Власники патенту RU 2267833:

Винахід відноситься до автомобілебудування, суднобудування, енергетичної, хімічної та електрохімічної галузей промисловості, зокрема при електроліз для отримання хлору, і може знайти застосування при виробництві паливних елементів з мембранно-електродним блоком. Технічним результатом винаходу є розширення функціональних можливостей, поліпшення експлуатаційних властивостей та характеристик біполярних пластин та паливного елемента в цілому, отримання біполярних пластин з струмовідними виступами довільної форми та розташування з висотою виступів від 0,3 до 2,0 мм, а також підвищення ефективності транспорту реагентів та відведення продуктів реакції, підвищення корозійної стійкості по периферії з технологічним навантаженням, що становить з центральною електропровідною частиною, що має функціональне навантаження, єдине ціле. Біполярна пластина, що складається з периферійних частин з отворами і центральної частини з струмовідними виступами довільної форми, вершини яких розташовані в одній площині з периферійними частинами, при цьому струмоведучі виступи виконані із заданою площею основи, з наведеним діаметром на підставі 0,5-3,0 мм, висотою від 0,3 до 2,0 мм та з кроком між центрами струмопровідних виступів 1,0-4,0 мм. Спосіб отримання біполярної пластини включає приготування термоотверждаемой смоли заданого складу в летючому розчиннику з вуглецевим наповнювачем, перемішування, сушіння, відпал і пресування багаторазового навантаження до тиску 15-20 МПа при температурі затвердіння смоли. При цьому відпал суміші проводять при температурі на 50-60°З меншою, ніж температура термозатвердіння суміші. При приготуванні суміші вуглецевих порошків з розчинником співвідношення твердої та рідкої фаз знаходиться в діапазоні від 1:3 до 1:5. До складу вихідної суміші для пресування додають 0,1-3% пороутворювача. 2 н. та 6 з.п. ф-ли, 3 іл.

Винахід відноситься до автомобілебудування, суднобудування, енергетичної, хімічної та електрохімічної галузей промисловості, зокрема при електроліз для отримання хлору, і може знайти застосування при виробництві паливних елементів з мембранно-електродним блоком.

Відомі біполярні пластини, що складаються з центральної та периферійних частин, розташованих навколо центральної частини. На центральній частині з однієї або з двох сторін розташовані для розподілу потоків газоподібних реагентів поздовжні паралельні лабіринтні канавки, що утворюють між собою функціональні струмоведучі виступи з вершинами, розташованими в одній площині, з одним центральним і двома діагональними отворами для циркуляції та розподілу потоків електроліту. На периферійних частинах пластин розташовані наскрізні отвори їхнього складання в пакет. Периферійна та центральна частини розділені ущільнюючим елементом по периметру центральної частини. При цьому для організованого розподілу потоків газоподібних реагентів поздовжні паралельні канавки, як і функціональні струмоведучі виступи, мають лабіринтний напрямок від центрального отвору до периферійних отворів або навпаки, див. рекламний каталог фірми Schunk KOHLNSTOFF GmbH.

Недоліками відомих біполярних пластин паливного елемента є зниження ефективності транспорту реагентів і відведення продуктів реакції на екранованих ділянках пористого колектора струму і, як наслідок, зниження щільності струму комірки паливного елемента при заданій напругі, можливість перекривання каналів краплями конденсується води при флуктуаціях в /або водному балансі системи, що також веде до зниження ефективності транспорту реагентів та відведення продуктів реакції по цих каналах і, як наслідок, зниження щільності струму осередку паливного елемента при заданому напрузі.

Відомий спосіб отримання біполярних пластин, що включає приготування суміші термоотверждаемой смоли певного складу в летючому розчиннику, перемішування вуглецевого наповнювача з приготовленим розчином до однорідного стану, сушіння, пресування і термоотверждение (заявка на патент США №US 2002/0037448 A3. 01 М 8/02; Н 01 В 1/4; Н 01 В 1/20).

Недоліком відомого способу є проведення термозатвердіння не одночасно, а після пресування виробу. Крім того, низькотемпературне сушіння суміші не забезпечує видалення великої кількості летючих компонентів з сполучного, що призводить до непропресування мікрооб'ємів у матеріалі біполярних пластин, особливо в місцях струмовідних виступів, що служать для забезпечення електричного контакту та механічного притиску колектора струму до каталітичного шару, що призводить до утворення дефектних місць на підставі виступів та руйнування останніх під впливом робочого навантаження при складанні та експлуатації батареї паливних елементів.

Найближчим технічним рішенням є біполярні пластини і спосіб виготовлення, що складаються з центральної і периферійних частин, розташованих протилежно відносно центральної частини. На центральній частині з однієї або з двох сторін для розподілу потоків газоподібних реагентів розташовані поздовжні паралельні канавки, що утворюють між собою струмовідні виступи з вершинами, розташованими в площині периферійних частин пластин, та їх сполучні. На периферійних частинах пластин розташовані наскрізні отвори, які після складання пакет з суміжними пластинами утворюють поздовжні канали для поліпшення циркуляції і розподілу потоків електроліту. Спосіб отримання біполярних пластин включає змішання порошкових вуглеграфітових компонентів і термопластичного сполучного, стійкого до корозії, холодне пресування порошкоподібної суміші у формі при 14500 кПа, нагрівання при 150°С, зниження тиску при 2000 кПа, підвищення температури до 205°С, доведення тиску знову до 14500 кПа, з кінцевою фазою поступового зниження тиску та температури. Див. опис до патенту UA №2187578 С2, МПК 7 З 25 9/04, 9/00.

Недоліками відомих біполярних пластин є рівномірний розподіл потоку тільки на короткій ділянці, визначеній довжиною середньої частини, та обмежений простір для розподілу потоків газоподібних реагентів, визначений кількістю поздовжніх паралельних канавок. Недоліком відомого способу отримання біполярних пластин є складна технологія виготовлення, яка призводить до зниження ефективності формування струмопровідних виступів та додаткових витрат.

Технічним результатом винаходу є розширення функціональних можливостей, поліпшення експлуатаційних властивостей та характеристик біполярних пластин та паливного елемента в цілому, отримання біполярних пластин з струмовідними виступами довільної форми та розташування з висотою виступів від 0,3 до 2,0 мм, а також підвищення ефективності транспорту реагентів та відведення продуктів реакції, підвищення корозійної стійкості по периферії з технологічним навантаженням, що становить з центральною електропровідною частиною, що має функціональне навантаження, єдине ціле. Технічний результат досягається тим, що в біполярній пластині, що складається з периферійних частин з отворами і центральної частини з токоведущими виступами, вершини яких розташовані в одній площині з периферійними частинами, токоведущие виступи виконані з заданою геометричною площею основи, з наведеним діаметром 5 -3,0 мм, висотою від 0,3 до 2,0 мм і з кроком між центрами струмоведучих виступів 1,0-4,0 мм, виконані з основою у вигляді кола або квадрата, або прямокутника, або еліпса, або ромба, або трапеції, або їх поєднань, струмовідні виступи виконані у формі усіченої піраміди, або циліндра, або конуса, або піраміди; струмопровідні виступи виконані у вигляді призми з наведеним діаметром в підставі 0,5-3,0 мм, висотою від 0,3 до 2,0 мм і з кроком між центрами струмовідних виступів 1,0-4,0 мм, причому струмоведучі виступи розташовані довільно або впорядковано, або в шаховому, або ромбічному, або круговому, або спіральному, або лабіринтному порядку їх розташування, а в способі отримання біполярних пластин, що включає приготування суміші термостверджуваної смоли заданого складу в летючому розчиннику, введення вуглецевого наповнювача до перемішування , сушіння, пресування і термозатвердіння, суміш перед пресуванням піддають сушінню з наступним відпалом при температурі на 50-60°З меншою, ніж температура термозатвердіння суміші, а пресування ведуть багаторазовим навантаженням до тиску 15-20 МПа, при цьому одночасно нагрівають до затвердіння суміші, відпал здійснюють з поступовим підвищенням температури протягом 10,0-15,0 год і наступною витримкою при цій температурі протягом 1 ,0-2,0 год, а пресування ведуть при температурі робочого органу пресуючого агрегату в 1,5-2,0 рази вище температури відпалу, співвідношення "т:ж" при формуванні суміші вуглецевих порошків з розчинником смоли, що термоотверждается, вибирають в діапазоні від 1 :3 до 1:5, до складу вихідної суміші для пресування додають 0,1-3,0% пороутворювача.

Це дозволить забезпечити рівномірний розподіл реагентів по поверхні осередку паливного елемента та ефективне відведення продуктів реакції і, як наслідок, підвищити щільність струму на осередку паливного елемента при заданій напрузі.

У способі отримання біполярних пластин, що включає приготування суміші термоотверждаемой смоли певного складу в летючому розчиннику, введення вуглецевого наповнювача і їх перемішування до однорідного стану, сушіння, пресування і термоотверждение, суміш перед пресуванням піддають сушінню з наступним відпалом при температурі , Чим температура термоотверждения суміші, а пресування ведуть багаторазовим навантаженням до тиску 15-20 МПа одночасно з нагріванням, що відповідає затвердінню суміші. При цьому відпал здійснюють з поступовим підвищенням температури протягом 10,0-15,0 год та наступною витримкою при цій температурі протягом 1,0-2,0 год, а пресування ведуть при температурі робочого органу пресуючого агрегату 1,5-2 ,0 рази вище за температуру відпалу. Співвідношення "т:ж" (твердої та рідкої фаз) при формуванні суміші вуглецевих порошків з розчинником термоотверждаемой смоли (ацетоном) варіюється в діапазоні від 1:2 до 1:5, а до складу вихідної суміші для пресування додають 0,1-3, 0% (мас.) пороутворювача.

Необхідність використання термоотверждаемой смоли викликана встановленим експериментально фактом відсутності належного ущільнення областей струмовідних виступів при пресуванні вуглецевмісних БП на термопластичному сполучному, що виражалося в слабкій адгезії струмоведучих виступів до тіла пластини та їх відшарування. Наявність у суміші для пресування термоотверждаемой смоли будь-якого складу дозволяє в цьому випадку формувати бездефектні струмоведучі виступи і БП в цілому по механізму спікання з рідкою фазою, що зникає незабаром після її появи незважаючи на нагрівання, що триває.

Послідовність основних операцій, що відбуваються в ході біполярних пластин, виглядає наступним чином: формують на поверхні частинок вуглецевого наповнювача тонкого шару полімерного термоотверждаемого сполучного під час підготовки суміші, її сушіння і наступного відпалу, ущільнення суміші, поява рідкої фази з-за плавлення шару наповнювача, подальше ущільнення виробу за рахунок усадки, характерної для рідкофазного спікання, термозатвердіння сполучного та виробу в цілому.

Необхідність відпалу перед пресуванням обумовлена ​​наявністю в агломерованих сумішах великої кількості летких компонентів, що перешкоджають ефективному пресуванню. Вища температура відпалу може призвести до небажаних процесів передчасного затвердіння сполучного в окремих мікрооб'ємах суміші, а більш низькотемпературний відпал виявляється неефективним.

Важливим параметром є тиск пресування. Для сумішей вуглецевих дисперсних наповнювачів і термостверджуваного сполучного тиску пресування залежить від конкретного виду наповнювача і не повинно перевищувати значення, вище якого відбувається видавлювання рідкого сполучного з суміші - 20 МПа. Низький тиск пресування (менше 15 МПа) не забезпечує ефективне ущільнення БП, особливо області струмоведучих виступів.

Проведення пресування одночасно з нагріванням прес-форми з сумішшю під затвердіння дозволяє реалізувати стадію 4 зазначеної вище послідовності явищ, що відбуваються в ході формування пластин.

Конструктивне виконання біполярної пластини ілюструється кресленнями, де на фіг.1 представлений загальний вигляд біполярної пластини, а на фіг.2 - переріз пластини А-А з струмовідними виступами, виконаними у вигляді, наприклад, циліндра, на фіг.3 - переріз пластини по А-А з токоведущими виступами, виконаними у вигляді, наприклад, конуса або піраміди.

Біполярна пластина складається з центральної частини 1 і периферійної частини 2. Центральна частина має виступи 3, вершини яких знаходяться в одній площині з периферійною частиною, висотою від 0,3 до 2 мм і діаметром 0,5-3,0 мм. Виступи розташовані в лінійному порядку по вертикалі та горизонталі з кроком 1,0-4,0 мм і дозволяють при більшій розвиненій площі та об'ємі проходження потоків газоподібних реагентів розподілити напруги, що виникають (тиску) по всіх напрямках. Можливий шаховий, ромбічний, круговий, спіральний чи лабіринтний порядок розташування виступів. А самі виступи можуть мати форму циліндра, усіченої піраміди, призми та/або усіченого конуса. Експериментально було встановлено, що залежно від наведених діаметрів виступів, їх висоти та кроком між центрами виступів - оптимальна форма струмоведучих виступів відрізняється, тому що вони по-різному оптимізують потоки реагентів, ефективність теплообміну та електропровідність. Так, зокрема, для кроку 1 мм оптимальною є форма усіченої піраміди. Для виступів з діаметром основи 0,5 мм оптимальною є форма еліпса. Для струмоведучих виступів з висотою 0,3 мм оптимальною є форма циліндра. Для конкретних режимів роботи (сила струму, напруга, потік реагенту, розмір осередку та ін) підбір оптимальної форми струмопровідних виступів та їх геометричних розмірів проводять індивідуально.

Біполярні пластини виготовляють в такий спосіб.

Комбінацію вуглецевих дисперсних компонентів змішують для утворення однорідної суміші з певною кількістю розчину смоли, що термоотверждается. У вигляді вуглецевих дисперсних компонентів може бути графіт, сажа, рубане волокно, подрібнений кокс тощо. Приготовлену суміш при періодичному перемішуванні поміщають на сушіння при кімнатній температурі для видалення основної кількості летючих складових. Таким чином, можна отримувати напівфабрикат у вигляді, наприклад, гранул для подальшого процесу виготовлення БП. Далі, після візуального огляду, суху суміш відпалюють при температурі на 50-60°З меншою, ніж температура термозатвердіння. Потім відпалену суміш пресують при тиску 15-20 МПа в прес-формі, пуансони якої виконані з поглибленнями, що формують струмовідні виступи під час пресування та затвердіння. Одночасно з пресуванням проводять нагрівання прес-форми сумішшю від температури відпалу до температури затвердіння. Після витримки при температурі затвердіння 0,5-1 год прес-форму витягають з пресу та охолоджують на повітрі, а потім розпресовують з використанням спеціального пристрою.

Важливою властивістю біполярної пластини є структура поверхні. Для отримання більш високих характеристик паливного елемента доцільно, щоб поверхня, по якій між токоведущими виступами проходять робочі гази, мала певну шорсткість та мікропористість. У цьому випадку вода, що утворюється в результаті реакції між газами, частково накопичується в поповерхневих порах і тим самим збільшує вологість газів, що позитивно впливає на питомі енергетичні характеристики паливного елемента. Формування потрібної структури приповерхневого шару за запропонованим способом на відміну від прототипу відбувається шляхом введення до складу вихідної суміші для пресування 0,1-3,0% (мас.) по відношенню до твердої складової суміші («т») пороутворювача (карбонату амонію, поліетиленгліколю , поліетилену). Введений до складу вихідної суміші пороутворювач для осадження води не впливає на затвердіння сполучного і, розкладаючись в процесі термообробки, пресування при затвердінні, формує структуру пластини, а отже, і приповерхневого шару (на глибину 1-2 мкм).

Зменшення вмісту пороутворювача менше 0,1% практично не впливає на мікропористість та шорсткість приповерхневого шару, а збільшення вмісту пороутворювача понад 3,0% недоцільно через зменшення механічної міцності та можливого виникнення наскрізної проникності пластин.

Спосіб отримання біполярної пластини ілюструється наведеними нижче прикладами.

Приклад 1. Для виготовлення однієї БП (з циліндричними струмоведучими виступами, розташованими лінійно, діаметром 0,5 мм, висотою 0,5 мм, з відстанню між центрами виступів 1,0 мм) розміром 100×100 мм, товщиною 7 мм та масою 115 г приготовляють суміш наступного складу із співвідношенням «т:ж»=1.33:3.00

Графіт марки KS-10 – 98 г.

Сажа марки ПМ-100 - 1 г

Бакелітовий лак марки ЛБС-1 - 34 г

Ацетон – 300 г.

У мірній склянці змішують зазначену кількість бакелітового лаку та, наприклад, ацетону до однорідно забарвленого розчину. Наважку порошку графіту та сажу попередньо перемішують всуху до стану однорідної суміші. Далі поміщають суміш порошків та розчин бакелітового лаку в ємність для перемішування та механічно перемішують 5-10 хв до стану однорідності. Потім залишають суміш під тягою витяжної шафи для висихання при кімнатній температурі протягом 12-15 год до візуально сухого стану, у міру висихання періодично перемішуючи суміш і розтираючи великі (більше 2-3 мм) агломерати через металеву сітку з розміром комірки 2 мм. Наважку сухої суміші засипають в прес-форму, встановлюють прес-форму в піч і нагрівають до температури 90°С протягом 13,5-14 год з наступною витримкою при цій температурі протягом 2 год. розігрітий до 170°З гідравлічний прес. Пресували на пресі ривками (це швидкість навантаження) по 1-2 сек приблизно до зусилля 22 т. Після приблизно 5 сек витримки знову збільшують зусилля до 22-25 т. Залишають садок під пресом протягом 1 год, після чого витягають прес-форму з пресу і залишають охолоджуватися при кімнатній температурі. Після остигання розвантажують прес-форму на ручному гвинтовому пресі за допомогою 4-х сталевих виштовхувачів. Візуальний контроль якості БП вказує на відсутність на поверхні пластини (у тому числі в області струмовідних виступів) подряпин, дефектів та тріщин, розшарування матеріалу БП на кордоні між областю струмовідних виступів та основою БП. При огляді пластини після проведення випробування на міцність (пластину поміщають між сталевими плитами і піддають стиску із зусиллям 5 т (тиск 5 МПа), що відповідає робочому зусиллю в паливному елементі протягом 1 год) змін та дефектів не виявлено. Величина об'ємного питомого опору становила 0,025 Ом · див.

Приклад 2. Біполярну пластину виготовляють з композиції та за методикою, аналогічною прикладу 1 з виступами, що мають форму усіченого конуса з діаметром у підставі 3,0 мм, на вершині 2,5 мм, висотою 2,0 мм, з відстанню між центрами виступів 4 0 мм.

До та після проведення випробувань на міцність дефектів поверхні та виступів не виявляють. Розмір об'ємного питомого опору становить 0,030 Ом·см.

Приклад 3. Біполярну пластину виготовляють з конфігурацією і за методикою, аналогічною прикладу 1, але в якості стверджувального термоотверждающего використовують эпоксифенольное сполучна №560 виробництва ФГУП ДНЦ «ВІАМ» у кількості 31 р.

До та після проведення випробувань на міцність дефектів поверхні та виступів не виявляють. Величина об'ємного питомого опору становить 0,017 Ом · див.

Приклад 4. Біполярну пластину виготовляють з конфігурацією і за методикою, аналогічною прикладу 1, вихідну суміш для пресування додають порообразователь - порошок поліетилену високого тиску в кількості 3,5 г (3,0 мас.%). До та після проведення випробувань на міцність дефектів поверхні та виступів не виявляють. Розмір об'ємного питомого опору становить 0,028 Ом·см. Пористість поверхневого шару (глибиною до 100 мкм), виміряна по сорбції води, становить 2,8%.

Приклад 5. Біполярну пластину виготовляють із конфігурацією, аналогічною прикладу 1, з композиції та за методикою, описаною в прикладі 9.

До проведення випробувань на міцність виявлено до 10% зруйнованих та дефектних виступів, після них кількість зруйнованих виступів становить близько 30%. Розмір об'ємного питомого опору становить 0,025 Ом·см.

Приклад 6. Біполярну пластину виготовляють із конфігурацією і за методикою, аналогічною прикладу 1 (струмопровідні виступи розташовані лінійно), випробовують у осередку паливного елемента за наступних умов:

Мембрана – МФ4-СК завтовшки 135 мкм

Каталізатор - Pt 40/C у кількості 2.5 мг/см 2

Паливо - водень при тиску 2 ати

Окислювач - кисень при тиску 3 ати

Температура роботи осередку - 85°С

Реакція на аноді: H 2 →2H + +2е -

Реакція на катоді: Про 2+4е - +4H+ →2Н2О

Сумарна реакція: Про 2+2Н2 →2Н2О

При напрузі 0.7 максимальна щільність струму становить 1,1 А/см 2 .

Приклад 7. Біполярну пластину виготовляють з конфігурацією і за методикою, аналогічною прикладу 1, але струмовідні виступи розташовують ромбічно і випробовують в осередку паливного елемента за умов, аналогічних прикладу 6. При напрузі 0.7 максимальна щільність струму становить 1,25 А/см 2 .

Приклад 8. Біполярну пластину виготовляють з композиції і за методикою, аналогічною прикладу 1, виступи виконують у формі призми з діаметром 2 мм, висотою 1.5 мм, з відстанню між центрами виступів 3,0 мм, а токоведучі виступи мають ромб і випробування проводять в осередку паливного елемента за умов, аналогічних прикладу 6. При напрузі 0.7 максимальна щільність струму становила 0,95 А/см 2 .

Приклад 9. Біполярну пластину виготовляють з конфігурацією, аналогічною відомому технічному рішенню, з композиції та за методикою, описаною в прикладі 9, випробування проводять у комірці паливного елемента за умов, аналогічних прикладу 6. При напрузі 0.7 максимальна щільність струму становила 0,9 А /див 2 . Експериментально встановлено, що залежно від наведених діаметрів виступів, їх висоти та кроком між центрами виступів оптимальна форма струмопровідних виступів відрізняється, тому що вони по-різному оптимізують потоки реагентів, ефективність теплообміну та електропровідність. Так, зокрема, для кроку 1 мм оптимальною є форма усіченої піраміди. Для виступів із діаметром основи 0,5 мм оптимальною є форма еліпса. Для струмоведучих виступів з висотою 0,3 мм оптимальною є форма циліндра. Для конкретних режимів роботи (сила струму, напруга, потік реагенту, розмір осередку та ін) підбір оптимальної форми струмопровідних виступів та їх геометричних розмірів проводять індивідуально.

Винаходи дозволяє розширити функціональні можливості, покращити експлуатаційні властивості та характеристики біполярних пластин та паливного елемента в цілому та отримати біполярні пластини з струмовідними виступами довільної форми та розташування з висотою виступів від 0,3 до 2,0 мм, а також підвищити ефективність транспорту реагентів та відведення продуктів реакції, підвищення корозійної стійкості по периферії з технологічним навантаженням, що становить з центральною електропровідною частиною, що має функціональне навантаження, єдине ціле.

1. Біполярна пластина для паливного елемента, що складається з периферійних частин з отворами і центральної частини з струмоведучими виступами, вершини яких розташовані в одній площині з периферійними частинами, відрізняється тим, що струмоведучі виступи виконані із заданою площею основи з наведеним діаметром 0, -3,0 мм, висотою від 0,3 до 2,0 мм та з кроком між центрами струмопровідних виступів 1,0-4,0 мм.

2. Біполярна пластина по п.1, відрізняється тим, що струмоведучі виступи виконані з основою у вигляді кола, або квадрата, або прямокутника, або еліпса, або ромба, або трапеції, або їх поєднань.

Власники патенту RU 2577860:

Винахід відноситься до способу захисту від окиснення біполярних пластин паливних елементів та колекторів струму електролізерів з твердим полімерним електролітом (ТПЕ), що полягає в попередній обробці металевої підкладки, нанесенні на оброблену металеву підкладку електропровідного покриття шляхетних шляхів металів методом магнетронно-іонного напи. Спосіб характеризується тим, що наносять на оброблену підкладку електропровідне покриття пошарово із закріпленням кожного шару імпульсною імплантацією іонів кисню або інертного газу. Технічним результатом є отримання стійкого покриття з ресурсом роботи, що в 4 рази перевищує отриманий по прототипу, і зберігає струмопровідні властивості. 7 з.п. ф-ли, 3 іл., 1 табл., 16 ін.,

Область техніки

Винахід відноситься до галузі хімічних джерел струму, а саме до способів створення захисних покриттів металевих колекторів струму (у випадку електролізерів) та біполярних пластин (у разі паливних елементів - ТЕ) з полімерним твердим електролітом (ТПЕ). В процесі електролізу колектори струму, виготовлені, як правило, з пористого титану, піддаються постійному впливу агресивних середовищ кисню, озону, водню, що призводить до утворення на кисневому колекторі струму (анод) оксидних плівок, в результаті збільшується електричний опір, знижується електропровідність електролізера. На водневому колекторі (катод) струму внаслідок наводження поверхні пористого титану, відбувається його корозійне розтріскування. Працюючи в таких жорстких умовах за постійної вологості, колектора струму та біполярні пластини потребують надійного захисту від корозії.

Основними вимогами до корозійних захисних покриття є низький електричний опір контакту, висока електропровідність, хороша механічна міцність, рівномірність нанесення по всій площі поверхні для створення електричного контакту, низька вартість матеріалів і витрат на виробництво.

Для установок з ТПЕ також найважливішим критерієм є хімічна стійкість покриття, неможливість використання металів, що змінюють ступінь окислення в процесі роботи та випаровуються, що призводить до отруєння мембрани та каталізатора.

Враховуючи всі зазначені вимоги, ідеальні захисні властивості мають Pt, Pd, Ir та їх сплави.

Рівень техніки

В даний час відомо безліч різних способів створення захисних покриттів - гальванічне та термічне відновлення, іонна імплантація, фізичне осадження з парової фази (PVD методи розпилення), хімічне осадження з парової фази (CVD методи розпилення).

З рівня техніки відомий спосіб захисту металевих підкладок (патент США US №6887613 на винахід, опубл. 03.05.2005). Попередньо з поверхні металу видаляли оксидний шар, що пасивує поверхню, хімічним травленням або механічною обробкою. На поверхню підкладки наносили полімерне покриття, змішане з провідними частинками золота, платини, паладію, нікелю та ін. Полімер вибирається за його сумісністю з металевою підкладкою - епоксидні смоли, силікони, поліфеноли, фторсополімери та ін. пензлем; розпорошенням у вигляді порошку. Покриття має гарні антикорозійні властивості.

Недоліком даного способу є високий електричний опір шару через наявність полімерної складової.

З рівня техніки відомий спосіб захисту (див. патент США US №7632592 на винахід, опубл. 15.12.2009), в якому запропоновано створення антикорозійного покриття на біполярних пластинах з використанням кінетичного (холодного) процесу розпилення порошку платини, паладію, родію, рутенію їх сплавів. Розпилення проводили пістолетом за допомогою стисненого газу, наприклад, гелію, який подається в пістолет при високому тиску. Швидкість руху частинок 500-1500 м/с. Прискорені частки залишаються у твердому та відносно холодному стані. У процесі немає окислення їх і оплавлення, середня товщина шару 10 нм. Зчеплення частинок з підкладкою залежить від достатньої кількості енергії – при недостатній енергії спостерігається слабке зчеплення частинок, при дуже великих енергіях відбувається деформація частинок та підкладки, створюється високий рівень локального нагріву.

З рівня техніки відомий спосіб захисту металевих підкладок (див. патент США №7700212 на винахід, опубл. 20.04.2010). Попередньо поверхні підкладки надавали шорсткість поліпшення зчеплення з матеріалом покриття. Наносили два шари покриття: 1 - з нержавіючої сталі, товщина шару від 0,1 мкм до 2 мкм, 2 - покриваючий шар із золота, платини, паладію, рутенію, родію та їх сплавів, товщиною не більше 10 нм. Шари наносили за допомогою термічного напилення, використовуючи пістолет, з розпилювальної форсунки якого викидався потік розплавлених частинок, які утворювали хімічний зв'язок з поверхнею металу, також можливе нанесення покриття за допомогою PVD методу (фізичний осад з парової фази). Наявність 1 шару знижує швидкість корозії та зменшує витрати на виготовлення, проте його наявність призводить також і до недоліку - з нержавіючої сталі утворюється пасивний шар із оксиду хрому, що призводить до значного підвищення контактного опору антикорозійного покриття.

З рівня техніки відомий спосіб захисту (див. патент США US №7803476 на винахід, опубл. 28.09.2010)., в якому запропоновано створення ультратонких покриттів з благородного металу Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir та їх сплавів, товщина покриття становить від 2 до 10 нм, переважно навіть одноатомний шар завтовшки від 0,3 до 0,5 нм (товщина, що дорівнює діаметру атома покриття). Попередньо на біполярну пластину наносили шар неметалу, що має хорошу пористість - вугілля, графіт у суміші з полімером, або металу - алюміній, титан, нержавіюча сталь. Металеві покриття наносили електронно-променевим напиленням, електрохімічним осадженням, магнетронно-іонним напиленням.

До переваг цього способу відносяться: виключення стадії травлення підкладки для видалення окислів, низький контактний опір, мінімальна вартість.

Недоліки - у разі наявності неметалічного шару збільшується електричний контактний опір через відмінності в поверхневих енергіях та інших молекулярних та фізичних взаємодіях; можливе змішання першого і другого шарів, у результаті поверхні можуть виявитися неблагородні метали, схильні до окислення.

З рівня техніки відомий спосіб захисту металевої підкладки (див. патент США US №7150918 на винахід, опубл. 19.12.2006), що включає: обробку металевої підкладки для видалення окислів з її поверхні, нанесення електропровідного корозійно-стійкого металевого покриття благородних металів, нанесення електро корозійностійкого полімерного покриття.

Недоліком зазначеного способу є високий електричний опір за наявності значної кількості полімеру, в разі недостатньої кількості сполучного полімеру відбувається вимивання електропровідних частинок сажі з полімерного покриття.

З рівня техніки відомий спосіб захисту біполярних пластин та колекторів струму від корозії - прототип (див. патент США US №8785080 на винахід, опубл. 22.07.2014), що включає:

Обробку підкладки в киплячій деіонізованій воді, або термічну обробку при температурі вище 400°С, або замочування в киплячій деіонізованій воді з метою утворення пасивного оксидного шару товщиною від 0,5 нм до 30 нм,

Нанесення електропровідного металевого покриття (Pt, Ru, Ir) на пасивний оксидний шар завтовшки від 0,1 нм до 50 нм. Покриття наносили методом магнетронно-іонного напилення, електронно-променевим випаром або іонним осадженням.

Наявність пасивного оксидного шару збільшує корозійну стійкість металевого покриття, однак, і призводить до недоліків - шар оксиду, що не проводить, різко погіршує струмопровідні властивості покриттів.

Розкриття винаходу

Технічним результатом заявленого винаходу є підвищення стійкості покриття до окислення, підвищення корозійної стійкості та ресурсу роботи та збереження струмопровідних властивостей, властивих неокисленого металу.

Технічний результат досягається тим, що спосіб захисту від окислення біполярних пластин паливних елементів і колекторів струму електролізерів з твердим полімерним електролітом (ТПЕ) полягає в тому, що попередньо обробляють металеву підкладку, наносять на оброблену металеву підкладку електропровідне покриття благородних металів методом магнетронно-іонного при цьому електропровідне покриття наносять пошарово із закріпленням кожного шару імпульсною імплантацією іонів кисню або інертного газу.

У кращому варіанті як благородні метали використовують платину, або паладій, або іридій, або їх суміш. Імпульсну імплантацію іонів проводять із поступовим зниженням енергії іонів та дози. Загальна товщина покриття від 1 до 500 нм. Послідовно напилювані шари мають товщину від 1 до 50 нм. Як інертний газ використовують аргон, або неон, або ксенон, або криптон. Енергія імплантованих іонів становить від 2 до 15 кеВ, а доза імплантованих іонів - до 10 15 іонів/см 2 .

Короткий опис креслень

Ознаки та сутність заявленого винаходу пояснюються у наступному детальному описі, що ілюструється кресленнями та таблицею, де показано наступне.

На фіг. 1 - розподіл атомів платини та титану, переміщених внаслідок впливу імплантації аргону (розрахунок програмою SRIM).

На фіг. 2 - зріз титанової підкладки з напиленою платиною до імплантації аргону, де

1 – титанова підкладка;

2 – шар платини;

3 – пори в платиновому шарі.

На фіг. 3 - зріз титанової підкладки з напиленою платиною після імплантації аргону, де:

1 – титанова підкладка;

4 – проміжний титаново-платиновий шар;

5 – платинове покриття.

У таблиці наведено характеристики всіх прикладів реалізації заявленого винаходу та прототипу.

Здійснення та приклади реалізації винаходу

В основі методу магнетронно-іонного напилення лежить процес, заснований на утворенні над поверхнею катода (мішені) кільцеподібної плазми внаслідок зіткнення електронів із молекулами газу (зазвичай аргону). Позитивні іони газу, що утворюються в розряді, при подачі негативного потенціалу на підкладку розганяються в електричному полі і вибивають атоми (або іони) матеріалу мішені, які осідають на поверхні підкладки, утворюючи на поверхні плівку.

Перевагами методу магнетронно-іонного напилення є:

Висока швидкість розпилення осаджуваної речовини при низьких робочих напругах (400-800 В) та при невеликих тисках робочого газу (5 · 10 -1 -10 Па);

Можливість регулювання в широких межах швидкості розпилення та осадження розпиленої речовини;

Мінімальна ступінь забруднення осаджених покриттів;

Можливість одночасного розпилення мішеней з різного матеріалу та, як наслідок, можливість отримання покриттів складного (багатокомпонентного) складу.

Відносна простота реалізації;

Невисока вартість;

Простота масштабування.

У той же час, покриття, що утворюється, відрізняється наявністю пористості, володіє невисокою міцністю і недостатньо хорошим зчепленням з матеріалом підкладки внаслідок малої кінетичної енергії розпорошених атомів (іонів), що становить приблизно 1-20 еВ. Такий рівень енергії не дозволяє забезпечити проникнення атомів напилюваного матеріалу в приповерхневі шари матеріалу підкладки та забезпечити створення проміжного шару з високою спорідненістю до матеріалу підкладки та покриття, високою корозійною стійкістю та відносно низьким опором навіть при утворенні оксидної поверхневої плівки.

В рамках заявленого винаходу завдання підвищення стійкості та збереження струмопровідних властивостей електродів та захисних покриттів конструкційних матеріалів вирішується шляхом впливу на покриття та підкладку потоку прискорених іонів, що здійснюють переміщення матеріалу покриття та підкладки на атомному рівні, що веде до взаємопроникнення матеріалу підкладки та покриття, внаслідок чого відбувається розмивання межі розділу покриття та підкладки з утворенням фази проміжного складу.

Тип прискорених іонів та їх енергія підбирається залежно від матеріалу покриття, його товщини та матеріалу підкладки таким чином, щоб викликати переміщення атомів покриття та підкладки та їх перемішування на межі розділу фаз за мінімального розпилення матеріалу покриття. Підбір провадиться за допомогою відповідних розрахунків.

На фіг. 1 наведено розрахункові дані щодо переміщення атомів покриття, що складається з платини товщиною 50А та атомів підкладки, що складається з титану при впливі іонів аргону з енергією 10 кеВ. Іони з меншою енергією на рівні 1-2 кеВ не досягають межі поділу фаз і не забезпечать ефективне перемішування атомів для такої системи на межі поділу фаз. Однак за енергії понад 10 кеВ відбувається суттєве розпилення платинового покриття, що негативно впливає на ресурс виробу.

Таким чином, у разі одношарового покриття великої товщини і великої енергії, необхідної для проникнення імплантованих іонів до межі розділу фаз, відбувається розпилення атомів покриття і втрати дорогоцінних металів, у разі невеликої товщини покриття при оптимальній енергії іонів відбувається проникнення атомів покриття в матеріал підкладки, перемішування матеріалу підкладки та покриття та збільшення міцності покриття. Однак така мала (1-10 нм) товщина покриття не забезпечує тривалого ресурсу виробу. З метою збільшення міцності покриття, його ресурсу та зменшення втрат при розпиленні імпульсна імплантація іонів проводиться при пошаровому (товщина кожного шару 1-50 нм) нанесенні покриття з поступовим зниженням енергії іонів та дози. Зниження енергії і дози дозволяє практично виключити втрати при розпиленні, але дозволяє забезпечити необхідне зчеплення шарів, що наносяться, з підкладкою, на яку вже нанесений такий же метал (відсутність розділу фаз) підвищує їх однорідність. Все це також сприяє підвищенню ресурсу. Слід зазначити, що плівки товщиною 1 нм не дають суттєвого (необхідного для колекторів струму) збільшення ресурсу виробу, а запропонований метод помітно збільшує їхню вартість. Плівки товщиною понад 500 нм слід вважати економічно не рентабельними, т.к. істотно зростає витрата металів платинової групи, а ресурс виробу загалом (електролізера) починає обмежуватися іншими чинниками.

При багаторазовому нанесенні шарів покриття обробка іонами більш високої енергії доцільна лише після нанесення першого шару товщиною 1-10 нм, а при обробці наступних шарів товщиною до 10-50 нм для їх ущільнення достатньо іонів аргону з енергією 3-5 кеВ. Імплантація іонів кисню при нанесенні перших шарів покриття поряд з вирішенням вищезгаданих проблем дозволяє створити корозійностійку оксидну плівку на поверхні, леговану атомами покриття.

Приклад 1 (прототип).

Зразки титанової фольги марки ВТ1-0 площею 1 см 2 товщиною 0,1 мм і пористого титану марки ТПП-7 площею 7 см 2 поміщають у сушильну шафу і витримують при температурі 450°З 20 хвилин.

Зразки по черзі затискають у рамку та встановлюють у спеціальний тримач зразка установки магнетронно-іонного розпилення МИР-1 зі знімною платиновою мішенню. Камеру зачиняють. Включають механічний насос і виробляють відкачування повітря з камери до тиску ~10-2 Тор. Відкачування повітря камери перекривають та відкривають відкачування дифузійного насоса та включають його прогрів. Приблизно через 30 хвилин дифузійний насос виходить на робочий режим. Відкривають відкачування камери через дифузійний насос. Після досягнення тиску 6×10 -5 Торр відкривають напуск аргону камеру. Натікачем встановлюють тиск аргону 3×10 -3 Торр. Плавним збільшенням напруги на катоді запалюють розряд, встановлюють потужність розряду 100 Вт, подають зміщення напругу. Відкривають заслінку між мішенню та утримувачем і починають відлік часу обробки. Під час обробки контролюють тиск у камері та струм розряду. Через 10 хв обробки вимикають розряд, відключають обертання, перекривають подачу аргону. Через 30 хв перекривають відкачування камери. Вимикають нагрівання дифузійного насоса і після його остигання вимикають механічний насос. Камеру відкривають на атмосферу і витягують рамки із зразком. Товщина напиленого покриття становила 40 нм.

Отримані матеріали з покриттями можуть використовуватися в електрохімічних осередках, в першу чергу в електролізерах з твердим полімерним електролітом, як катодні та анодні матеріали (колектора струму, біполярні пластини). Максимальні проблеми викликають анодні матеріали (інтенсивне окиснення), у зв'язку з цим ресурсні випробування проводилися при їх використанні як аноди (тобто при позитивному потенціалі).

До отриманого зразка титанової фольги методом точкового зварювання приварюють струмопідведення і поміщають як досліджуваний електрод в триелектродний осередок. Як протиелектрод використовують Pt фольгу площею 10 см 2 , в якості електрода порівняння використовують стандартний хлорсрібний електрод, з'єднаний з осередком через капіляр. Як електроліт використовують розчин 1М H 2 SO 4 у воді. Вимірювання проводять за допомогою приладу АЗРІВК 10-0,05А-6 (виробництва ТОВ «Бустер», Санкт-Петербург) в гальваностатичному режимі, тобто. на досліджуваний електрод подають позитивний потенціал постійного струму, необхідний досягнення величини струму 50 мА. Випробування полягають у вимірі зміни потенціалу, необхідного для досягнення цього струму в часі. При перевищенні потенціалу вище величини 3,2 ресурс електрода вважається вичерпаним. Отриманий зразок має ресурс 2:15.

Приклади 2-16 здійснення заявленого винаходу.

Зразки титанової фольги марки ВТ1-0 площею 1 см 2 товщиною 0,1 мм і пористого титану марки ТПП-7 площею 7 см 2 кип'ятять в ізопропіловому спирті протягом 15 хвилин. Потім спирт зливають і зразки кип'ятять 2 рази по 15 хвилин деіонізованої води зі зміною води між кип'ятіннями. Зразки нагрівають у розчині 15%-ної соляної кислоти до 70°З витримують при даній температурі протягом 20 хвилин. Потім кислоту зливають і зразки кип'ятять 3 рази по 20 хвилин деіонізованої води зі зміною води між кип'ятіннями.

Зразки по черзі поміщають в установку магнетронно-іонного розпилення МІР-1 з платиновою мішенню і наносять платинове покриття. Струм магнетрона 0,1 А, напруга магнетрона 420 В, газ - аргон із залишковим тиском - 0.86 Па. За 15 хвилин напилення одержують покриття товщиною 60 нм. Отримане покриття піддається дії потоку іонів аргону методом імпульсної плазмової іонної імплантації.

Імплантація виробляється у потоці іонів аргону з максимальною енергією іонів 10 кэВ середня енергія - 5 кэВ. Доза під час впливу становила 2*10 14 іонів/см 2 . Вид перерізу покриття після імплантації наведено на фіг. 3.

Отриманий зразок випробовують у триелектродному осередку, процес аналогічний наведеному у прикладі 1. Отриманий зразок має ресурс 4 години. Для порівняння дані по ресурсу титанової фольги з вихідною плівкою платини (60 нм) без імплантації аргону становить 1 годину.

Приклади 3-7.

Процес аналогічний наведеному в прикладі 2, але варіюють дозу імплантації, енергію іонів та товщину покриття. Доза імплантації, енергія іонів, товщина покриття, і навіть ресурс роботи отриманих зразків наведено у таблиці 1.

Процес аналогічний наведеному у прикладі 2 і відрізняється тим, що зразки з товщиною напиленого шару до 15 нм обробляють в потоці криптону з максимальною енергією 10 іонів кеВ і дозою 6*10 14 іонів/см 2 . Отриманий зразок має ресурс 1 годину 20 хвилин. За даними електронної мікроскопії, товщина шару платини скоротилася до величини 0-4 нм, але утворився шар титану з впровадженими в нього атомами платини.

Процес аналогічний наведеному у прикладі 2 і відрізняється тим, що зразки з товщиною напиленого шару 10 нм обробляють в потоці іонів аргону максимальною енергією 10 іонів кеВ і дозою 6*10 14 іонів/см 2 . Після нанесення другого шару товщиною 10 нм проводять обробку в потоці іонів аргону з енергією 5 кеВ і дозою 2*10 14 іон/см 2 , а потім 4 рази повторюють напилення з товщиною нового шару по 15 нм, і кожен наступний шар аргону з енергією іонів 3 кеВ та дозою 8*10 13 іон/см 2 . Отриманий зразок має ресурс 8 годин 55 хвилин.

Приклад 10

Процес аналогічний наведеному в прикладі 2 і відрізняється тим, що зразки з товщиною напиленого шару 10 нм обробляють в потоці іонів кисню максимальною енергією 10 іонів кеВ і дозою 2*10 14 іон/см 2 . Після нанесення другого шару завтовшки 10 нм проводять обробку в потоці іонів з енергією іонів 5 кеВ та дозою 8*10 13 іон/см 2 (щоб не було розпилення!). Отриманий зразок має ресурс 9:10.

Приклад 11.

Процес аналогічний наведеному в прикладі 2 і відрізняється тим, що зразки поміщають в установку магнетронно-іонного розпилення МИР-1 з іридієвою мішенню і іридієве наносять покриття. Струм магнетрона 0,1 А, напруга магнетрона 440 В, газ - аргон із залишковим тиском - 0.71 Па. Швидкість напилення забезпечує утворення покриття завтовшки 60 нм за 18 хвилин. Отримане покриття піддається дії потоку іонів аргону методом імпульсної плазмової іонної імплантації.

Зразки з товщиною першого напиленого шару 10 нм обробляють у потоці іонів аргону максимальною енергією іонів 10 кеВ та дозі 2*10 14 іон/см 2 . Після нанесення другого шару товщиною 10 нм проводять обробку в потоці іонів аргону з енергією 5-10 кеВ і дозою 2*10 14 іон/см 2 , а потім 4 рази повторюють напилення з товщиною нового шару по 15 нм, кожен наступний шар іонів аргону з енергією іонів 3 кэВ та дозою 8*10 13 іон/см 2 . Отриманий зразок має ресурс 8 годин 35 хвилин.

Приклад 12

Процес аналогічний наведеному в прикладі 2 і відрізняється тим, що зразки поміщають в установку магнетронно-іонного розпилення МІР-1 з мішенню зі сплаву платини з іридієм (сплав Плі-30 за ГОСТ 13498-79), наносять покриття, що складається з платини та іридію. Струм магнетрона 0,1 А, напруга магнетрона 440 В, газ - аргон із залишковим тиском - 0.69 Па. Швидкість напилення забезпечує утворення покриття завтовшки 60 нм за 18 хвилин. Отримане покриття піддається дії потоку іонів аргону методом імпульсної плазмової іонної імплантації.

Зразки з товщиною напиленого шару 10 нм обробляють в потоці іонів аргону максимальною енергією іонів 10 кеВ і дозі 2*10 14 іон/см 2 а потім 5 разів повторюють напилення з товщиною нового шару 10 нм. Після нанесення другого шару проводять обробку в потоці іонів аргону з енергією 5-10 кеВ і дозою 2*10 14 іон/см 2 а кожен наступний шар обробляють в потоці іонів аргону з енергією іонів 3 кеВ і дозою 8*10 2 . Отриманий зразок має ресурс 8 годин 45 хвилин.

Приклад 13

Процес аналогічний наведеному в прикладі 2 і відрізняється тим, що зразки поміщають в установку магнетронно-іонного розпилення МИР-1 з мішенню паладієвої і наносять паладієве покриття. Струм магнетрона 0,1 А, напруга магнетрона 420 В, газ - аргон із залишковим тиском - 0.92 Па. За 17 хвилин напилення одержують покриття товщиною 60 нм. Зразки з товщиною першого напиленого шару 10 нм обробляють в потоці іонів аргону максимальною енергією іонів 10 кеВ і дозі 2*10 14 іон/см 2 . Після нанесення другого шару товщиною 10 нм проводять обробку в потоці іонів аргону з енергією 5-10 кеВ і дозою 2*10 14 іон/см 2 , а потім 4 рази повторюють напилення з товщиною нового шару по 15 нм, кожен наступний шар іонів аргону з енергією іонів 3 кэВ та дозою 8*10 13 іон/см 2 . Отриманий зразок має ресурс 3:00 20 хвилин.

Приклад 14.

Процес аналогічний наведеному в прикладі 2 і відрізняється тим, що зразки поміщають в установку магнетронно-іонного розпилення МІР-1 з мішенню, що складається з платини, що включає 30% вуглецю, і покриття, що складається з платини і вуглецю. Струм магнетрона 0,1 А, напруга магнетрона 420 В, газ - аргон із залишковим тиском - 0.92 Па. За 20 хвилин напилення одержують покриття товщиною 80 нм. Зразки з товщиною напиленого шару 60 нм обробляють в потоці іонів аргону максимальною енергією іонів 10 кеВ і дозі 2*10 14 іон/см 2 а потім 5 разів повторюють напилення з товщиною нового шару 10 нм. Після нанесення другого шару проводять обробку в потоці іонів аргону з енергією 5-10 кеВ і дозою 2*10 14 іон/см 2 а кожен наступний шар обробляють в потоці іонів аргону з енергією іонів 3 кеВ і дозою 8*10 2 . Отриманий зразок має ресурс 4:30.

Приклад 15.

Процес аналогічний наведеному в прикладі 9 і відрізняється тим, що напилюють 13 шарів, товщина першого і другого по 30 нм, наступних по 50 нм, енергію іонів послідовно знижують від 15 до 3 кэВ, дозу імплантації - від 5 · 10 14 до 8 · 13 іон/см2. Отриманий зразок має ресурс 8:50.

Приклад 16.

Процес аналогічний наведеному в прикладі 9 і відрізняється тим, що товщина першого шару становить 30 нм, наступних шести шарів по 50 нм, доза імплантації від 210 14 до 810 13 іон/см 2 . Отриманий зразок має ресурс 9:00 05 хвилин.

Таким чином, заявлений спосіб захисту від окислення біполярних пластин ТЕ і колекторів струму електролізерів з ТПЕ дозволяє отримати стійке покриття з ресурсом роботи, що в 4 рази перевищує отриманий по прототипу, і зберігає струмопровідні властивості.

1. Спосіб захисту від окислення біполярних пластин паливних елементів і колекторів струму електролізерів з твердим полімерним електролітом (ТПЕ), що полягає в попередній обробці металевої підкладки, нанесенні на оброблену металеву підкладку електропровідного покриття благородних металів методом магнетронно-іонного напилення, оброблену підкладку електропровідне покриття пошарово із закріпленням кожного шару імпульсною імплантацією іонів кисню або інертного газу.

2. Спосіб захисту за п. 1, який відрізняється тим, що як благородні метали використовують платину, або паладій, або іридій, або їх суміш.

3. Спосіб захисту за п. 1, який відрізняється тим, що імпульсну імплантацію іонів проводять з поступовим зниженням енергії іонів та дози.

4. Спосіб захисту п. 1, який відрізняється тим, що загальна товщина покриття становить від 1 до 500 нм.

5. Спосіб захисту за п. 1, який відрізняється тим, що шари, що послідовно напилюються, мають товщину від 1 до 50 нм.

6. Спосіб захисту за п. 1, який відрізняється тим, що як інертний газ використовують аргон, або неон, або ксенон, або криптон.

7. Спосіб захисту за п. 1 відрізняється тим, що енергія іонів, що імплантуються, становить від 2 до 15 кеВ.

8. Спосіб захисту за п. 1 відрізняється тим, що доза іонів, що імплантуються, становить до 10 15 іонів/см 2 .

Схожі патенти:

Винахід відноситься до галузі електротехніки, а саме до батареї трубчастих твердооксидних паливних елементів (ТОТЕ), яка включає щонайменше два вузли трубчастих твердооксидних паливних елементів, щонайменше один загальний струмовідвід і тримач для утримання секції вузлів паливного елемента і загального струмовідводу з'єднанні з ними з точною посадкою, при цьому коефіцієнт термічного розширення тримача менше або дорівнює коефіцієнту термічного розширення вузлів паливних елементів.

Винахід відноситься до полімерних мембран для низько-або високотемпературних полімерних полімерних елементів. Протонопровідна полімерна мембрана на основі поліелектролітного комплексу, що складається з: а) азотовмісного полімеру, такого як полі-(4-вінілпіридин) та його похідні, отримані за допомогою алкілування, полі-(2-вінілпіридин) та його похідні, отримані за допомогою алкілування, поліетиленімін, полі-(2-диметиламіно)етилметакрилат)метил хлорид, полі-(2-диметиламіно)етилметакрилат)метил бромід, полі-(діалілдиметиламоній) хлорид, полі-(діалілдиметиламоній) бромід, б) Нафіону або іншого нафіонподібного полімеру, обраного включає Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta та іонообмінні смоли, що містять карбоксильні та сульфонові групи; в) рідкої суміші, що включає розчинник, вибраний з групи, що включає метанол, етиловий спирт, н-пропіловий спирт, ізопропіловий спирт, н-бутиловий спирт, ізобутиловий спирт, трет-бутиловий спирт, формаміди, ацетаміди, диметилсульфоксид, N-метилпірроллідон, а також дистильовану воду та їх суміші; в якій молярне відношення азотовмісного полімеру до Нафіону або нафіонподібного полімеру знаходиться в межах 10-0,001.

Винахід відноситься до галузі електротехніки, а саме до отримання оксидної плівки електроліту товщиною, порівнянної з розміром пор матеріалу електрода, більш простим і технологічним, а також економнішим способом, ніж іонно-плазмовий.

Винахід передбачає газодифузійне середовище для паливного елемента, яка має низьку повітропроникність у площині та хорошу властивість дренажу та здатна виявляти високі експлуатаційні характеристики паливного елемента у широкому температурному діапазоні від низьких до високих температур.

Винахід відноситься до галузі електротехніки, а саме способу виготовлення каталітичного електрода мембрано-електродного блоку, переважно для водневих і метанольних паливних елементів.

Крім того, основа може бути виконана зі сплаву титану, алюмінію або нержавіючої сталі.

Опис на 6 л., Ілл. 2 л.

Корисна модель відноситься до конструкції пристроїв для безпосереднього перетворення хімічної енергії в електричну, більш конкретно, біполярних пластин паливних елементів і може знайти застосування при створенні компактних автономних джерел живлення на їх основі для споживачів малої та середньої потужності, в тому числі, для віддалених споживачів, транспортних та переносних портативних енергоустановок, джерел живлення стільникових телефонів, ноутбуків та ін.

В даний час у зборках паливних елементів використовують переважно два основних типи біполярних пластин. Перший тип – це біполярні пластини, виготовлені повністю з вуглецю або графітових полімерних композитів, а другий – це біполярні пластини, виготовлені з металевих матеріалів – нержавіюча сталь, алюміній та ін.

Розробки в галузі графітових біполярних пластин призвели до суттєвого покращення їх фізико-хімічних властивостей та питомих характеристик. Зокрема, відома біполярна пластина, виконана повністю з вуглецевого композиту - полібензімідазолу (див. патент США US 7510678, 2004 р.). Біполярні пластини, виготовлені на основі вуглецевих композитів, є більш корозійно-стійкими, ніж металеві, але головним їх недоліком залишається слабка механічна міцність, що обмежує їх використання в паливних елементах для транспортних та переносних портативних енергоустановок.

Метали у зв'язку з цим мають кілька безперечних переваг перед вуглецевими матеріалами. Їх характерна більш висока тепло- і електропровідність, відсутність пір, газонепроникність, і навіть висока механічна міцність. Металеві біполярні пластини є також вигіднішими, порівняно з графітовими, з точки зору їх собівартості. Для виготовлення основи біполярної пластини, зокрема, можливе використання нержавіючої сталі, алюмінію та титану. Використання нержавіючої сталі та алюмінію порівняно зручне та вигідне через їхню невисоку вартість, тоді як більш дорогий титан має, в порівнянні з ними, додаткові переваги, пов'язані з легкістю, міцністю та вищою корозійною стійкістю.

Для підвищення корозійної стійкості металевих біполярних пластин запропоновано велику кількість захисних покриттів. Анодна та катодна поверхні біполярних пластин з нержавіючої сталі можуть бути захищені провідною плівкою нітриду хрому (патент США US 7247403, 2005) або плівкою карбіду (патент США US 5798188, 1997). Основна проблема цієї технології - отримання бездефектних покриттів.

Найбільш близьким технічним рішенням до запропонованого є біполярна пластина паливного елемента, що містить металеву основу, анодна та катодна поверхні якої забезпечені захисним струмопровідним покриттям (див. патент США US 6887610, 2003). Особливістю відомої біполярної пластини є те, що її основа виконана з нержавіючої сталі, а анодна та катодна поверхні забезпечені захисним покриттям у вигляді шару золота, нанесеного на основу електрохімічним шляхом. До недоліків відомого пристрою слід віднести порівняно високу вартість захисного покриття, можливість його відшарування від основи у разі порушення технології електрохімічного відновлення золота і, як наслідок, зниження терміну служби біполярних пластин та батареї паливних елементів у цілому.

Вирішуваним завданням корисної моделі є створення порівняно простої, технологічної та ефективної конструкції біполярної пластини, що використовується у виробництві батарей паливних елементів для автономних джерел живлення апаратури різного призначення. Додатковою до зазначеної є завдання підвищення експлуатаційних характеристик біполярних пластин під час роботи на водні та повітрі в умовах підвищених температур.

Вирішення зазначеної задачі досягається тим, що в біполярній пластині паливного елемента, що містить металеву основу, анодна і катодна поверхні якого забезпечені захисним струмопровідним покриттям, згідно корисної моделі, захисне струмопровідне покриття виконано за одне ціле з основою у вигляді модифікованого шару металу, легованого вуглецем 100-250 нм, причому основа виконана з титану, алюмінію або нержавіючої сталі.

Таке виконання пристрою дозволяє вирішити поставлене завдання створення порівняно простої, технологічної та ефективної конструкції біполярної пластини, придатної для промислового виробництва багатоелементних батарей паливних елементів малої та середньої потужності. Запропоноване технічне рішення дозволяє також покращити найважливіші характеристики біполярних пластин при роботі на водні та повітрі в умовах підвищених температур, у тому числі, власну та контактну електропровідність, теплопровідність, термостійкість, корозійну стійкість. Одночасно вирішується завдання запобігання виділенню у процесі експлуатації компонентів, що отруюють паливні елементи.

Легування вуглецем поверхневих шарів металевої біполярної пластини на вказану глибину може досягатися, зокрема, термодифузійним методом або методом іонної імплантації. Дослідження, проведені в ЗАТ «РИМОС», показали високу ефективність поверхневого модифікування зазначених металів методом іонної імплантації при легуванні біполярних пластин вуглецем на глибину до 250 нм. Технологічний процес іонної імплантації, що використовується для створення запропонованого пристрою, заснований на впровадженні прискорених іонів вуглецю у матеріал основи біметалевих пластин паливних елементів. Для іонно-променевої обробки біполярних пластин було розроблено спеціалізований стенд, що забезпечує отримання контрольованого сильноточного пучка прискорених іонів вуглецю (C + 12) в умовах високого вакууму. Стенд забезпечував необхідну зміну фізичних властивостей поверхневого шару біметалічних пластин на глибинах до десятих часток мікрометрів.

Впровадження іонів вуглецю (С + 12) у поверхневі шари металевих біполярних пластин забезпечило отримання модифікованого захисного нанослоя з надвисокою концентрацією вуглецю. Отриманий шар має характеристики, близькі до характеристик чистого вуглецю, але становить з металевою основою біполярної пластини паливного елемента одне невіддільне ціле, тобто загальну конструкцію. У цьому полягає важлива відмінність від поверхневого захисного наношару, створеного методами електролізу або напилення.

У технологічному процесі іонної імплантації за рахунок гальмування іонів в оброблюваних виробах відбувається їх розігрів, який підтримується до закінчення імплантації, тим самим, забезпечуючи термодифузію іонів вуглецю, що впроваджуються вглиб матеріалу біполярної пластини. Принципова відмінність введення домішок методом іонної імплантації від методу теплової дифузії відрізняється тим, що максимум її концентрації залягає не на поверхні, а на глибині середнього нормального пробігу іонів мішені, що визначається перерахованими вище факторами.

Зокрема, доза імплантації при енергії іонів вуглецю 20 кэВ по глибині профілю розподілу шліфованої пластини з титану марки ВТ1-0 досягала 10 18 см -2 переважно на глибині 200-230 нм з різким падінням в зоні 250-30. Зменшення глибини легування основи біполярної пластини менше 100 нм, у свою чергу, знижує рівень концентрації вуглецю в металі основи, захисні та електрофізичні характеристики біполярної пластини.

В результаті проведених досліджень також з'ясовано, що досягнуті результати за ступенем легування вуглецем титану можна поширити на інші метали для біполярних пластин паливних елементів, у тому числі на алюміній та нержавіючу сталь, які широко використовуються в паливних елементах. Підставою для цього є порівняно велика довжина вільного пробігу прискорених іонів вуглецю з енергією близько 20 кеВ, що дозволяє модифікувати анодну та катодну поверхні біполярної пластини на достатню глибину десяті частки мкм.

На фіг.1 представлено переріз типової біполярної пластини паливного елемента, на фіг.2 - розподіл концентрації вуглецю в імплантованому шарі основи, на фіг.3 - графік щільності потужності запропонованого паливного елемента з біполярною пластиною з титану.

Біполярна пластина містить плоску основу 1 із струмопровідного матеріалу, переважно, з титану, алюмінію або нержавіючої сталі, а також зі сплаву кожного з цих металів. Як приклад наведено характеристики біполярної пластини з титану ВТ1-0. Катодна і анодна поверхні основи 1 забезпечені захисним струмопровідним покриттям 2, 3, яке виконано за одне ціле з основою 1 і являє собою модифікований шар основи титану, легованого вуглецем на глибину 100-250 нм. В підставі 1, що має габарити 4×30×30 мм, в області катодної та анодної поверхні відфрезеровані поздовжні та поперечні канали 4, 5 для подачі водню та повітря до газодифузійних шарів паливного елемента та технологічні отвори 6. На катодній та анодній поверхні основи 1 пластини методом іонно-променевої обробки були імплантовані шари 2, 3 вуглецю товщиною близько 200 нм.

На фіг.2 наведено типовий графік розподілу концентрації вуглецю на анодній та катодній поверхні основи біполярної пластини (матеріал титан ВТ1-0). На фіг.3 наведені типові криві щільності потужності воднево-повітряного паливного елемента з струмознімальними пластинами з металу без покриттів та металу, легованого вуглецем (матеріал титан ВТ1-0). Як показують розрахунки та експериментальні дані, вирішення поставленого завдання створення ефективних та надійних біполярних пластин стає можливим у разі використання кожного із згаданих матеріалів. При цьому технологія виготовлення біполярної пластини з іншими матеріалами основи (алюміній, сталь, а також сплави титану, алюмінію і нержавіючої сталі) аналогічна описаної для титану з урахуванням зміни характеристик кожного з металів.

Біполярна пластина паливного елементафункціонує в такий спосіб.

Після фрезерування на підставі зазначених 1 каналів 4, 5 і свердління отворів 6 робочі поверхні біполярної пластини і отримання легованих вуглець 3. паливних елементів між мембранно-електродними блоками на основі протонобмінних мембран і здійснюють подачу водню в канали 5 і повітря в канали 4 з подальшим відбором електричної енергії.

Як було зазначено, для запропонованого пристрою іонна імплантація вуглецю 12 біполярні пластини здійснювалася на спеціалізованому стенді при відпрацюванні іонних джерел ЗАТ «РИМОС». Вимірювання дози імплантації вуглецю за глибиною профілю розподілу шліфованої пластини з титану марки ВТ1-0 (ТУ 1-5-063-85) проводилося методом вторинної іонної мас-спектрометрії (ВІМС) на обладнанні САМЕСА IMS4F (Франція).

З фіг.2 слід, що на ділянці 200-220 нм зосереджено найбільший вміст вуглецю. При меншій енергії іонів пік концентрації зміщується ближче до поверхні титану, а при більшій відповідно на більшу глибину. Результати вимірювань дози імплантації вуглецю по глибині профілю розподілу в титановій пластині показують, що глибина ефективного для задачі задачі поверхневого шару становить 200220 нм, що є достатнім для отримання принципово нових фізико-хімічних властивостей наношарів біполярних пластин. Шар металу, легований вуглецем, має характеристики близькі до характеристик вуглецю, але становить з титановою основою одне ціле, тобто має характеристики міцності, що відповідають основному металу.

Криву розподіл концентрації вуглецю в титані умовно можна розбити на кілька ділянок (Фіг.2).

Ділянка від поверхні до глибини 200 нм характеризується достатньою концентрацією вуглецю. На ділянці 200220 нм зосереджено найбільший вміст вуглецю. При меншій енергії пік концентрації зміститься ближче до поверхні титану, а при більшій відповідно на більшу глибину. Даний розподіл концентрації вуглецю в титані отримано при енергії іонів 20 кеВ, дозі імплантації 10 18 см -2 і температурі виробу, що обробляється 300°С±10°С.

На наступній ділянці 230300 нм спостерігається різке зниження концентрації вуглецю через недостатність енергії для більшості іонів проникати на таку глибину. Ділянка, що віддалена від поверхні більш ніж на 300 нм, характеризується роботою обладнання САМЕСА IMS4F поза достовірними вимірюваннями концентрації домішки. Це говорить про практичну відсутність вуглецю на таких глибинах при іонній імплантації з вищезазначеними енергією іонів та температурою зразка.

Отримані після методу іонної імплантації титанові біполярні пластини було досліджено електричними характеристиками.

На фіг.3 представлені криві щільності потужності для паливних елементів з біполярними пластинами з титану без обробки та з титаном легованим вуглецем. Абсолютні значення потужності віднесені до площі активної поверхні мембранно-електродного блоку, що становить 2,16 см2. З графіків слід, що легування вуглецем призводить до поліпшення питомих показників паливних елементів. Результати дослідження отриманих зразків методом імпедансної спектроскопії свідчать, що легування основи іонами вуглецю зменшує сумарний омічний опір біполярної пластини проти титаном без покриттів приблизно 1,4 рази рахунок зменшення контактних втрат.

Досвідчені зразки паливних елементів із біполярними пластинами запропонованої конструкції були виготовлені з використанням згаданих стендів та випробувані на спеціалізованому обладнанні. Проведені випробування підтвердили основні тактикотехнічні характеристики паливних елементів, в яких використані запропоновані біполярні пластини. Випробування також підтвердили техніко-економічну ефективність запропонованого технічного рішення.

Біполярна пластина паливного елемента, що містить металеву основу, анодна і катодна поверхні якого забезпечені захисним струмопровідним покриттям, що відрізняється тим, що захисне струмопровідне покриття виконано за одне ціле з основою у вигляді модифікованого шару металу, легованого вуглецем на глибину 100-250 з титану, алюмінію чи нержавіючої сталі.

Схожі патенти:

У США прийнято кілька ініціатив, спрямованих на розробку водневих паливних елементів, інфраструктури та технологій, щоб зробити автомобілі на паливних елементах практичними та економічними до 2020 року. На ці цілі виділено більш ніж один мільярд доларів.

Паливні елементи виробляють електрику тихо та ефективно, без забруднення навколишнього середовища. На відміну від джерел енергії, що використовують викопне паливо, побічними продуктами від роботи паливних елементів є тепло та вода. Як це працює?

У цій статті ми коротко розглянемо кожну з існуючих паливних технологій на сьогоднішній день, а також розповімо про влаштування та роботу паливних елементів, порівняємо їх з іншими формами отримання енергії. Ми також обговоримо деякі з перешкод, з якими стикаються дослідники, щоб зробити паливні елементи практичними та доступними для споживачів.

Паливні елементи - це електрохімічні пристрої перетворення енергії. Паливний елемент перетворює хімічні речовини, водень та кисень у воду, у процесі чого виробляє електрику.

Інший електрохімічний пристрій, з яким ми всі добре знайомі, – акумулятор. Батарея має всі необхідні хімічні елементи всередині себе і перетворює ці речовини на електрику. Це означає, що акумулятор «вмирає» і ви або викидаєте, або знову заряджаєте його.

У паливному елементі хімічні речовини постійно надходять до нього, щоб він ніколи не «вмирав». Електрика вироблятиметься так довго, скільки відбуватиметься надходження хімічних речовин в елемент. Більшість паливних елементів, що застосовуються сьогодні, використовують водень та кисень.

Водень є найпоширенішим елементом у нашій Галактиці. Однак водень практично немає на Землі в його елементарній формі. Інженери та вчені повинні витягувати чистий водень із водневих сполук, включаючи викопне паливо або воду. Щоб видобути водень із цих сполук, потрібно витратити енергію у вигляді високої температури чи електрики.

Винахід паливних елементів

Сер Вільям Гроув винайшов перший паливний елемент у 1839 році. Гроув знав, що воду можна розділити на водень та кисень шляхом пропускання електричного струму через неї (процес, званий електролізом). Він припустив, що у зворотному порядку можна було б отримати електрику та воду. Він створив примітивний паливний елемент та назвав її газовою гальванічною батареєю. Поекспериментувавши зі своїм новим винаходом, Гроув довів свою гіпотезу. Через п'ятдесят років, вчені Людвіг Монд і Чарльз Лангер придумали термін паливні елементипри спробі збудувати практичну модель для виробництва електроенергії.

Паливний елемент конкуруватиме з багатьма іншими пристроями конвертації енергії, у тому числі з газовими турбінами на міських електростанціях, двигунами внутрішнього згоряння в автомобілях, а також різними акумуляторами. Двигуни внутрішнього згоряння, як і газові турбіни, спалюють різні види палива і використовують тиск, створюваний шляхом розширення газів, щоб виконувати механічну роботу. Акумулятори перетворюють хімічну енергію на електричну енергію, коли це необхідно. Паливні елементи повинні виконувати ці завдання більш ефективно.

Паливний елемент забезпечує напругу DC (постійний струм), який може бути використаний для живлення електродвигунів, освітлення та інших електроприладів.

Існує кілька різних типів паливних елементів, кожен із яких використовує різні хімічні процеси. Паливні елементи зазвичай класифікуються за їх робочої температуриі типуелектроліту,який вони використовують. Деякі типи паливних елементів добре підходять для використання в стаціонарних електростанціях. Інші можуть бути корисними для невеликих портативних пристроїв або живлення автомобілів. Основні типи паливних елементів включають:

Паливний елемент з полімерною мембраною обміну Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)

PEMFC розглядається як найбільш ймовірний кандидат для застосування на транспорті. PEMFC має як високу потужність, так і відносно низьку робочу температуру (в діапазоні від 60 до 80 градусів за Цельсієм). Низька робоча температура означає, що паливні елементи швидко зможуть розігрітися, щоб розпочати генерацію електроенергії.

Твердооксидні паливні елементи Solid oxide fuel cell (SOFC)

Ці паливні елементи найбільше підходять для великих стаціонарних генераторів енергії, які могли б забезпечити електроенергією фабрики або міста. Цей тип паливних елементів працює за дуже високих температур (від 700 до 1000 градусів за Цельсієм). Висока температура становить проблему надійності, тому що частина паливних елементів може вийти з ладу після кількох циклів включення та вимкнення. Однак твердооксидні паливні елементи є дуже стабільними при безперервній роботі. Насправді, SOFC продемонстрували найдовший термін експлуатації будь-яких паливних елементів за певних умов. Висока температура також має перевагу: пар, що виробляється паливними елементами, може бути направлений у турбіни та генерувати більше електроенергії. Цей процес називається когенерацією тепла та електроенергіїта підвищує загальну ефективність системи.

Лужний паливний елемент Alkaline fuel cell (AFC)

Це один із найдавніших зразків для паливних елементів, що використовується з 1960-х років. AFC дуже сприйнятливі до забруднення, оскільки вимагають чистий водень і кисень. Крім того, вони дуже дорогі, тому цей тип паливних елементів навряд чи буде запущений у серійне виробництво.

Паливний елемент із розплавленим карбонатним електролітом Molten-carbonate fuel cell (MCFC)

Як SOFC, ці паливні елементи також найкраще підходять для великих стаціонарних електростанцій та генераторів. Вони працюють при 600 градусів за Цельсієм, так що можуть генерувати пар, який, у свою чергу, може бути використаний, щоб генерувати ще більше енергії. Вони мають нижчу робочу температуру, ніж твердооксидні паливні елементи, що означає, що вони не потребують таких термостійких матеріалів. Це робить їх трохи дешевшими.

Паливний елемент на фосфорній кислоті Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)

Паливний елемент на фосфорній кислотімає потенціал для використання у невеликих стаціонарних енергетичних системах. Він працює на вищій температурі, ніж паливний елемент із полімерною мембраною обміну, тому він довше розігрівається, що робить його непридатним для використання в автомобілях.

Метанолові паливні елементи Direct methanol fuel cell (DMFC)

Метанолові паливні елементи можна порівняти з PEMFC щодо робочої температури, але не такі ефективні. Крім того, DMFC вимагають досить великої кількості платини, яка виступає як каталізатор, який робить ці паливні елементи дорогими.

Паливний елемент з полімерною мембраною обміну

Паливний елемент з полімерною мембраною обміну (PEMFC) є однією з найперспективніших технологій паливних елементів. PEMFC використовує одну із найпростіших реакцій серед будь-яких паливних елементів. Розглянемо, із чого складається.

1. А нод - Негативна клема паливного елемента. Він проводить електрони, які вивільняються з молекул водню, після чого вони можуть бути використані у зовнішньому ланцюзі. У ньому вигравіровані канали, якими газоподібний водень розподіляється рівномірно по поверхні каталізатора.

2.До атод - Позитивна клема паливного елемента, також має канали для розподілу кисню по поверхні каталізатора. Він також проводить електрони назад із зовнішнього ланцюга каталізатора, де вони можуть з'єднатися з іонами водню та кисню з утворенням води.

3.Електроліт-протонообмінна мембрана. Це спеціально оброблений матеріал, який проводить лише позитивно заряджені іони та блокує електрони. У PEMFC мембрана повинна бути зволоженою, щоб нормально функціонувати і залишатися стабільною.

4. Каталізатор- це спеціальний матеріал, який сприяє реакції кисню та водню. Зазвичай він виготовляється з наночастинок платини, дуже тонко нанесених на копіювальний папір або тканину. Каталізатор має таку структуру поверхні, щоб максимальна площа поверхні платини могла бути схильною до впливу водню або кисню.

На малюнку показаний газоподібний водень (H2), що входить під тиском паливний елемент з боку анода. Коли молекула H2 стикається з платиною на каталізаторі, вона поділяється на два H+ іони та два електрони. Електрони проходять через анод, де вони використовуються у зовнішній схемі (виконання корисної роботи, наприклад, обертання двигуна) та повертаються до сторони катода паливного елемента.

Тим часом на стороні катода паливного елемента кисень (O2) з повітря проходить через каталізатор, де формує два атоми кисню. Кожен із цих атомів має сильний негативний заряд. Цей негативний заряд приваблює два H+ іони через мембрану, де вони поєднуються з атомом кисню та двома електронами, що прийшли із зовнішньої схеми, щоб сформувати молекулу води (H2O).

Ця реакція в одиночному паливному елементі виробляє приблизно 0,7 Вольт. Щоб підвищити напругу до розумного рівня, багато окремих паливних елементів повинні бути об'єднані, щоб сформувати стек паливного елемента. Біполярні пластини використовуються для з'єднання одного паливного елемента з іншим та піддаються окисленню із зменшенням потенціалу. Велика проблема біполярних пластин – їхня стабільність. Металеві біполярні пластини можуть роз'їдатися корозією, і побічні продукти (залізо та іони хрому) зменшують ефективність мембран паливного елемента та електродів. Тому низькотемпературні паливні елементи використовують легкі метали, графіт та композитні сполуки вуглецю та термореактивного матеріалу (термореактивний матеріал — свого роду пластмаса, яка залишається твердою, навіть коли піддається високим температурам) у вигляді біполярного листового матеріалу.

Ефективність паливного елемента

Скорочення забруднення - одне з основних цілей паливного елемента. Порівнюючи автомобіль, наведений у дію паливним елементом з автомобілем, наведеним у дію бензиновим двигуном та автомобілем, що працює від акумулятора, ви побачите, як паливні елементи могли б підвищити ефективність автомобілів.

Так як у всіх трьох типів автомобілів є багато одні й ті ж компоненти, ми проігноруємо цю частину автомобіля і порівняємо корисні дії до пункту, де виробляється механічна енергія. Почнемо з автомобіля на паливних елементах.

Якщо паливний елемент приведений у дію чистим воднем, його ККД може становити до 80 відсотків. Таким чином, він перетворює 80 відсотків енергетичного вмісту водню на електроенергію. Однак ми ще маємо перетворити електроенергію на механічну роботу. Це досягається електродвигуном та інвертором. ККД двигуна + інвертора також становить приблизно 80 відсотків. Це дає повну ефективність приблизно 80*80/100=64 відсотків. Концептуальний транспортний засіб Хонди FCX за повідомленнями має 60-відсоткову ефективність використання енергії.

Якщо паливне джерело не буде у вигляді чистого водню, то транспортний засіб також потребуватиме риформатора. Риформатори перетворюють вуглеводневі або спиртові палива на водень. Вони виробляють тепло і виробляють CO і CO2 крім водню. Для очищення отриманого водню в них використовуються різні пристрої, але це очищення недостатнє і знижує ефективність паливного елемента. Тому дослідники вирішили сконцентруватися на паливних елементах для транспортних засобів, що працюють на чистому водні, незважаючи на проблеми, пов'язані з виробництвом та зберіганням водню.

Ефективність бензинового двигуна та автомобіля на електричних батареях

Ефективність автомобіля, приведеного в дію бензином – напрочуд низька. Вся висока температура, яка виходить у вигляді вихлопу або поглинається радіатором, є марною енергією. Двигун також використовує багато енергії, що обертає різні насоси, вентилятори та генератори, що підтримують його роботу. Таким чином, повна ефективність автомобільного бензинового двигуна становить приблизно 20 відсотків. Таким чином, лише приблизно 20 відсотків вмісту теплової енергії бензину перетворюються на механічну роботу.

У працюючого від акумулятора електромобіля є досить висока ефективність. Батарея має ККД приблизно 90 відсотків (більшість батарей виробляє деяке тепло або вимагає нагрівання), і електродвигун + інвертор з ККД приблизно 80 відсотків. Це дає повну ефективність, приблизно, 72 відсотки.

Але це не все. Для того, щоб електромобіль рухався, електрика має бути спочатку десь вироблено. Якщо це була електростанція, яка використовувала процес згоряння викопного палива (а не ядерну, гідроелектричну, сонячну або вітрову енергію), то приблизно 40 відсотків палива, спожитого електростанцією, було перетворено на електрику. Плюс, процес заряджання автомобіля вимагає перетворення потужності змінного струму (AC) до потужності постійного струму (DC). У цього процесу ККД приблизно 90 відсотків.

Тепер, якщо ми дивимося на цілий цикл, ефективність електромобіля становить 72 відсотки для самого автомобіля, 40 відсотків для електростанції та 90 відсотків для зарядки автомобіля. Це дає повну ефективність 26 відсотків. Повна ефективність значно залежить від того, яка електростанція використовується для заряджання акумулятора. Якщо електрика для автомобіля вироблена, наприклад, гідроелектростанцією, ефективність електромобіля складе приблизно 65 відсотків.

Вчені досліджують та вдосконалюють проекти, щоб продовжувати підвищувати ефективність паливного елемента. Один з нових підходів повинен об'єднати паливний елемент та транспортні засоби, що працюють від акумулятора. Розробляється концептуальний транспортний засіб, що приводиться в дію гібридною трансмісією з підживленням від паливного елемента. Воно використовує літієву батарею, що приводить автомобіль у дію, тоді як паливний елемент перезаряджає батарею.

Транспортні засоби на паливних елементах потенційно так само ефективні як автомобіль, що працює від акумулятора, який заряджається від електростанції, що не використовує викопне паливо. Але досягнення такого потенціалу практичним і доступним способом може бути важким.

Навіщо потрібно використати паливні елементи?

Основною причиною є все, що пов'язане із нафтою. Америка має імпортувати майже 60 відсотків своєї нафти. До 2025 року імпорт, як очікується, зросте до 68%. Дві третини нафти американці використовують щодня для перевезень. Навіть якщо кожен автомобіль на вулиці був би гібридним автомобілем, до 2025 року в США все одно довелося б використати ту саму кількість нафти, яку споживали американці в 2000 році. Справді, Америка споживає чверть усієї нафти, яка видобувається у світі, хоча лише 4,6% світового населення живе тут.

Експерти очікують, що ціни на нафту продовжать зростати протягом наступних кількох десятиліть, оскільки дешевші джерела виснажуються. Нафтові компанії повинні розробляти нафтові родовища за все більш складних умов, через що підвищуватимуть ціни на нафту.

Побоювання сягають далеко за межі економічної безпеки. Багато коштів, що від продажу нафти, витрачаються на підтримку міжнародного тероризму, радикальних політичних партій, нестабільної обстановки в нафтовидобувних регіонах.

Використання нафти та інших видів викопного палива для одержання енергії здійснює забруднення. Воно найкраще підходить для всіх знайти альтернативу-спалювання викопного палива для отримання енергії.

Паливні елементи є привабливою альтернативою нафтовій залежності. Паливні елементи замість забруднення виробляють чисту воду як побічний продукт. Хоча інженери тимчасово зосередилися на виробництві водню з різних джерел, таких як бензин або природний газ, вивчаються відновлювані, екологічно чисті способи отримання водню в майбутньому. Найперспективнішим, природно, стане процес отримання водню із води

Залежність від нафти та глобальне потепління – міжнародна проблема. Декілька країн спільно беруть участь у розвитку досліджень та розробок для технології паливних елементів.

Очевидно, що вчені та виробники мають чимало попрацювати, перш ніж паливні елементи стануть альтернативою сучасним методам виробництва енергії. І все-таки, за підтримки всього світу та глобальної співпраці, життєздатна енергетична система на базі паливних елементів може стати реальністю вже через кілька десятиліть.

Запропонований винахід відноситься до біполярних пластин паливних елементів (ТЕ). Запропонована біполярна пластина ТЕ круглої форми містить розділові пластини, що мають середню зону, в якій канали розташовані по евольвентах кола, що обмежує центральну зону, причому довжина кола, по якому будуються евольвенти, дорівнює добутку числа каналів на крок, а крок каналів рівномірний по довжині кола, центральну зону, в яку входять внутрішні кінці евольвентних каналів і ребра каналів якої на пластинах розташовані таким чином, що при складанні вони перетинаються, утворюючи плоскі центральні колектори, периферійну кільцеву зону, що складається з каналів, що перетинаються, і конічних виступів, через яку організовано підведення і відведення реагентів та хладагента до зовнішніх кінців відповідних евольвентних каналів Розділові пластини по периферії і периферійний ущільнювальний кант мають збігаються по периферії отвори, які при складанні батареї ТЕ утворюють колекторні канали для підведення через горизонтальні канали окислювача, палива і теплоносія в периферійну кільцеву зону розділових пластин і далі у відповідності Створення жорсткої та легкої металевої біполярної пластини круглої форми, що забезпечує рівномірне відведення та підведення палива, окислювача та холодоагенту по всій площі ТЕ є технічним результатом винаходу. 3 з.п. ф-ли, 6 іл.

Малюнки до патенту РФ 2516245

Заявляється технічне рішення відноситься до області прямого перетворення хімічної енергії в електричну, зокрема, конструкції біполярної пластини паливного елемента (ТЕ).

Відомі численні варіанти конструкції ТЕ, у яких застосовані біполярні пластини прямокутної форми.

Одним з аналогів подібних біполярних пластин є ТЕ з протонообмінною мембраною, описаний у патенті США № 6261710 (клас МПК H01M 8/02, дата пріоритету 25.11.1998). Згідно з даним винаходом біполярна пластина містить верхню та нижню розділові тонколистові металеві пластини, в яких виштамповані прямолінійні канали з трикутним профілем. Канали призначені для подачі та відведення палива, окислювача та холодоагенту.

При зіткненні розділових пластин у процесі збирання між ними утворюється внутрішня порожнина холодоагенту, а зовнішні канали формують порожнини палива та окислювача. До складу біполярної пластини також входить периферійне ущільнююче прокладання.

Недоліки аналога, а саме підвищена маса, габарити та значний периметр ущільнення пов'язані з прямокутною формою біполярної пластини. Відомо, що коло є лінією мінімальної довжини, що обмежує повну поверхню цієї форми. Тільки круглі біполярні пластини, а, отже, і батарея паливних елементів на їх основі можуть мати найменшу масу, габарити і периметр ущільнення.

Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, і тому прийнятого за прототип, є батарея паливних елементів, що містить мембранно-електродні і біполярні зборки (пластини), заявлена ​​в патенті РФ № 2355072 «Батарея паливних елементів» (клас МПК HO1M 8/10, HO 02, дата пріоритету 03.10.2007). Дана батарея паливних елементів містить круглі (в плані) комплектуючі деталі, зокрема, біполярні пластини з каналами для підведення та відведення анодного та катодного газів, рідкого холодоагенту. Кожна біполярна збірка складається з катодної, середньої та анодної розділових металевих пластин, що примикають один до одного. Катодна та анодна розділові пластини забезпечені каналами для підведення катодного газу до повітряного та анодного газу до водневих електродів мембранно-електродних збірок, а середня пластина забезпечена каналами для циркуляції рідкого холодоагенту між катодною та анодною пластинами. Канали катодної пластини мають у плані форму спіралей, канали анодної пластини - форму півкола і канали середньої пластини - форму дугоподібних прорізів. Колектором входу катодного газу є центральний канал, що пронизує ТЕ, у тому числі біполярні зборки, колектор виходу катодного газу виконаний у вигляді щілинного каналу, розміщеного вздовж утворює батареї. Колектори входу та виходу анодного газу та хладагента також виконані у вигляді щілинних каналів, розміщених оппозитно вздовж утворюють батареї. Канали на поверхні анодних та катодних пластин біполярних збірок можуть бути виконані штампуванням.

Недоліки заявленого у прототипі технічного рішення полягають у наступному.

По-перше, канали всіх трьох порожнин організовані таким чином, що вони суттєво відрізняються за довжиною та формою. Неоднакові довжина і форма створюють різний гідравлічний опір каналів потоку реагентів і холодоагенту, і, як наслідок, нерівномірний розподіл струмоутворюючої реакції за площею ТЕ.

Ця обставина знижує ефективність паливних елементів та погіршує корозійну стійкість батареї паливних елементів, що, у свою чергу, зменшує ресурс її роботи.

По-друге, організація щілинних каналів шляхом дотику внутрішньої поверхні циліндричного діелектричного корпусу і зовнішньої поверхні внутрішньої поверхні пакета, що складається з мембрано-електродних та біполярних збірок, яку практично неможливо виготовити гладкою, ускладнює досягнення міжпорожнинної герметичності батареї.

Завданням конструкції біполярної пластини ТЕ круглої форми, що заявляється, є забезпечення умов для рівномірного розподілу реагентів і холодоагенту по площі паливних елементів і спрощення питання досягнення герметичності при складанні, як між порожнинами батареї, так і самої батареї паливних елементів щодо зовнішнього середовища, а крім того, забезпечення необхідної жорсткості біполярної пластини, що особливо важливо при виготовленні її з тонкого листового металу товщиною до 0,05 мм.

Вирішення поставленого завдання полягає в тому, що у відомій конструкції ТЕ круглої форми, що складається з мембрано-електродної, а також біполярної збірок, що містять канали для циркуляції анодного, катодного газів і холодоагенту, отриманих штампуванням, з оппозитним (протилежним) розташуванням входів та виходів газу та холодоагенту, отворів для кріплення та центрування біполярних зборок при складанні батареї, згідно з заявляється технічного рішення змінена форма каналів, кількість розділових пластин у біполярній збірці зменшено до двох, за рахунок виключення центральної пластини, а замість п'яти щілинних та одного круглого центрального каналів (колекторів ) входу та виходу катодного та анодного газів та хладагента організовані безліч колекторів входу та виходу катодного, анодного газів та хладагента, утворені отворами, у периферійному канті біполярної пластини ТЕ круглої форми.

Згідно з заявляється технічним рішенням замість спіральних (для катодного газу), напівкруглих (для анодного газу) і дугоподібних (для холодоагенту) каналів, канали обох реагентів і холодоагенту заявляється біполярної пластини ТЕ круглої форми виконані по евольвентах окружності, що обмежує . Внутрішні кінці евольвентних каналів з'єднані з центральною зоною, а зовнішні кінці евольвентних каналів у периферійній кільцевій зоні з'єднані за допомогою горизонтальних каналів з колекторними отворами, наприклад, трапецієподібними, розташованими по колу на периферійному ущільнювальному канті біляр. Лише застосування цієї конструкції дозволяє отримати для біполярних пластин ТЕ круглої форми канали рівної довжини та однакової форми. Довжина кола, по якому будуються евольвенти, дорівнює добутку числа каналів на крок, причому крок каналів рівномірний по довжині кола, а, отже, товщини ребер, що утворюють канали, рівні, і всі канали мають однаковий гідравлічний опір, що забезпечує високу рівномірність електрохімічної струмогенеруючої реакції за площею ТЕ і, як наслідок, високу ефективність батареї паливних елементів загалом.

Канали палива, окислювача та холодоагенту виштамповані у двох тонколистових металевих розділових пластинах, що входять до складу біполярної пластини ТЕ. Обидві розділові пластини (анодна та катодна) міцно з'єднані між собою, наприклад, спаяні по всіх місцях зіткнення. Також спаяні між собою всі місця контакту деталей з ущільнювальним периферійним кантом.

У центральній круглій зоні біполярної пластини ТЕ евольвентні канали відсутні. Канали для потоків реагентів та холодоагенту в центральній зоні організовані за допомогою окремих протяжних ребер, довжина, форма та взаємне розташування яких забезпечує повне перемішування та усереднення концентрації газів та холодоагенту, що надходять до неї з усіх евольвентних каналів. Для забезпечення жорсткості конструкції в центральній зоні ребра анодної та катодної розділових пластин біполярної пластини розташовані таким чином, що перетинаються, утворюючи своєрідну сітку.

У периферійній кільцевій зоні біполярної пластини ТЕ циркуляція реагентів та хладагента також організовані за допомогою ребер. Ребра анодної та катодної розділових пластин з метою забезпечення жорсткості біполярної пластини в цій зоні розташовані таким чином, що перетинаються один з одним, забезпечуючи жорсткість цієї ділянки.

Вертикальні колектори подачі та відведення реагентів та холодоагенту в батареї ТЕ утворені при складанні батареї ТЕ з отворів, розташованих у периферійному ущільнювальному канті біполярної пластини ТЕ круглої форми.

Пакет, що складається з мембрано-електродних збірок та біполярних пластин ТЕ круглої форми, ущільнений за їх кантами, наприклад, за допомогою герметика або клею.

Таким чином, в заявляється технічному рішенні забезпечуються рівномірний розподіл потоків реагентів і холодоагенту по всій площі ТЕ, надійне ущільнення анодної, катодної, а також порожнини холодоагенту між собою та всіх порожнин відносно зовнішнього середовища, необхідні жорсткість та міцність біполярних пластин паливних елементів, виготовлених тонколистових металів.

Заявляється технічне рішення представлене на наступних постатях. Фіг.1 - загальний вигляд біполярної пластини ТЕ круглої форми, що заявляється. На фіг.2 - середня зона евольвентних каналів у більшому масштабі. На фіг.3 представлено поперечний переріз середньої зони евольвентних каналів. Фіг.4 - центральна зона більшого масштабу. Фіг.5 - збільшений фрагмент периферійної кільцевої зони з периферійним ущільнюючим кантом. Фіг.6 - паливний елемент у розрізі анодної порожнини.

Біполярна пластина ТЕ круглої форми (фіг.1) містить такі зони: власне евольвентних каналів, власне евольвентних каналів, центральну (3) куди виходять внутрішні кінці евольвентних каналів, а також ущільнювальний периферійний кант (4). На фіг.1 середня (евольвентна) зона (1) та периферійна кільцева зона (2) показані не повністю; насправді вони рівномірно покривають всю площу поверхні заявляється біполярної пластини ТЕ круглої форми.

На фіг.2 середня зона евольвентних каналів (1) наведена у більшому масштабі, щоб показати її канали (5) та ребра (випуклості) (6).

Поперечний переріз середньої зони евольвентних каналів (фіг.3) дає уявлення як з'єднані, наприклад, спаяні між собою (паяний шов позначений позицією 7) анодна (8) і катодна (9) розділові пластини, утворюючи між своїми внутрішніми поверхнями порожнину для циркуляції хладагента ( 10). Зовнішні поверхні катодної (9) і анодної (8) розділових пластин служать для утворення каналів, якими циркулюють відповідно паливо (11) і окислювач (12).

На фіг.4 представлено розташування в центральній зоні ребер каналів катодної (13) (суцільні лінії) розділової пластини та анодної (14) (переривчасті лінії) розділової пластини. Канали центральної зони обох пластин розташовані таким чином, що при складанні біполярної пластини ТЕ канали перетинаються, утворюючи плоский центральний колектор, який служить для рівномірного розподілу палива, окислювача та холодоагенту в центральній зоні. Крім того, подібне розташування каналів дозволяє зміцнити центральну зону (3) біполярної пластини. На фіг.4 також представлено яким чином евольвентні канали (5) та їх ребра (6) зчленовуються з каналами та ребрами центральної зони.

На фіг.5 показано, яким чином перетинаються ребра каналів анодної (15) і ребра каналів катодної (16) розділових пластин у периферійній кільцевій зоні (2) біполярної пластини ТЕ круглої форми, забезпечуючи її жорсткість та міцність у цій зоні. Ребра каналів (15 і 16) спільно з конічними виступами (17) утворюють своєрідні плоскі колектори, що рівномірно розподіляють паливо, окисник і хладагент на вході в зовнішні кінці відповідних евольвентних каналів в середній зоні евольвентних каналів (1) біполярної пластини Т них. Отвори (18) в периферійному ущільнювальному канті (4) і по периферії анодної (8) і катодної (9) розділових пластин, наприклад, трапецієподібні, утворюють при складанні батареї ТЕ вертикальні колекторні канали для подачі та відведення у відповідні порожнини біполярної пластини Т хладагента через горизонтальні канали (19), а через отвори для кріплення та центрування біполярних збірок при складанні батареї (20) проходять елементи кріплення, наприклад, шпильки (стрижневі пружини), що стягують паливні елементи батарею ТЕ. Отвори для кріплення та центрування біполярних збірок при складанні батареї (20) розташовані рівномірно по колу біполярної пластини ТЕ круглої форми та їх може бути, наприклад, три.

Фіг.6 дає уявлення про весь паливний елемент у розрізі. ТЕ містить біполярну пластину (21), в яку входять анодна (8) і катодна (9) розділові пластини, що утворюють між собою канали для циркуляції хладагента (10), а разом з анодом (22) і катодом (23) утворюють канали для циркуляції палива (11) та канали для циркуляції окислювача (12). До складу біполярної пластини ТЕ круглої форми також входить периферійний ущільнювальний кант (4), що має отвори, за допомогою яких при складанні біполярних пластин ТЕ круглої форми батарею ТЕ утворюються вертикальні колекторні канали (24), з яких по горизонтальних каналах (19) реагенти надходять відповідні канали для циркуляції, наприклад, як у цьому випадку палива (11), тобто. до анода (22) і канали для циркуляції окислювача (12), тобто. до катода (23), а хладагент - канал для циркуляції хладагента (10). До складу паливного елемента також входить електролітна мембрана (25) з ущільнюючим її периферійним кантом (26).

Робота ТЕ із конструкцією біполярної пластини показана на прикладі циркуляції палива (фіг.6) і відбувається наступним чином. Паливо з вертикальних колекторних каналів (24) горизонтальними каналами (19) надходить у плоскі колектори периферійної кільцевої зони (2) і рівномірно розподіляється по евольвентних каналах для циркуляції палива (11) середньої зони евольвентного каналу (1), із середньої зони евольвентного каналу ( 1) паливо потім надходить у канали центральної зони (3), в якій паливо, що надійшло з усіх евольвентних каналів середньої зони (1) змішується, при цьому гарантовано вирівнюється концентрація його компонентів, зокрема домішок, наприклад, діоксиду вуглецю, монооксиду вуглецю та інших домішок у тому випадку, коли як паливо використовується водень, отриманий конверсією вуглеводнів. Аналогічним чином, але у зворотному порядку інертні компоненти виводяться з порожнини, утвореної каналами для циркуляції палива, з протилежного боку ТЕ з потоком палива, що циркулює.

Окислювач з відповідних вертикальних колекторних та горизонтальних каналів таким же чином надходить в аналогічні зони порожнини, утвореної каналами для циркуляції окислювача, біполярної пластини паливного елемента круглої форми. Інертні домішки, що містяться в окислювачі, аналогічно виводяться з протилежного боку ТЕ.

По порожнині біполярної пластини ТЕ круглої форми, утвореної каналами для хладагента (10), циркулює хладагент, що відводить тепло, що виділяється в електрохімічної токогенеруючої реакції окислення палива. Сполучені, наприклад, спаяні між собою по всій довжині ребер евольвентні канали в середній зоні (1), а також по всіх місцях перетину ребер у кільцевій периферійній (2) і центральній (3) зонах надають біполярній пластині необхідну жорсткість і міцність.

Рівномірний розподіл площі ТЕ потоків реагентів і хладагента разом з рівномірним і гарантовано достатнім притисканням електродів до матриці, забезпеченим жорсткістю і міцністю біполярної пластини, дозволило досягти високих електричних характеристик паливного елемента.

Були виготовлені нікелеві біполярні пластини лужних ТЕ конструкції, що заявляється для електродів площею 700 см 2 і товщиною сепараторних пластин 0,06 мм. Вага біполярної пластини в середньому склала 150 г. Усі пластини відповідали конструктивним вимогам. Герметичність порожнини хладагента щодо порожнин палива та окислювача та всіх трьох порожнин щодо зовнішнього середовища, а також батарей ТЕ, виготовлених з використанням біполярних пластин паливних елементів, що заявляються, відповідала технічним вимогам. Технічним вимогам відповідали міцність і жорсткість всіх біполярних пластин, що характеризується відсутністю деформації при навантаженні 3 кг/см 2 . Висока рівномірність потоків реагентів та холодоагенту за площею ТЕ виявилася у високій ефективності паливних елементів: у складі батарей ТЕ при температурі 99°C, концентрації їдкого калію в електроліті 8,3 г-екв/л та тиску кисню та водню 4,2 кг/см 2 напруга усередненого елемента батарей становило 985 мВ при щільності струму навантаження 200 мА/см 2 а питома потужність 0,43 кг ТЕ/кВт і 805 мВ (0,52 кг ТЕ/кВт) при 1000 мА/см 2 . На батареях ТЕ з меншою площею електродів (176 см 2) при температурі 121°C і тих же концентрації електроліту, тиску газів та щільності струму навантаження 4200 мА/см 2 середня напруга склала 612 мВ (0,18 кг ТЕ/кВт).

Використання конструкції, що заявляється, дозволяє виготовляти легкі компактні багатоелементні високоефективні батареї паливних елементів, здатні тривалий час надійно експлуатуватися як при атмосферному тиску палива, окислювача і холодоагенту, так і при тисках навколишнього середовища, що значно перевищують атмосферне, а також у вакуумі. Все це дозволяє застосовувати їх не тільки у традиційних областях, але також там, де потрібні вироби з високими масогабаритними характеристиками, насамперед у космосі та на підводних апаратах.

Джерела інформації

1. Патент США № 6261710 "Sheet metal bipolar plate design for polymer electrolyte membrane fuel cells", кл. МПК H01M 2/00, дата пріоритету 17.07.2001.

2. Патент РФ № 2355072 "Батарея паливних елементів", кл. МПК H01M 8/10, H01M 8/02, дата пріоритету 03.10.2007.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Біполярна пластина паливного елемента круглої форми, що містить з'єднані між собою розділові пластини з каналами для циркуляції палива, окислювача та холодоагенту та опозитним розташуванням входу та виходу окислювача, палива та хладагента, що відрізняється тим, що розділові пластини виконані таким чином, що утворюють середню зону , в якій канали розташовані по евольвентах кола, що обмежує центральну зону, причому довжина кола, по якій будуються евольвенти, дорівнює добутку числа каналів на крок, а крок каналів рівномірний по довжині кола, центральну зону, в яку входять внутрішні кінці евольвентних каналів і ребра каналів якої на пластинах розташовані таким чином, що при складанні вони перетинаються, утворюючи плоскі центральні колектори, периферійну кільцеву зону, що складається з каналів, що перетинаються, і конічних виступів, через яку організований підведення і відведення реагентів і холодоагенту до зовнішніх кінців відповідних евольвентних каналів, а розділові пластини по периферії і периферійний ущільнювальний кант мають збігаються по периферії отвори, які при складанні батареї паливних елементів утворюють колекторні канали для підведення через горизонтальні канали окислювача, палива і теплоносія в периферійну кільцеву зону роздільних пластин і далі

2. Біполярна пластина паливного елемента круглої форми за п.1, що відрізняється тим, що розділові пластини по всіх місцях зіткнення та периферійний ущільнювальний кант спаяні.

3. Біполярна пластина паливного елемента круглої форми за п.1, що відрізняється тим, що колекторні отвори на периферійному ущільнювальному канті та по периферії розділових пластин виконані трапецієподібними.

4. Біполярна пластина паливного елемента круглої форми за п.1, відрізняється тим, що отвори для кріплення та центрування батареї при складанні, розташовані рівномірно по периферійному ущільнювальному канту і по периферії розділових пластин, збігаються.