavantajele dispozitivului cunoscut includ costul relativ ridicat al stratului de protecție, posibilitatea delaminării acestuia de la bază în cazul încălcării tehnologiei de reducere electrochimică a aurului și, ca urmare, o scădere a duratei de viață a acestuia. plăci bipolare și bateria celulei de combustibil în ansamblu.

Obiectivul modelului de utilitate ce urmează a fi rezolvat este acela de a crea un design relativ simplu, fabricabil și eficient al unei plăci bipolare utilizate la producerea stivelor de celule de combustie pentru sursele de alimentare autonome pentru echipamente în diverse scopuri. În plus, este sarcina de a îmbunătăți performanța plăcilor bipolare atunci când funcționează cu hidrogen și aer la temperaturi ridicate.

Soluția acestei probleme se realizează prin faptul că într-o placă bipolară a unei celule de combustie care conține o bază metalică, ale cărei suprafețe anodului și catodic sunt prevăzute cu un înveliș conductor protector, conform modelului de utilitate, învelișul conductor protector este realizat dintr-o bucata cu baza sub forma unui strat modificat de metal aliat cu carbon la o adancime 100-250 nm, iar baza este din titan, aluminiu sau otel inoxidabil.

O astfel de realizare a dispozitivului permite rezolvarea sarcinii de a crea un design relativ simplu, avansat din punct de vedere tehnologic și eficient al unei plăci bipolare potrivite pentru producția industrială de baterii multi-element de celule de combustibil de putere mică și medie. Soluția tehnică propusă face posibilă, de asemenea, îmbunătățirea celor mai importante caracteristici ale plăcilor bipolare atunci când funcționează cu hidrogen și aer la temperaturi ridicate, inclusiv conductivitatea electrică intrinsecă și de contact, conductibilitatea termică, rezistența la căldură și rezistența la coroziune. În același timp, se rezolvă problema prevenirii eliberării componentelor care otrăvesc celulele de combustie în timpul funcționării.

Doparea cu carbon a straturilor de suprafață ale unei plăci bipolare metalice la adâncimea specificată poate fi realizată, printre altele, prin metoda difuziei termice sau metoda implantării ionice. Studiile efectuate la CJSC „RIMOS” au arătat o eficiență ridicată a modificării suprafeței acestor metale prin implantare ionică la alierea plăcilor bipolare cu carbon la o adâncime de 250 nm. Procesul tehnologic de implantare ionică utilizat pentru crearea dispozitivului propus se bazează pe introducerea ionilor de carbon accelerați în materialul de bază al plăcilor bimetalice de celule de combustibil. Pentru prelucrarea prin fascicul de ioni a plăcilor bipolare, a fost dezvoltat un suport specializat care furnizează un fascicul controlat de curent înalt de ioni de carbon accelerați (C + 12) în condiții de vid înalt. Standul a oferit modificarea necesară a proprietăților fizice ale stratului de suprafață al plăcilor bimetalice la adâncimi de până la zecimi de micrometri.

Introducerea ionilor de carbon (C + 12) în straturile de suprafață ale plăcilor bipolare metalice a asigurat producerea unui nanstrat protector modificat cu o concentrație ultra-înaltă de carbon în ele. Stratul rezultat are caracteristici apropiate de cele ale carbonului pur, dar formează un întreg inseparabil cu baza metalică a plăcii bipolare a celulei de combustie, adică structura de ansamblu. Aceasta este diferența fundamentală față de nanostratul de protecție a suprafeței creat prin electroliză sau pulverizare.

În procesul tehnologic de implantare ionică, datorită decelerarii ionilor din piesele de prelucrat, aceștia sunt încălziți, care este menținut până la sfârșitul implantării, asigurând astfel difuzia termică a ionilor de carbon introduși adânc în materialul plăcii bipolare. Diferența fundamentală dintre introducerea de impurități prin metoda implantării ionilor și metoda difuziei termice diferă prin aceea că concentrația maximă a acesteia nu se află la suprafață, ci la adâncimea intervalului normal mediu al ionilor țintă, care este determinat de factorii de mai sus.

În special, doza de implantare la o energie ionică de carbon de 20 keV de-a lungul adâncimii profilului de distribuție al unei plăci de titan VT1-0 lustruit a atins 10 18 cm -2, în principal la o adâncime de 200-230 nm, cu o scădere bruscă a zona 250-300 nm. Reducerea adâncimii de dopaj a bazei plăcii bipolare la mai puțin de 100 nm, la rândul său, reduce nivelul concentrației de carbon din metalul de bază, caracteristicile de protecție și electrofizice ale plăcii bipolare.

În urma cercetărilor, s-a constatat, de asemenea, că rezultatele obținute privind gradul de dopaj cu carbon al titanului pot fi extinse și la alte metale pentru plăcile bipolare ale pilelor de combustie, inclusiv aluminiu și oțel inoxidabil, utilizate pe scară largă în celulele de combustie. Motivul pentru aceasta este calea liberă medie relativ lungă a ionilor de carbon accelerați cu o energie de aproximativ 20 keV, ceea ce face posibilă modificarea suprafețelor anodice și catodice ale plăcii bipolare la o adâncime suficientă de zecimi de micron.

Figura 1 prezintă o secțiune transversală a unei plăci tipice pentru celulă de combustibil bipolară, figura 2 arată distribuția concentrației de carbon în stratul de bază implantat, figura 3 prezintă graficul densității de putere a celulei de combustibil propusă cu o placă de titan bipolară.

Placa bipolară cuprinde o bază plată 1 din material conductiv, de preferinţă titan, aluminiu sau oţel inoxidabil, precum şi un aliaj din fiecare dintre aceste metale. Ca exemplu, sunt date caracteristicile unei plăci bipolare din titan VT1-0. Suprafețele catodice și anodice ale bazei 1 sunt prevăzute cu un înveliș conductor protector 2, 3, care este solidar cu baza 1 și este un strat de bază modificat de titan dopat cu carbon la o adâncime de 100-250 nm. În baza 1, care are dimensiuni de 4×30×30 mm, canalele longitudinale și transversale 4, 5 sunt frezate în zona suprafețelor catodice și anodice pentru alimentarea cu hidrogen și aer la straturile de difuzie a gazelor ale celulei de combustie. si orificii tehnologice 6. Pe suprafata catodului si anodic a bazei 1 sunt placi bipolare prin prelucrare cu fascicul de ioni au fost implantate straturi 2, 3 de carbon cu o grosime de aproximativ 200 nm.

Figura 2 prezintă un grafic tipic al distribuției concentrației de carbon pe suprafața anodului și catodic a bazei plăcii bipolare (material titan VT1-0). Figura 3 prezintă curbele tipice de densitate de putere ale unei celule de combustibil hidrogen-aer cu plăci colectoare de curent realizate din metal neacoperit și metal dopat cu carbon (material titan VT1-0). Calculele și datele experimentale arată că soluția sarcinii de a crea plăci bipolare eficiente și fiabile devine posibilă dacă se utilizează fiecare dintre materialele de mai sus. În același timp, tehnologia de fabricare a unei plăci bipolare cu alte materiale de bază (aluminiu, oțel inoxidabil, precum și titan, aluminiu și aliaje de oțel inoxidabil) este similară cu cea descrisă pentru titan, ținând cont de modificarea caracteristicilor fiecare dintre metale.

Placă de pile de combustibil bipolară funcţionează după cum urmează.

După frezarea în baza 1 a canalelor indicate 4, 5 și forarea găurilor 6, suprafețele de lucru ale plăcii bipolare sunt supuse implantării ionice cu un flux de ioni de carbon accelerat la 20 keV pentru a dopa suprafețele catodice și anodice ale bipolarului. placa și obțineți straturi dopate cu carbon 2, 3. Placa bipolară este plasată în pile de combustie de ansamblu între blocuri membrană-electrod bazate pe membrane schimbătoare de protoni și furnizează hidrogen canalelor 5 și aer canalelor 4, urmată de selectarea electricității. energie.

După cum sa indicat, pentru dispozitivul propus, implantarea ionică a carbonului 12 în plăci bipolare a fost efectuată pe un stand specializat în timpul dezvoltării surselor de ioni ale CJSC RIMOS. Măsurarea dozei de implantare de carbon de-a lungul adâncimii profilului de distribuție a unei plăci lustruite din titan de calitate VT1-0 (TU 1-5-063-85) a fost efectuată prin metoda spectrometriei de masă cu ioni secundari (SIMS) folosind Echipament CAMECA IMS4F (Franța).

Din figura 2 rezultă că în zona de 200-220 nm sa concentrat cel mai mare conținut de carbon. La o energie ionică mai mică, vârful de concentrație se deplasează mai aproape de suprafața de titan și, respectiv, la o energie mai mare, la o adâncime mai mare. Rezultatele măsurătorilor dozei de implantare de carbon pe adâncimea profilului de distribuție într-o placă de titan arată că adâncimea stratului de suprafață eficientă pentru problema rezolvată este de 200–220 nm, ceea ce este suficient pentru a obține proprietăți fizico-chimice fundamental noi ale nanostraturi de plăci bipolare. Un strat de metal aliat cu carbon are caracteristici apropiate de cele ale carbonului, dar este integral cu baza de titan, adică are caracteristici de rezistență corespunzătoare metalului de bază.

Curba de distribuție a concentrației de carbon în titan poate fi împărțită condiționat în mai multe secțiuni (Figura 2).

Zona de la suprafață până la o adâncime de 200 nm este caracterizată printr-o concentrație de carbon destul de constantă. Regiunea de la 200–220 nm conține cel mai mare conținut de carbon. La o energie mai mică, vârful de concentrație se va deplasa mai aproape de suprafața de titan și, respectiv, la o energie mai mare, la o adâncime mai mare. Această distribuție a concentrației de carbon în titan a fost obținută la o energie ionică de 20 keV, o doză de implantare de 10 18 cm -2 și o temperatură a produsului prelucrat de 300°C±10°C.

În secțiunea următoare, la 230300 nm, se observă o scădere bruscă a concentrației de carbon din cauza energiei insuficiente pentru ca majoritatea ionilor să pătrundă la o astfel de adâncime. Zona, care se află la mai mult de 300 nm de suprafață, se caracterizează prin funcționarea echipamentului CAMECA IMS4F dincolo de limitele măsurătorilor fiabile ale concentrației de impurități. Aceasta indică absența practică a carbonului la astfel de adâncimi în timpul implantării ionilor cu energia ionică de mai sus și temperatura probei.

Plăcile bipolare de titan obținute după metoda implantării ionice au fost examinate pentru caracteristicile electrice.

Figura 3 prezintă curbele de densitate de putere pentru celulele de combustie cu plăci de titan bipolar netratate și cu titan dopat cu carbon. Valorile puterii absolute sunt legate de aria suprafeței active a unității membrană-electrod, care este de 2,16 cm 2 . Din grafice rezultă că dopajul cu carbon duce la o îmbunătățire a caracteristicilor specifice ale celulelor de combustie. Rezultatele studiului probelor obținute prin spectroscopie de impedanță indică faptul că doparea bazei cu ioni de carbon reduce rezistența ohmică totală a plăcii bipolare în comparație cu titanul neacoperit de aproximativ 1,4 ori datorită scăderii pierderilor de contact.

Prototipurile de celule de combustie cu plăci bipolare din designul propus au fost fabricate folosind standurile menționate mai sus și testate pe echipamente specializate. Testele efectuate au confirmat principalele caracteristici de performanță ale pilelor de combustie în care sunt utilizate plăcile bipolare propuse. Testele au confirmat și eficiența tehnică și economică a soluției tehnice propuse.

Placă de pile de combustie bipolară care conține o bază metalică, ale cărei suprafețe anod și catod sunt prevăzute cu un înveliș conductor protector, caracterizat prin aceea că învelișul conductor protector este solidar cu baza sub forma unui strat de metal modificat dopat cu carbon până la adâncime. de 100-250 nm, iar baza este din titan, aluminiu sau otel inoxidabil.

Brevete similare:

Statele Unite au luat mai multe inițiative pentru a dezvolta pile de combustibil cu hidrogen, infrastructura și tehnologiile pentru a face vehiculele cu celule de combustibil practice și economice până în 2020. Peste un miliard de dolari a fost alocat în aceste scopuri.

Pilele de combustie generează electricitate în mod liniștit și eficient, fără a polua mediul. Spre deosebire de sursele de energie din combustibili fosili, produsele secundare ale celulelor de combustibil sunt căldura și apa. Cum functioneaza?

În acest articol, vom trece în revistă pe scurt fiecare dintre tehnologiile de combustibil existente astăzi, vom vorbi despre proiectarea și funcționarea pilelor de combustibil și le vom compara cu alte forme de producere a energiei. Vom discuta, de asemenea, unele dintre obstacolele cu care se confruntă cercetătorii în a face pilele de combustie practice și accesibile pentru consumatori.

Pilele de combustibil sunt dispozitive de conversie a energiei electrochimice. Pila de combustibil transformă substanțele chimice, hidrogenul și oxigenul, în apă, în procesul generând energie electrică.

Un alt dispozitiv electrochimic cu care suntem cu toții foarte familiarizați este bateria. Bateria are in interior toate elementele chimice necesare si transforma aceste substante in electricitate. Aceasta înseamnă că în cele din urmă bateria „se stinge” și fie o aruncați, fie o reîncărcați.

Într-o celulă de combustibil, substanțele chimice sunt introduse în mod constant în ea, astfel încât să nu „moară”. Electricitatea va fi generată atâta timp cât substanțele chimice intră în celulă. Majoritatea celulelor de combustie utilizate astăzi folosesc hidrogen și oxigen.

Hidrogenul este cel mai abundent element din galaxia noastră. Cu toate acestea, hidrogenul practic nu există pe Pământ în forma sa elementară. Inginerii și oamenii de știință trebuie să extragă hidrogen pur din compușii hidrogenului, inclusiv din combustibilii fosili sau din apă. Pentru a extrage hidrogenul din acești compuși, trebuie să cheltuiți energie sub formă de căldură sau electricitate.

Invenția pilelor de combustibil

Sir William Grove a inventat prima celulă de combustibil în 1839. Grove știa că apa poate fi împărțită în hidrogen și oxigen prin trecerea unui curent electric prin ea (un proces numit electroliză). El a sugerat că în ordine inversă s-ar putea obține energie electrică și apă. El a creat o celulă de combustibil primitivă și a numit-o baterie galvanică pe gaz. După ce a experimentat cu noua sa invenție, Grove și-a dovedit ipoteza. Cincizeci de ani mai târziu, oamenii de știință Ludwig Mond și Charles Langer au inventat termenul celule de combustibil atunci când se încearcă construirea unui model practic pentru generarea de energie.

Pila de combustibil va concura cu multe alte dispozitive de conversie a energiei, inclusiv turbinele cu gaz din centralele urbane, motoarele cu ardere internă în mașini și bateriile de toate tipurile. Motoarele cu ardere internă, precum turbinele cu gaz, ard diferite tipuri de combustibil și folosesc presiunea creată de expansiunea gazelor pentru a efectua lucrări mecanice. Bateriile transformă energia chimică în energie electrică atunci când este necesar. Pilele de combustie trebuie să îndeplinească aceste sarcini mai eficient.

Celula de combustie furnizează tensiune DC (curent continuu) care poate fi folosită pentru a alimenta motoare electrice, iluminat și alte aparate electrice.

Există mai multe tipuri diferite de celule de combustibil, fiecare folosind procese chimice diferite. Pilele de combustie sunt de obicei clasificate în funcție de acestea Temperatura de OperareȘi tipelectrolit, pe care le folosesc. Unele tipuri de celule de combustie sunt potrivite pentru utilizarea în centralele electrice staționare. Altele pot fi utile pentru dispozitive portabile mici sau pentru alimentarea mașinilor. Principalele tipuri de celule de combustibil includ:

Celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri (PEMFC)

PEMFC este considerat cel mai probabil candidat pentru aplicații de transport. PEMFC are atât putere mare, cât și temperatură de funcționare relativ scăzută (în intervalul de la 60 la 80 de grade Celsius). Temperatura scăzută de funcționare înseamnă că celulele de combustibil se pot încălzi rapid pentru a începe să genereze electricitate.

Pilă de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Aceste pile de combustibil sunt cele mai potrivite pentru generatoarele de energie staționare mari care ar putea furniza energie electrică fabricilor sau orașelor. Acest tip de pile de combustibil funcționează la temperaturi foarte ridicate (700 până la 1000 de grade Celsius). Temperatura ridicată este o problemă de fiabilitate, deoarece unele dintre celulele de combustibil se pot defecta după mai multe cicluri de pornire și oprire. Cu toate acestea, celulele de combustibil cu oxid solid sunt foarte stabile în funcționare continuă. Într-adevăr, SOFC-urile au demonstrat cea mai lungă durată de funcționare a oricărei celule de combustie în anumite condiții. Temperatura ridicată are și avantajul că aburul generat de celulele de combustie poate fi direcționat către turbine și poate genera mai multă energie electrică. Acest proces se numește cogenerare de căldură și electricitateși îmbunătățește eficiența generală a sistemului.

Pilă de combustibil alcalină (AFC)

Este unul dintre cele mai vechi modele de celule de combustibil, folosit încă din anii 1960. AFC-urile sunt foarte susceptibile la poluare, deoarece necesită hidrogen pur și oxigen. În plus, sunt foarte scumpe, așa că este puțin probabil ca acest tip de pile de combustie să fie puse în producție de masă.

Celulă de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

La fel ca SOFC, aceste celule de combustibil sunt, de asemenea, cele mai potrivite pentru centralele electrice staționare mari și generatoare. Acestea funcționează la 600 de grade Celsius, astfel încât să poată genera abur, care, la rândul său, poate fi folosit pentru a genera și mai multă putere. Au o temperatură de funcționare mai scăzută decât pilele de combustie cu oxid solid, ceea ce înseamnă că nu au nevoie de astfel de materiale rezistente la căldură. Acest lucru le face puțin mai ieftine.

Pilă de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Pilă de combustibil cu acid fosforic are potențialul de utilizare în sisteme electrice staționare mici. Funcționează la o temperatură mai mare decât o celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri, deci este nevoie de mai mult timp pentru a se încălzi, ceea ce o face nepotrivită pentru utilizarea auto.

Pile de combustie cu metanol Pile de combustie cu metanol direct (DMFC)

Pilele de combustibil cu metanol sunt comparabile cu PEMFC în ceea ce privește temperatura de funcționare, dar nu sunt la fel de eficiente. În plus, DMFC necesită destul de multă platină ca catalizator, ceea ce face ca aceste celule de combustibil să fie scumpe.

Celulă de combustie cu membrană schimbătoare de polimeri

Celula de combustibil cu membrană de schimb de polimeri (PEMFC) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii pentru celulele de combustibil. PEMFC folosește una dintre cele mai simple reacții ale oricărei celule de combustie. Luați în considerare în ce constă.

1. DAR nodul – Terminalul negativ al celulei de combustie. Conduce electronii care sunt eliberați din moleculele de hidrogen, după care pot fi utilizați într-un circuit extern. Este gravat cu canale prin care hidrogenul gazos este distribuit uniform pe suprafața catalizatorului.

2.LA atom - terminalul pozitiv al celulei de combustie are si canale pentru distribuirea oxigenului pe suprafata catalizatorului. De asemenea, conduce electronii înapoi din lanțul exterior al catalizatorului, unde se pot combina cu ioni de hidrogen și oxigen pentru a forma apă.

3.Membrana schimbătoare electrolit-protoni. Este un material tratat special care conduce numai ionii încărcați pozitiv și blochează electronii. În PEMFC, membrana trebuie să fie hidratată pentru a funcționa corect și a rămâne stabilă.

4. Catalizator este un material special care favorizează reacția oxigenului și hidrogenului. De obicei, este fabricat din nanoparticule de platină depuse foarte subțire pe hârtie de carbon sau țesătură. Catalizatorul are o structură de suprafață astfel încât suprafața maximă a platinei poate fi expusă la hidrogen sau oxigen.

Figura prezintă hidrogenul gazos (H2) care intră sub presiune în celula de combustie din partea anodului. Când o moleculă de H2 intră în contact cu platina de pe catalizator, aceasta se împarte în doi ioni H+ și doi electroni. Electronii trec prin anod unde sunt utilizați în circuitele externe (făcând lucrări utile, cum ar fi rotirea unui motor) și sunt returnați pe partea catodică a celulei de combustibil.

Între timp, pe partea catodică a celulei de combustibil, oxigenul (O2) din aer trece prin catalizator unde formează doi atomi de oxigen. Fiecare dintre acești atomi are o sarcină negativă puternică. Această sarcină negativă atrage doi ioni H+ prin membrană, unde se combină cu un atom de oxigen și doi electroni din circuitul extern pentru a forma o moleculă de apă (H2O).

Această reacție într-o singură pilă de combustibil produce doar aproximativ 0,7 volți. Pentru a ridica tensiunea la un nivel rezonabil, multe celule de combustibil individuale trebuie combinate pentru a forma o stivă de celule de combustibil. Plăcile bipolare sunt folosite pentru a conecta o celulă de combustibil la alta și sunt supuse oxidării cu potențial în scădere. Marea problemă a plăcilor bipolare este stabilitatea lor. Plăcile bipolare metalice pot fi corodate, iar produsele secundare (ionii de fier și crom) reduc eficiența membranelor și electrozilor celulelor de combustie. Prin urmare, pilele de combustie la temperatură joasă folosesc metale ușoare, grafit și compuși compoziți din carbon și material termorigid (materialul termorigid este un fel de plastic care rămâne solid chiar și atunci când este supus la temperaturi ridicate) sub forma unei foi de material bipolar.

Eficiența celulei de combustibil

Reducerea poluării este unul dintre obiectivele principale ale unei celule de combustibil. Comparând o mașină alimentată de o celulă de combustibil cu o mașină alimentată de un motor pe benzină și o mașină alimentată de o baterie, puteți vedea cum celulele de combustibil ar putea îmbunătăți eficiența mașinilor.

Deoarece toate cele trei tipuri de mașini au multe din aceleași componente, vom ignora această parte a mașinii și vom compara eficiența până la punctul în care este produsă puterea mecanică. Să începem cu mașina cu pile de combustibil.

Dacă o pilă de combustie este alimentată cu hidrogen pur, eficiența acesteia poate fi de până la 80%. Astfel, transformă 80% din conținutul energetic al hidrogenului în energie electrică. Totuși, mai trebuie să transformăm energia electrică în lucru mecanic. Acest lucru se realizează printr-un motor electric și un invertor. Eficiența motorului + invertorului este, de asemenea, de aproximativ 80 la sută. Acest lucru oferă o eficiență generală de aproximativ 80*80/100=64%. Se pare că conceptul vehiculului Honda FCX are o eficiență energetică de 60%.

Dacă sursa de combustibil nu este sub formă de hidrogen pur, atunci vehiculul va avea nevoie și de un reformator. Reformatorii transformă combustibilii cu hidrocarburi sau alcool în hidrogen. Ele generează căldură și produc CO și CO2 pe lângă hidrogen. Pentru purificarea hidrogenului rezultat sunt folosite diverse dispozitive, dar această purificare este insuficientă și reduce eficiența celulei de combustie. Prin urmare, cercetătorii au decis să se concentreze pe celulele de combustie pentru vehiculele care rulează pe hidrogen pur, în ciuda problemelor asociate cu producerea și stocarea hidrogenului.

Eficiența unui motor pe benzină și a unei mașini pe baterii electrice

Eficiența unei mașini alimentate cu benzină este surprinzător de scăzută. Toată căldura care iese sub formă de evacuare sau este absorbită de radiator este energie risipită. Motorul folosește, de asemenea, multă energie pentru a porni diferitele pompe, ventilatoare și generatoare care îl mențin în funcțiune. Astfel, eficiența globală a unui motor pe benzină de automobile este de aproximativ 20 la sută. Astfel, doar aproximativ 20% din conținutul de energie termică al benzinei este transformat în lucru mecanic.

Un vehicul electric alimentat de baterii are o eficiență destul de ridicată. Bateria are o eficiență de aproximativ 90 la sută (majoritatea bateriilor generează ceva căldură sau necesită încălzire), iar motorul + invertorul are o eficiență de aproximativ 80 la sută. Acest lucru oferă o eficiență generală de aproximativ 72 la sută.

Dar asta nu este tot. Pentru ca o mașină electrică să se deplaseze, electricitatea trebuie mai întâi generată undeva. Dacă era o centrală electrică care folosea un proces de ardere a combustibililor fosili (mai degrabă decât energie nucleară, hidroelectrică, solară sau eoliană), atunci doar aproximativ 40 la sută din combustibilul consumat de centrală a fost transformat în energie electrică. În plus, procesul de încărcare a unei mașini necesită conversia curentului alternativ (AC) în curent continuu (DC). Acest proces are o eficiență de aproximativ 90 la sută.

Acum, dacă ne uităm la întregul ciclu, eficiența unui vehicul electric este de 72% pentru mașina în sine, 40% pentru centrala electrică și 90% pentru încărcarea mașinii. Acest lucru oferă o eficiență generală de 26 la sută. Eficiența generală variază considerabil în funcție de centrala electrică utilizată pentru a încărca bateria. Dacă energia electrică pentru o mașină este generată, de exemplu, de o centrală hidroelectrică, atunci randamentul unei mașini electrice va fi de aproximativ 65 la sută.

Oamenii de știință cercetează și perfecționează design-uri pentru a îmbunătăți în continuare eficiența celulelor de combustie. Una dintre noile abordări este de a combina vehiculele alimentate cu celule de combustibil și baterii. Un vehicul concept este în curs de dezvoltare pentru a fi propulsat de un motor hibrid alimentat cu celule de combustibil. Acesta folosește o baterie cu litiu pentru a alimenta mașina, în timp ce o celulă de combustibil reîncarcă bateria.

Vehiculele cu celule de combustibil sunt potențial la fel de eficiente ca o mașină alimentată cu baterii care este încărcată de la o centrală electrică fără combustibili fosili. Dar atingerea unui astfel de potențial într-un mod practic și accesibil poate fi dificilă.

De ce să folosiți pile de combustibil?

Motivul principal este tot ce ține de ulei. America trebuie să importe aproape 60 la sută din petrolul său. Până în 2025, se preconizează că importurile vor crește la 68%. Americanii folosesc zilnic două treimi din petrol pentru transport. Chiar dacă fiecare mașină de pe stradă ar fi o mașină hibridă, până în 2025 SUA ar trebui să folosească în continuare aceeași cantitate de ulei pe care americanii au consumat-o în 2000. Într-adevăr, America consumă un sfert din tot petrolul produs în lume, deși aici trăiește doar 4,6% din populația lumii.

Experții se așteaptă ca prețurile petrolului să continue să crească în următoarele câteva decenii, pe măsură ce sursele mai ieftine se usucă. Companiile petroliere trebuie să dezvolte zăcăminte de petrol în condiții din ce în ce mai dificile, ceea ce va conduce la creșterea prețului petrolului.

Temerile se extind cu mult dincolo de securitatea economică. O mare parte din veniturile din vânzarea petrolului sunt cheltuite pentru sprijinirea terorismului internațional, a partidelor politice radicale și a situației instabile din regiunile producătoare de petrol.

Utilizarea petrolului și a altor combustibili fosili pentru energie produce poluare. Cel mai bine este ca toată lumea să găsească o alternativă - arderea combustibililor fosili pentru energie.

Pilele de combustie sunt o alternativă atractivă la dependența de petrol. Pilele de combustie produc apă curată ca produs secundar în loc de poluare. În timp ce inginerii s-au concentrat temporar pe producerea hidrogenului din diverse surse fosile, cum ar fi benzina sau gazul natural, modalități regenerabile și ecologice de a produce hidrogen în viitor sunt explorate. Cel mai promițător, desigur, va fi procesul de obținere a hidrogenului din apă.

Dependența de petrol și încălzirea globală este o problemă internațională. Mai multe țări sunt implicate în comun în dezvoltarea cercetării și dezvoltării pentru tehnologia celulelor de combustie.

În mod clar, oamenii de știință și producătorii au mult de lucru înainte ca celulele de combustie să devină o alternativă la metodele actuale de producere a energiei. Și totuși, cu sprijinul lumii întregi și cooperarea globală, un sistem energetic viabil bazat pe celule de combustibil poate deveni o realitate în câteva decenii.

Invenţia propusă se referă la plăci de celule de combustibil bipolare (FC). Placa TE bipolară propusă de formă rotundă conține plăci divizoare având o zonă mijlocie în care canalele sunt situate de-a lungul evolvenelor cercului care limitează zona centrală, iar circumferința de-a lungul căreia sunt construite evolvenele este egală cu produsul numărului de evolvente. canale pe pas, iar treapta de canal este uniformă de-a lungul circumferinței, zona centrală, care include capetele interioare ale canalelor evolvente și marginile canalelor de pe plăci sunt amplasate în așa fel încât în ​​timpul asamblarii acestea se intersectează, formând plane. colectoare centrale, zona inelară periferică, formată din canale care se intersectează și proeminențe conice, prin care se organizează alimentarea și îndepărtarea de reactivi și de răcire la capetele exterioare ale canalelor evolvente respective. Plăcile de separare de-a lungul periferiei și marginea de etanșare periferică au deschideri care coincid de-a lungul periferiei, care, la asamblarea bateriei celulei de combustibil, formează canale colectoare pentru alimentarea cu oxidant, combustibil și lichid de răcire prin canalele orizontale către zona inelară periferică a plăcilor de separare. și mai departe în cavitățile corespunzătoare și îndepărtarea reactivilor din acestea. Crearea unei plăci bipolare metalice rigide și ușoare de formă rotundă, care asigură o îndepărtare și alimentare uniformă a combustibilului, oxidantului și lichidului de răcire pe întreaga zonă a celulei de combustie este rezultatul tehnic al invenției. 3 w.p. f-ly, 6 ill.

Desene ale brevetului RF 2516245

Soluția tehnică revendicată se referă la domeniul conversiei directe a energiei chimice în energie electrică, în special, la proiectarea unei plăci de celule de combustibil bipolare (FC).

Sunt cunoscute numeroase opțiuni pentru proiectarea pilelor de combustie, în care sunt utilizate plăci bipolare dreptunghiulare.

Unul dintre analogii unor astfel de plăci bipolare este o pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni, descrisă în brevetul US nr. 6261710 (clasa IPC H01M 8/02, data de prioritate 25.11.1998). Conform prezentei invenţii, placa bipolară cuprinde plăci de tablă separatoare superioară şi inferioară, în care sunt ştanţate canale rectilinii cu profil triunghiular. Canalele sunt proiectate pentru alimentarea și îndepărtarea combustibilului, oxidantului și agentului frigorific.

Când plăcile de separare intră în contact în timpul asamblării, între ele se formează o cavitate internă a agentului frigorific, iar canalele externe formează cavitățile combustibilului și ale oxidantului. Placa bipolară include și o garnitură de etanșare periferică.

Dezavantajele analogului, și anume greutatea crescută, dimensiunile și perimetrul de etanșare semnificativ, sunt asociate cu forma dreptunghiulară a plăcii bipolare. Se știe că un cerc este o linie de lungime minimă care delimitează suprafața totală a unei forme date. Numai plăcile bipolare rotunde și, în consecință, o stivă de celule de combustie bazată pe acestea, pot avea cea mai mică masă, dimensiuni și perimetru de etanșare.

Cea mai apropiată de soluția tehnică revendicată și, prin urmare, luată ca prototip, este o baterie pentru celule de combustie care conține ansambluri membrană-electrod și bipolare (plăci), declarată în brevetul RF nr. 8/ 02, data de prioritate 03.10.2007) . Această stivă de celule de combustie conține componente rotunde (din punct de vedere al) componentelor, în special plăci bipolare cu canale pentru alimentarea și descărcarea gazelor anodice și catodice, lichid de răcire. Fiecare ansamblu bipolar constă din plăci metalice adiacente, care separă catodul, mijlocul și anodul. Plăcile de separare a catodului și anodului sunt prevăzute cu canale pentru alimentarea cu gaz catodic în aer și gaz anod către electrozii de hidrogen ai ansamblurilor membrană-electrod, iar placa din mijloc este prevăzută cu canale pentru circulația lichidului de răcire între plăcile catod și anod. Canalele plăcii catodice sunt sub formă de spirale, canalele plăcii anodice sunt sub formă de semicercuri, iar canalele plăcii de mijloc sunt sub formă de fante arcuite. Colectorul de intrare a gazului catodic este canalul central care pătrunde în FC, inclusiv ansamblurile bipolare, colectorul de ieșire a gazului catodic este realizat sub forma unui canal sub formă de fantă situat de-a lungul generatricei bateriei. Colectorii de intrare și ieșire a gazului anodic și a agentului frigorific sunt, de asemenea, realizate sub formă de canale sub formă de fante plasate opus de-a lungul bateriilor. Canalele de pe suprafața plăcilor anodului și catodic ale ansamblurilor bipolare pot fi realizate prin ștanțare.

Dezavantajele soluției tehnice revendicate în prototip sunt următoarele.

În primul rând, canalele tuturor celor trei cavități sunt organizate astfel încât să difere semnificativ în lungime și formă. Lungimea și forma inegale creează rezistență hidraulică diferită a canalelor la fluxul de reactivi și agent frigorific și, ca urmare, o distribuție neuniformă a reacției generatoare de curent pe zona celulei de combustibil.

Această împrejurare reduce eficiența celulelor de combustie și înrăutățește rezistența la coroziune a stivei de celule de combustibil, care, la rândul său, îi reduce durata de viață.

În al doilea rând, organizarea canalelor fante prin contactul cu suprafața interioară a carcasei dielectrice cilindrice și suprafața exterioară a suprafeței interioare a pachetului, constând din membrană-electrod și ansambluri bipolare, care este aproape imposibil de netezit, face foarte dificilă. pentru a realiza etanșeitatea intercavității bateriei.

Obiectivul proiectării propuse a plăcii rotunde pentru pile de combustie bipolară este de a oferi condiții pentru distribuția uniformă a reactivilor și a agentului frigorific pe zona celulei de combustie și de a simplifica problema realizării etanșeității în timpul asamblarii, atât între cavitățile bateriei, cât și ale combustibilului. bateria celulară în sine în raport cu mediul extern și, în plus, asigură rigiditatea necesară a plăcii bipolare, ceea ce este deosebit de important atunci când este realizată din tablă extrem de subțire, cu o grosime de până la 0,05 mm.

Soluția acestei probleme constă în faptul că în binecunoscutul design al unui FC de formă rotundă, constând dintr-o membrană-electrod, precum și un ansamblu bipolar, care conține canale pentru circulația anodului, a gazelor catodice și a agentului frigorific. obținut prin ștanțare, cu o dispunere opusă (opusă) a intrărilor și ieșirilor gazului anodic și a agentului frigorific, orificii pentru fixarea și centrarea ansamblurilor bipolare în timpul montajului bateriei, conform soluției tehnice propuse, se modifică forma canalelor, numărul de plăci de separare din ansamblul bipolar este redusă la două, datorită excluderii plăcii centrale, iar în loc de cinci canale centrale sub formă de fante și unul rotund (colectori) de intrare și ieșire a gazelor catodice și anodice și a agentului frigorific, o multitudine de colectoarele de intrare și ieșire a gazelor catodice, anodice și a agentului frigorific, formate din găuri, sunt organizate în marginea periferică a plăcii bipolare a celulei de combustie de formă rotundă.

Conform soluției tehnice revendicate, în loc de canale spiralate (pentru gaz catodic), semicirculare (pentru gaz anod) și arcuite (pentru agent frigorific), canalele ambilor reactivi și agentul frigorific al plăcii bipolare FC inventive au formă rotundă, realizate. de-a lungul evolventelor cercului care delimitează zona centrală și este uniform distanțat peste zonă . Capetele interioare ale canalelor evolvente sunt conectate la zona centrală, iar capetele exterioare ale canalelor evolvente din zona inelară periferică sunt conectate prin intermediul unor canale orizontale cu găuri colectoare, de exemplu, trapezoidale, situate în jurul circumferinței pe periferie. marginea de etanșare a plăcii FC bipolare. Numai utilizarea acestui design face posibilă obținerea de canale de lungime egală și aceeași formă pentru plăcile FC bipolare de formă rotundă. Circumferința de-a lungul căreia sunt construite evolvenele este egală cu produsul numărului de canale pe pas, iar pasul canalului este uniform de-a lungul circumferinței și, prin urmare, grosimile nervurilor care formează canalele sunt egale și toate canalele au aceeași rezistență hidraulică, care asigură o uniformitate ridicată a reacției electrochimice generatoare de curent de către zona pilei de combustibil și, ca urmare, eficiența ridicată a stivei de celule de combustibil în ansamblu.

Canalele de combustibil, oxidant și lichid de răcire sunt ștanțate în două plăci despărțitoare din tablă subțire, care fac parte din placa bipolară a celulei de combustibil. Ambele plăci de separare (anod și catod) sunt ferm conectate între ele, de exemplu, lipite în toate punctele de contact. De asemenea, sunt lipite împreună toate locurile în care piesele vin în contact cu marginea periferică de etanșare.

Nu există canale involutive în zona centrală, rotundă a plăcii bipolare TE. Canalele pentru fluxul de reactivi și lichid de răcire în zona centrală sunt organizate folosind nervuri extinse separate, a căror lungime, formă și poziție relativă asigură amestecarea completă și medierea concentrației de gaze și lichid de răcire care intră în el din toate canalele evolvente. Pentru a asigura rigiditatea structurii în zona centrală, nervurile plăcilor de separare a anodului și catodic ale plăcii bipolare sunt dispuse în așa fel încât să se intersecteze, formând un fel de grilă.

În zona inelară periferică a plăcii bipolare FC, circulația reactivilor și a lichidului de răcire se organizează și cu ajutorul nervurilor. Nervurile plăcilor de separare a anodului și catodic pentru a asigura rigiditatea plăcii bipolare în această zonă sunt de asemenea amplasate în așa fel încât să se intersecteze între ele, asigurând rigiditatea acestei secțiuni.

Colectoarele verticale pentru alimentarea și îndepărtarea reactivilor și a lichidului de răcire din bateria FC sunt formate în timpul asamblarii bateriei FC din orificiile situate în marginea de etanșare periferică a plăcii bipolare rotunde FC.

Un pachet format din ansambluri membrană-electrod și plăci FC bipolare de formă rotundă este sigilat de-a lungul marginilor lor, de exemplu, cu un etanșant sau lipici.

Astfel, soluția tehnică revendicată asigură o distribuție uniformă a fluxurilor de reactiv și lichid de răcire pe întreaga zonă a celulei de combustibil, etanșarea fiabilă a anodului, catodului și cavităților de răcire între ele și toate cavitățile în raport cu mediul extern, rigiditatea și rezistența necesară a plăci de celule de combustie bipolare din tablă special subțire.

Soluția tehnică propusă este prezentată în figurile următoare. Figura 1 - Vedere generală a plăcii bipolare propuse TE formă rotundă. Figura 2 - zona de mijloc a canalelor evolvente la scară mai mare. Figura 3 prezintă o secțiune transversală a zonei de mijloc a canalelor evolvente. Fig. 4 prezintă zona centrală la o scară mai mare. Fig.5 - un fragment mărit al zonei inelare periferice cu o margine periferică de etanșare. Fig.6 - celula de combustie in sectiune de-a lungul cavitatii anodice.

Placa bipolară TE formă rotundă (figura 1) conține următoarele zone: canale efectiv involvente - mijloc (1), inelar periferic (2), în care capetele exterioare ale canalelor evolvente sunt conectate la orificiile colectoare din marginea de etanșare periferică, central (3), unde se îndreaptă capetele interioare ale canalelor evolvente, precum și marginea de etanșare periferică (4). în figura 1, zona mediană (involută) (1) și zona inelară periferică (2) nu sunt prezentate în întregime; de fapt, acopera uniform întreaga suprafață a plăcii FC bipolare, în formă rotundă, inventive.

În figura 2, zona de mijloc a canalelor evolvente (1) este prezentată la o scară mai mare pentru a-și arăta canalele (5) și nervurile (bulburi) (6).

Secțiunea transversală a zonei mijlocii a canalelor evolvente (figura 3) oferă o idee despre modul în care plăcile de separare a anodului (8) și catodul (9) sunt conectate, de exemplu, lipite între ele (cusătura lipită este indicată de poziţia 7), formând o cavitate pentru circulaţia agentului frigorific între suprafeţele lor interioare ( 10). Suprafețele exterioare ale plăcilor de separare a catodului (9) și anodului (8) servesc la formarea canalelor prin care circulă combustibilul (11) și respectiv oxidantul (12).

Figura 4 prezintă locația în zona centrală a nervurilor canalelor catodului (13) (linii continue) ale plăcii de separare și anodului (14) (linii întrerupte) ale plăcii de separare. Canalele zonei centrale a ambelor plăci sunt amplasate în așa fel încât la asamblarea plăcii bipolare FC, canalele se intersectează, formând un colector central plat, care servește la distribuirea uniformă a combustibilului, oxidantului și lichidului de răcire în zona centrală. În plus, o astfel de aranjare a canalelor face posibilă întărirea zonei centrale (3) a plăcii bipolare. Figura 4 arată, de asemenea, modul în care canalele evolvente (5) și nervurile lor (6) se articulează cu canalele și nervurile zonei centrale.

Figura 5 prezintă modul în care nervurile canalelor anodului (15) și nervurile canalelor plăcilor de separare a catodului (16) se intersectează în zona inelară periferică (2) a plăcii FC bipolare de formă rotundă, asigurând-o. rigiditate și rezistență în această zonă. Nervurile canalului (15 și 16) împreună cu proeminențele conice (17) formează un fel de colectoare plate care distribuie uniform combustibilul, oxidantul și lichidul de răcire la intrarea către capetele exterioare ale canalelor evolvente corespunzătoare din zona mijlocie a canalelor evolvente (1). ) a plăcii FC bipolare de formă rotundă și iese din ele. Găurile (18) din marginea de etanșare periferică (4) și de-a lungul periferiei plăcilor de separare a anodului (8) și a catodului (9), de exemplu, trapezoidale, formează canale colectoare verticale în timpul asamblarii stivei de celule de combustibil pentru alimentarea și retragând reactivii și reactivii FC în cavitățile corespunzătoare ale agentului frigorific al plăcii bipolare prin canale orizontale (19) și prin orificiile pentru fixarea și centrarea ansamblurilor bipolare în timpul asamblarii bateriei (20), elementele de fixare trec, de exemplu, știfturi (arcuri de tijă) care strângeți pilele de combustie într-o baterie de celule de combustibil. Găurile pentru fixarea și centrarea ansamblurilor bipolare în timpul asamblării bateriei (20) sunt distanțate uniform în jurul circumferinței plăcii bipolare a FC de formă rotundă și pot fi, de exemplu, trei dintre ele.

Fig.6 oferă o vedere a întregului element de combustibil în secțiune. FC conține o placă bipolară (21), care include plăci de separare a anodului (8) și a catodului (9), formând canale pentru circulația agentului frigorific (10) între ele și împreună cu anodul (22) și catodul (23) formând canale pentru circulația combustibilului (11) și canale pentru circulația oxidantului (12). Compoziția plăcii FC bipolare de formă rotundă include, de asemenea, o margine de etanșare periferică (4) având găuri, cu ajutorul căreia, la asamblarea plăcilor FC bipolare de formă rotundă, se formează canale colectoare verticale (24) în baterie FC, din care reactivii intră prin canalele orizontale (19) în canalele adecvate pentru circulație, de exemplu, ca în acest caz combustibilul (11), adică. la anodul (22) și la canalele de circulație a oxidantului (12), adică. la catod (23) și agentul frigorific către canalul de circulație a agentului frigorific (10). Compoziţia celulei de combustie include, de asemenea, o membrană electrolit (25) cu marginea sa periferică de etanşare (26).

Funcționarea unei celule de combustibil cu proiectarea propusă a unei plăci bipolare este prezentată în exemplul de circulație a combustibilului (Fig. 6) și se desfășoară după cum urmează. Combustibilul din canalele colectoare verticale (24) prin canalele orizontale (19) intră în colectoarele plate ale zonei inelare periferice (2) și este distribuit uniform de-a lungul canalelor evolvente pentru circulația combustibilului (11) din zona mijlocie a canalului evolventă. (1), din zona mijlocie a canalului evolvent (1) combustibilul intră apoi în canalele zonei centrale (3), în care este amestecat combustibilul primit din toate canalele evolvente ale zonei mijlocii (1), în timp ce concentrația componentelor sale, în special a impurităților, cum ar fi dioxidul de carbon, monoxidul de carbon și altele, este garantată pentru a egaliza impuritățile în cazul în care hidrogenul obținut prin transformarea hidrocarburilor este utilizat drept combustibil. Într-un mod similar, dar în ordine inversă, componentele inerte sunt îndepărtate din cavitatea formată de canalele de circulație a combustibilului, pe partea opusă celulei de combustibil cu fluxul de combustibil în circulație.

Oxidantul din colectorul vertical respectiv și canalele orizontale intră în același mod în zonele similare ale cavității formate de canalele de circulație a oxidantului, placa bipolară a celulei rotunde de combustie. Impuritățile inerte conținute în oxidant sunt îndepărtate în mod similar din partea opusă a celulei de combustie.

Un agent frigorific circulă prin cavitatea plăcii bipolare FC de formă rotundă, formată din canale pentru lichidul de răcire (10), care îndepărtează căldura degajată în reacția electrochimică generatoare de curent de oxidare a combustibilului. Conectate, de exemplu, canalele evolvente lipite împreună de-a lungul întregii lungimi a nervurilor în zona mijlocie (1), precum și la toate intersecțiile nervurilor din zonele inelare periferice (2) și centrale (3), dau bipolar. placa rigiditatea și rezistența necesare.

Distribuția uniformă a fluxurilor de reactiv și lichid de răcire pe zona FC, împreună cu presarea uniformă și suficientă garantată a electrozilor către matrice, asigurată de rigiditatea și rezistența plăcii bipolare, au făcut posibilă realizarea unor caracteristici electrice ridicate ale celule de combustibil.

Plăci bipolare de nichel ale celulelor de combustie alcaline din designul revendicat au fost realizate pentru electrozi cu o suprafață de 700 cm 2 și o grosime a plăcii separatoare de 0,06 mm. Greutatea plăcii bipolare a fost în medie de 150 g. Toate plăcile au îndeplinit cerințele de proiectare. Etanșeitatea cavității de răcire în raport cu cavitățile de combustibil și oxidant și toate cele trei cavități în raport cu mediul extern, precum și bateriile de celule de combustibil fabricate folosind plăcile de celule de combustibil bipolare conform invenției, au îndeplinit cerințele tehnice. Cerințele tehnice au îndeplinit și rezistența și rigiditatea tuturor plăcilor bipolare, caracterizate prin absența deformării la o sarcină de 3 kg/cm 2 . Uniformitatea ridicată a fluxurilor de reactivi și agent frigorific peste zona pilei de combustie s-a manifestat în eficiența ridicată a celulelor de combustie: ca parte a bateriilor de celule de combustie la o temperatură de 99°C, concentrația de potasiu caustic în electrolit este de 8,3 g. -eq/l iar presiunea oxigenului și hidrogenului este de 4,2 kg/cm 2 , tensiunea celulei medii a bateriei a fost de 985 mV la o densitate de curent de sarcină de 200 mA/cm 2 , iar puterea specifică a fost de 0,43 kg TEQ/kW şi 805 mV (0,52 kg TEQ/kW) la 1000 mA/cm2. La bateriile FC cu o suprafață mai mică de electrozi (176 cm2) la o temperatură de 121°C și aceeași concentrație de electroliți, presiunea gazului și densitatea curentului de sarcină de 4200 mA/cm2, tensiunea medie a fost de 612 mV (0,18 kg TEQ). /kW).

Utilizarea designului revendicat face posibilă fabricarea de baterii compacte cu mai multe elemente, de înaltă performanță, capabile să funcționeze fiabil pentru o perioadă lungă de timp, atât la presiunea atmosferică a combustibilului, a oxidantului și a agentului frigorific, cât și la presiuni ambientale semnificativ mai mari decât presiunea atmosferică. , precum și în vid. Toate acestea le permit să fie utilizate nu numai în zonele tradiționale, ci și acolo unde sunt necesare produse cu caracteristici mari de greutate și dimensiune, în primul rând în spațiu și pe vehicule subacvatice.

Surse de informare

1. Brevetul SUA nr. 6261710 „Design plăci bipolare din tablă pentru celule de combustibil cu membrană cu electrolit polimeric”, clasa. IPC H01M 2/00, data de prioritate 17.07.2001.

2. Brevet RF Nr. 2355072 „Baterie cu pile de combustie”, clasa. IPC H01M 8/10, H01M 8/02, data de prioritate 03.10.2007.

REVENDICARE

1. O placă bipolară a unei celule de combustie de formă rotundă, care conține plăci despărțitoare interconectate cu canale pentru circulația combustibilului, oxidantului și lichidului de răcire și un aranjament opus al intrării și ieșirii oxidantului, combustibilului și lichidului de răcire, caracterizat prin aceea că: plăcile de separare sunt realizate astfel încât să formeze o zonă de mijloc, în care canalele sunt situate de-a lungul evolvenelor cercului care delimitează zona centrală, iar lungimea cercului de-a lungul căruia sunt construite evolvenele este egală cu produsul a numărului de canale pe pas, iar pasul canalului este uniform de-a lungul circumferinței, zona centrală, care include capetele interioare ale canalelor evolvente și marginile canalelor care sunt situate pe plăci astfel încât în ​​timpul asamblarii se intersectează, formând colectori centrali plani, o zonă inelară periferică constând din canale care se intersectează și proeminențe conice, prin care se organizează alimentarea și îndepărtarea de reactivi și agent frigorific la capetele exterioare ale canalelor evolvente corespunzătoare, iar plăcile de separare de-a lungul periferiei și marginea de etanșare periferică au deschideri care coincid de-a lungul periferiei, care, la asamblarea stivei de celule de combustibil, formează canale colectoare pentru alimentarea cu oxidant, combustibil și lichid de răcire prin canalele orizontale către zona inelară periferică a separatorului. plăci și mai departe în cavitățile corespunzătoare și îndepărtarea din acestea.

2. Placă de pile de combustie bipolară de formă rotundă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că plăcile de separare sunt lipite în toate punctele de contact şi pe marginea periferică de etanşare.

3. Placă de pile de combustie bipolară de formă rotundă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că orificiile colectoare de pe marginea de etanşare periferică şi de-a lungul periferiei plăcilor de separare sunt realizate trapezoidale.

4. Placă de pile de combustie bipolară de formă rotundă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că orificiile de fixare şi centrare a bateriei în timpul asamblării, situate uniform de-a lungul marginii de etanşare periferică şi de-a lungul periferiei plăcilor de separare, coincid.