Comment fonctionnent les piles à combustible. Plaque bipolaire et procédé pour sa fabrication Protection contre la corrosion de plaques bipolaires en acier de piles à combustible

ÉNERGIE ÉLECTROCHIMIQUE. 2009. V. 9, n° 3. S.161-165

CDU 66.02 ; 536,7 ;

PROCEDES DE TRAITEMENT DE SURFACE DE PLAQUES BIPOLAIRES EN TITANE DE PILE A COMBUSTIBLE HYDROGENE-AIR

M. S. Vlaskin, E. I. Shkolnikov, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov* et V. P. Kharitonov*

Institute of New Energy Problems JIHT RAS, Moscou, Russie *CJSC "Rimos", Moscou, Russie [courriel protégé]

Reçu le 11 juin 2009

L'article est consacré à l'étude de l'influence des traitements de surface des plaques bipolaires (BP) sur les caractéristiques électriques spécifiques des piles à combustible (FC). Les études ont été réalisées sur des plaques à base de titane. Deux méthodes de traitement BP sont envisagées : la dorure électrochimique et l'implantation d'ions carbone. Représentée brèves descriptions technologies données, ainsi que la méthodologie et les résultats des expériences. Il est démontré que le placage à l'or et le dopage au carbone de la surface des BP en titane améliorent les caractéristiques électriques des FC. La diminution relative des résistances ohmiques FC par rapport aux plaques de titane non revêtues était de 1,8 pour la dorure électrochimique et de 1,4 pour l'implantation ionique.

Mots clés Mots clés : piles à combustible hydrogène-air, plaques bipolaires à base de titane, implantation de carbone, spectroscopie d'impédance.

Le travail est consacré à la recherche de l'influence des traitements superficiels des plaques bipolaires (BP) sur les caractéristiques électriques spécifiques des combustibles ce)(s (FC). Des recherches ont été menées sur des plaques à base de titan. Deux méthodes de traitement des BP sont considérés : la dorure électrochimique et l'implantation ionique de carbone. Dans le travail, de brèves descriptions des technologies résultantes, ainsi qu'une technique et des résultats d'expériences sont présentés. Dans le travail, il est démontré que la dorure et l'implantation ionique du carbone titanic BP caractéristiques électriques FC s'améliorent. La réduction relative de la résistance ohmique FC par rapport aux plaques de titane "pures" a constitué 1,8 pour la dorure électrochimique et 1,4 pour l'implantation ionique.

Mots clés : piles à combustible hydrogène-air, plaques bipolaires à base de titane, implantation de carbone, spectroscopie d'impédance.

INTRODUCTION

Actuellement, deux principaux types de matériaux pour BP sont utilisés dans le monde : BP à partir de composites polymères de carbone ou de graphite et BP métallique.

Les recherches dans le domaine du graphite BP ont conduit à une amélioration significative de leurs propriétés physiques et chimiques et de leurs spécificités. Les blocs d'alimentation à base de graphite sont plus résistants à la corrosion que ceux en métal, mais leur principal inconvénient reste leur faible résistance mécanique, qui empêche leur utilisation dans les piles à combustible pour le transport et les centrales électriques portables.

À cet égard, les métaux présentent plusieurs avantages indéniables par rapport aux matériaux carbonés. Ils se caractérisent par une conductivité thermique et électrique plus élevée, une absence de pores, une imperméabilité aux gaz et une résistance mécanique élevée. Les blocs d'alimentation en métal sont également plus économiques que les blocs d'alimentation en graphite. Cependant, tous les avantages ci-dessus des métaux sont largement dépréciés par des inconvénients tels qu'une faible résistance à la corrosion et une résistance de contact élevée avec les couches de diffusion de gaz carbonique (GDL).

Le métal le plus prometteur comme matériau pour la fabrication d'alimentations électriques est le titane. Le document présente certains avantages des blocs d'alimentation en titane. Le titane a de bonnes propriétés mécaniques et la contamination par des ions de titane n'est pas dangereuse pour le catalyseur de l'unité d'électrode à membrane (MEA). La résistance à la corrosion du titane est également l'une des plus élevées parmi les métaux, cependant, dans l'environnement agressif des piles à combustible, le titane doit encore être protégé de la corrosion. Un facteur supplémentaire dans la recherche de revêtements pour le titane est sa haute résistance de contact avec les HDS en carbone.

Notre laboratoire (JIHT RAS Laboratory of Aluminium Hydrogen Energy) est engagé dans le développement de sources d'énergie portables basées sur des piles à combustible hydrogène-air (HHFC). Le titane a été choisi comme matériau BP, notamment en raison de ce qui précède. Les travaux que nous avons effectués précédemment ont confirmé la nécessité de rechercher des revêtements et/ou des méthodes pour son traitement supplémentaire.

Un moyen bien connu de protéger la surface du titane consiste à le recouvrir d'or. Ce revêtement augmente la résistance à la corrosion et diminue la résistance ohmique de la pile à combustible, ce qui conduit à une amélioration de ses caractéristiques électriques. Cependant, cette technologie est

© 2009

M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. KHARITONOV

coûteux, principalement en raison de l'utilisation de métaux précieux.

Dans cet article, en plus de la dorure électrochimique, un procédé de fabrication d'un PB à partir de titane avec son traitement ultérieur par implantation ionique est considéré. L'alliage de la surface du BP avec du carbone crée une protection supplémentaire contre la corrosion et réduit la résistance de contact avec le carbone GDS. Cette technologie promet de réduire le coût de fabrication des blocs d'alimentation, tout en conservant des caractéristiques électriques élevées.

L'article présente les résultats d'expériences comparant les caractéristiques électriques d'un bloc d'alimentation en titane "pur" (c'est-à-dire sans revêtement), en titane revêtu électrochimiquement d'or et en titane allié au carbone par la méthode d'implantation ionique.

1. TECHNIQUE EXPÉRIMENTALE

La courbe courant-tension et l'impédance FC ont été choisies comme caractéristiques électriques, à l'aide desquelles les méthodes ci-dessus de fabrication d'un bloc d'alimentation en titane ont été comparées les unes aux autres. Les expériences ont été réalisées sur un impédancemètre spécialisé Z-500PX (avec les fonctions d'un potentiostat) fabriqué par Elins LLC. Le FC a été chargé avec une charge électronique intégrée à l'impédance en mode potentiostatique à des tensions de 800, 700, 600 et 500 mV. À chaque tension, le FC a été maintenu pendant 2000 s pour atteindre un état stable, après quoi la mesure d'impédance a suivi. Dans chaque cas, après exposition et

lorsque la pile à combustible a atteint l'état stationnaire, 5 hodographes ont été pris. Lors de la mesure de l'impédance, l'amplitude du signal de tension sinusoïdal perturbateur était de 10 mV, la plage de fréquences était de 105–1 Hz. Les courbes courant-tension ont été tracées à partir de valeurs stationnaires.

Toutes les expériences ont été réalisées sur des HVFE de test modèles spécialement conçus (Fig. 1). L'élément de test est un seul MEA, pris en sandwich entre deux plaques collectrices de courant, analogues aux plaques d'extrémité des batteries FC. La taille globale des plaques collectrices de courant est de 28x22 mm, l'épaisseur est de 3 mm chacune. Pour la commodité de la collecte actuelle, les plaques ont des "queues" spéciales de 4x4 mm. Taille de la surface active 12x18 mm (2,16 cm2). L'hydrogène est fourni au MEA à travers la plaque collectrice de courant anodique et se propage selon le champ d'écoulement donné sur la surface active de cette plaque. L'air alimente le VVTE par convection naturelle. La plaque collectrice cathodique comporte 4 canaux d'un diamètre de 2 mm avec des fentes dans la zone de la surface active. La longueur du canal par lequel l'air est distribué est de 22 mm. Les AME à trois éléments sont en Mayop 212, avec une consommation de catalyseur au platine de 0,2 mg/cm2 à l'anode et de 0,5 mg/cm2 à la cathode.

Les VVTE d'essai ont été assemblés à partir des mêmes composants, à l'exception des plaques collectrices de courant. Trois paires de plaques collectrices de courant ont été fabriquées à partir de titane VT1-0. La première paire était en titane rectifié "pur"

Riz. 1. Testez la pile à combustible dans un état pliable. Détails de gauche à droite : plaque collectrice de courant anodique, joint, anode GDS, MEA, cathode HDS, joint, plaque collectrice de courant cathodique ; bas - vis et écrous de fixation

plaques, c'est-à-dire sans revêtements ni traitement supplémentaire. Le second a été recouvert d'or de 3 µm d'épaisseur à travers une sous-couche de nickel de 2 µm d'épaisseur par la méthode électrochimique standard. La troisième paire a été dopée au carbone par implantation ionique.

Processus technologique l'implantation ionique est connue depuis environ 50 ans. Il est basé sur l'introduction d'ions accélérés d'une substance dans le matériau cible pour modifier les propriétés physiques et chimiques de sa surface. L'implantation ionique de BP en titane et de plaques d'extrémité a été réalisée sur un stand spécialisé du CJSC "RIMOS". Le support est un injecteur capable de créer des faisceaux d'ions accélérés de diverses substances dans des conditions de vide poussé sans huile. Les plaques de titane implantées sur ce support ont une résistance élevée à la corrosion et une continuité d'alliage. Des plaques de titane ont été soumises à un traitement par faisceau ionique à une énergie ionique de 20 keV, une dose d'implantation de 1018 cm-2 et une température du produit traité de 300 °C ± 10 °C.

La dose d'implantation de carbone a été mesurée le long de la profondeur du profil de distribution d'une plaque de titane polie par la méthode de spectrométrie de masse des ions secondaires sur l'équipement CAMECA 1M84B (France). La courbe de distribution de la concentration de carbone dans le titane est illustrée à la fig. 2. Selon la figure, la profondeur de la couche superficielle de carbone est de 200 ^ 220 nm, ce qui est suffisant pour obtenir des propriétés physiques et chimiques fondamentalement nouvelles de la surface BP.

1016 _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Profondeur, microns

Riz. 2. Courbe de distribution de la concentration en carbone dans le titane

2. RÉSULTATS ET DISCUSSION

Sur la fig. La figure 3 montre les courbes volt-ampère et les courbes de densité de puissance correspondantes pour les piles à combustible avec différentes plaques de collecte de courant. Les valeurs absolues du courant et de la puissance sont liées à la surface active MEA, qui est de 2,16 cm2. Il ressort clairement de la figure que tant l'alliage au carbone que la dorure électrochimique conduisent à une amélioration des caractéristiques spécifiques des piles à combustible. Il convient de noter que les caractéristiques volt-ampère affichent simultanément les pertes d'activation, ohmiques et de diffusion dans une pile à combustible. Les pertes d'activation sont associées au dépassement de la barrière d'énergie des réactions d'électrode, les pertes ohmiques sont la somme des résistances électriques de chacune des couches FC électriquement conductrices et des résistances de contact entre elles, et les pertes de diffusion sont associées à un manque d'approvisionnement en réactifs à la Région de réaction MEA. Malgré le fait qu'en divers domaines les densités de courant, en règle générale, l'un des trois types de pertes énumérés ci-dessus, les courbes volt-ampère et les courbes de densité de puissance ne suffisent pas à quantifier l'une ou l'autre méthode de traitement BP (plaques d'extrémité). Dans notre cas, les pertes ohmiques des FC sont intéressantes. Les pertes d'activation et de diffusion en première approximation pour toutes les piles à combustible sont les mêmes : pertes d'activation dues à l'utilisation du même MEA avec la même consommation de catalyseur, pertes de diffusion dues à la même conception des plaques collectrices de courant de test.

Les hodographes de l'impédance obtenus au cours des expériences ont été utilisés pour identifier les pertes ohmiques. Les résultats de cette partie des expériences sont présentés sur les Fig. 4. A titre d'exemple, les figures montrent l'un des cinq hodographes pris dans chaque cas après que le FC ait atteint l'état stationnaire.

La spectroscopie d'impédance permet de quantifier les pertes électriques des FC. Les articles donnent une description cette méthode par rapport à VVTE. Conformément aux règles d'interprétation des hodographes, la résistance ohmique est la partie réelle de l'impédance aux hautes fréquences (/ = 105-104 Hz). La valeur est sélectionnée au point d'intersection de l'hodographe avec l'axe des abscisses (1m R = 0) dans la région des hautes fréquences. Aussi, à l'aide d'hodographes, on trouve la capacité de la double couche sur la surface électrode/électrolyte. Le diamètre du demi-cercle de l'hodographe caractérise la résistance totale au passage des charges à travers cette couche. Sur la fig. 4 hodographes d'impédance sont présentés dans la gamme

M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. KHARITONOV

Riz. 3. Courbes Volt-Ampère (a) et courbes de densité de puissance correspondantes (b) : - - - titane non revêtu,

W- - titane + C, -■- - titane + N1 + Au

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1t, De 3,8 3,4 3,0 2,6 2,2 1,8 1,4 1,0 0,6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Riz. Fig. 4. Impédance TE à polarisation constante, mV : a - 800, b - 700 c - 600, d - 500 : - titane non revêtu ;

Titane + N1 + Au ; o - titane + C

fréquences de 105-1 Hz, car il convient de noter les pertes de diffusion assez élevées des piles à combustible (plus de 2 Ohm-cm2). Cependant, ceci n'est pas une conséquence du traitement de surface des plaques de titane, mais est lié à la conception de la plaque collectrice de courant cathodique et aux conditions de convection naturelle lorsque l'air est fourni au MEA.

Le tableau montre les valeurs absolues des résistances ohmiques en fonction de la polarisation de la pile à combustible et de la méthode de traitement de ses plaques collectrices de courant, ainsi que leurs erreurs systématiques. Les résultats indiquent que le placage d'or réduit la résistance ohmique totale d'un facteur d'environ 1,8 par rapport au titane non revêtu en raison d'une diminution des pertes de contact. Le dopage avec des ions carbone donne un gain d'environ 1,4 fois, respectivement. La valeur de l'intervalle de confiance indique la grande précision des mesures des valeurs de résistance ohmique.

Résistance ohmique d'une pile à combustible (Ohm) avec des plaques collectrices de courant en titane non revêtu, en titane revêtu électrochimiquement de N1, Au et en titane dopé avec des ions C+, en fonction de la polarisation de la pile à combustible

Échantillon de tension TE, mV

Titane non revêtu 0,186 0,172 0,172 0,169

Titane+Ni, Au 0,1 0,098 0,097 0,093

Titane+C 0,131 0,13 0,125 0,122

Ainsi, il a été prouvé que le placage à l'or et l'alliage au carbone du titane BP réduisent leur résistance de contact avec les disques durs en carbone. Le revêtement des tranches d'or s'avère légèrement plus avantageux en termes de caractéristiques électriques que leur traitement par implantation ionique.

Tout ce qui précède suggère que l'une et l'autre des technologies considérées peuvent être utilisées pour traiter le titane BP.

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Électrodes SOFC produites à l'Institut de physique du solide RAS : vert - anode et noir - cathode. Les piles à combustible sont situées sur des plaques bipolaires pour les batteries SOFC

Un de mes amis a récemment visité l'Antarctique. Un voyage amusant ! dit-elle voyage d'affaires il est également développé pour amener le voyageur sur place et lui faire goûter la rude magnificence de la région polaire, sans mourir de froid. Et ce n'est pas aussi facile qu'il n'y paraît - même en tenant compte technologies modernes: l'électricité et la chaleur en Antarctique valent leur pesant d'or. Jugez par vous-même, les générateurs diesel conventionnels polluent la neige vierge, et nécessitent la livraison d'une grande quantité de carburant, et les sources d'énergie renouvelables ne sont pas encore très efficaces. Par exemple, à la station-musée populaire auprès des touristes antarctiques, toute l'énergie est générée par la puissance du vent et du soleil, mais il fait frais à l'intérieur du musée et quatre gardiens prennent des douches exclusivement sur les navires qui amènent des invités.

Les problèmes d'alimentation électrique constante et ininterrompue sont familiers non seulement aux explorateurs polaires, mais également à tous les fabricants et personnes vivant dans des régions éloignées.

Ils peuvent être résolus par de nouvelles façons de stocker et de générer de l'énergie, parmi lesquelles les sources de courant chimiques semblent les plus prometteuses. Dans ces mini-réacteurs, l'énergie des transformations chimiques directement, sans conversion en chaleur, est convertie en électricité. Ainsi, les pertes et, par conséquent, la consommation de carburant sont fortement réduites.

Différentes réactions peuvent avoir lieu dans les sources d'énergie chimiques, et chacune a ses propres avantages et inconvénients : certaines s'essoufflent rapidement, d'autres ne peuvent fonctionner que dans certaines conditions, par exemple des températures ultra-élevées, ou sur un combustible strictement défini, comme sous forme d'hydrogène pur. Un groupe de scientifiques de l'Institut de physique du solide de l'Académie russe des sciences (ISSP RAS) dirigé par Sergueï Bredikhine fait un pari sur la soi-disant pile à combustible à oxyde solide (SOFC). Les scientifiques sont convaincus qu'avec la bonne approche, il sera en mesure de remplacer les générateurs inefficaces dans l'Arctique. Leur projet a été soutenu dans le cadre du programme cible fédéral "Recherche et développement pour 2014-2020".

Sergey Bredikhin, responsable du projet FTP "Développement d'une technologie évolutive de laboratoire pour la fabrication de SOFC planaires et le concept de création sur leur base centrales électriques à des fins diverses et structures, y compris hybrides, avec la fabrication et le test d'un échantillon expérimental à petite échelle d'une centrale électrique d'une capacité de 500 à 2000 W "

Sans bruit ni poussière, mais avec un retour complet

Aujourd'hui, la lutte dans l'industrie de l'énergie est pour une production d'énergie utile : les scientifiques se battent pour chaque pourcentage d'efficacité. Les générateurs fonctionnant sur le principe de la combustion interne aux hydrocarbures - mazout, charbon, gaz naturel (ce dernier type de carburant est le plus respectueux de l'environnement) sont largement utilisés. Les pertes lors de leur utilisation sont importantes : même avec une optimisation maximale, le rendement de telles installations ne dépasse pas 45 %. Dans le même temps, lors de leur fonctionnement, des oxydes d'azote (NOx) se forment qui, lorsqu'ils interagissent avec l'eau dans l'atmosphère, se transforment en acides plutôt agressifs.

Batterie SOFC sous charge mécanique

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) n'ont pas ces "effets secondaires". De telles installations ont une efficacité de plus de 50% (et ce uniquement en termes de production d'électricité, et compte tenu de la puissance thermique, l'efficacité peut atteindre 85 à 90%), et elles n'émettent pas de composés dangereux dans l'atmosphère.

« Il s'agit d'une technologie très importante pour l'Arctique ou la Sibérie, où l'environnement et les problèmes de livraison de carburant sont particulièrement importants. Parce que les SOFC consomment plusieurs fois moins de carburant, a expliqué Sergey Bredikhin. "Ils doivent travailler sans arrêt, ils sont donc bien adaptés pour travailler dans une station polaire ou un aérodrome du Nord."

Avec une consommation de carburant relativement faible, une telle installation fonctionne également sans entretien jusqu'à 3-4 ans. « Le groupe électrogène diesel, qui est aujourd'hui le plus utilisé, nécessite une vidange d'huile toutes les mille heures. Et SOFC fonctionne 10 à 20 000 heures sans maintenance », a souligné Dmitry Agarkov, chercheur junior à l'ISSP.

De l'idée à la batterie

Le principe de fonctionnement de la SOFC est assez simple. Il s'agit d'une "batterie" dans laquelle plusieurs couches de piles à combustible à oxyde solide sont assemblées. Chaque élément a une anode et une cathode, du combustible lui est fourni du côté anode et de l'air lui est fourni du côté cathode. Il est à noter que le plus adapté aux SOFC différents types carburants allant de l'hydrogène pur au monoxyde de carbone et divers composés d'hydrocarbures. À la suite des réactions se produisant à l'anode et à la cathode, de l'oxygène et du carburant sont consommés et un courant ionique est créé entre les électrodes. Lorsqu'une batterie est intégrée dans un circuit électrique, le courant commence à circuler dans ce circuit.

Simulation informatique de la distribution des courants et des champs de température dans une batterie de SOFC de taille 100×100 mm.

Une caractéristique désagréable du fonctionnement SOFC est le besoin de températures élevées. Par exemple, un échantillon prélevé à l'Institut de physique du solide de l'Académie russe des sciences fonctionne à 850°C. Pour se réchauffer température de fonctionnement, le générateur a besoin d'environ 10 heures, mais il fonctionnera ensuite pendant plusieurs années.

Les cellules à oxyde solide en cours de développement à l'Institut de physique du solide RAS produiront jusqu'à deux kilowatts d'électricité, en fonction de la taille de la plaque de combustible et du nombre de ces plaques dans la batterie. De petites maquettes de batteries de 50 watts ont déjà été assemblées et testées.

Une attention particulière doit être portée aux plaques elles-mêmes. Une plaque se compose de sept couches, chacune ayant sa propre fonction. Deux couches sur la cathode et l'anode catalysent la réaction et laissent passer les électrons, la couche de céramique entre elles isole différents milieux (air et carburant), mais laisse passer les ions oxygène chargés. Dans le même temps, la membrane elle-même doit être suffisamment solide (les céramiques de cette épaisseur s'endommagent très facilement), elle se compose donc elle-même de trois couches: la centrale donne le nécessaire propriétés physiques- une conductivité ionique élevée, - et des couches supplémentaires déposées de part et d'autre assurent la résistance mécanique. Cependant, une pile à combustible est très mince - pas plus de 200 microns d'épaisseur.

Couches SOFC

Mais une pile à combustible ne suffit pas - l'ensemble du système doit être placé dans un conteneur résistant à la chaleur qui résistera au fonctionnement pendant plusieurs années à une température de 850 ° C. Soit dit en passant, dans le cadre du projet, pour protéger les éléments structurels métalliques, les scientifiques de l'Institut de physique du solide de l'Académie russe des sciences utilisent des revêtements développés dans le cadre d'un autre projet.

"Lorsque nous avons lancé ce projet, nous étions confrontés au fait que nous n'avions rien dans notre pays : pas de matières premières, pas d'adhésifs, pas de mastics", a déclaré Bredikhin. « Nous avons dû tout faire. Nous avons fait des simulations, pratiquées sur de petites piles à combustible sous forme de pilules. Nous avons déterminé ce qu'ils devraient être en termes de composition et de configuration, et comment ils devraient être situés.

De plus, il faut tenir compte du fait que la pile à combustible fonctionne dans un environnement à haute température. Cela signifie qu'il faut assurer l'étanchéité, vérifier qu'à la température cible les matériaux ne réagiront pas entre eux. Une tâche importante consistait à "synchroniser" la dilatation de tous les éléments, car chaque matériau a son propre coefficient linéaire de dilatation thermique, et si quelque chose n'est pas coordonné, les contacts peuvent s'éloigner, les mastics et les adhésifs peuvent se casser. Les chercheurs ont reçu un brevet pour la fabrication de cet élément.

En route vers la mise en œuvre

C'est probablement pourquoi le groupe Bredikhin de l'Institut de physique du solide a construit tout un système de préparation étape par étape des matériaux d'abord, puis des plaques et, enfin, des piles à combustible et des générateurs. A cette aile appliquée s'ajoute une direction traitant des sciences fondamentales.

Dans l'enceinte de l'Institut de Physique du Solide, un contrôle qualité rigoureux de chaque lot de piles à combustible est effectué.

Le principal partenaire de ce projet est le Centre de recherche d'État de Krylov, qui agit en tant que développeur principal de la centrale électrique, y compris le développement de la documentation de conception nécessaire et la fabrication de matériel dans son usine pilote. Une partie du travail est effectuée par d'autres organisations. Par exemple, une membrane céramique qui sépare la cathode et l'anode est produite par la société de Novossibirsk NEVZ-Ceramics.

Soit dit en passant, la participation du centre de construction navale au projet n'est pas accidentelle. Un autre domaine d'application prometteur des SOFC peut être sous-marins et drones sous-marins. Pour eux aussi, il est extrêmement important de savoir combien de temps ils peuvent être complètement hors ligne.

Le partenaire industriel du projet, la Fondation Énergie sans frontières, pourrait organiser la production de petits lots de générateurs de deux kilowatts au centre de recherche de Krylov, mais les scientifiques espèrent une expansion significative de la production. Selon les développeurs, l'énergie obtenue dans le générateur SOFC est compétitive même pour un usage domestique dans les coins reculés de la Russie. Le coût d'un kWh pour eux devrait être d'environ 25 roubles, et avec le coût actuel de l'énergie en Yakoutie jusqu'à 100 roubles par kWh, un tel générateur semble très attrayant. Le marché a déjà été préparé, Sergei Bredikhin en est sûr, l'essentiel est d'avoir le temps de faire ses preuves.

Pendant ce temps, des entreprises étrangères introduisent déjà des générateurs basés sur SOFC. Le leader dans cette direction est l'américain Bloom Energy, qui produit des installations de 100 kilowatts pour les puissants centres informatiques d'entreprises telles que Google, Bank of America et Walmart.

L'avantage pratique est clair - les énormes centres de données alimentés par de tels générateurs devraient être indépendants des pannes de courant. Mais à côté de ça grandes entreprises s'efforcent de maintenir l'image d'entreprises progressistes soucieuses de l'environnement.

Aux États-Unis seulement, le développement de ces technologies «vertes» est soumis à d'importants paiements de l'État - jusqu'à 3 000 dollars pour chaque kilowatt d'électricité produite, soit des centaines de fois plus que le financement de projets russes.

En Russie, il existe un autre domaine où l'utilisation de générateurs SOFC semble très prometteuse - il s'agit de la protection cathodique des pipelines. Tout d'abord, nous parlons de gazoducs et d'oléoducs qui s'étendent sur des centaines de kilomètres à travers le paysage désertique de la Sibérie. Il a été établi que lorsqu'une tension est appliquée à un tuyau métallique, il est moins sensible à la corrosion. Désormais, les stations de protection cathodique fonctionnent sur des thermogénérateurs, qui doivent être surveillés en permanence et dont le rendement n'est que de 2 %. Leur seul avantage est leur faible coût, mais si vous regardez à long terme, prenez en compte le coût du carburant (et ils sont alimentés par le contenu du tuyau), et ce "mérite" d'eux semble peu convaincant. À l'aide de stations basées sur des générateurs SOFC, il est possible d'organiser non seulement une alimentation en tension ininterrompue du pipeline, mais également la transmission d'électricité pour les relevés de télémétrie ... Ils disent que la Russie sans science est un tuyau. Il s'avère que même cette pipe sans science ni nouvelles technologies est une pipe.

Les titulaires du brevet RU 2267833 :

L'invention concerne l'industrie automobile, la construction navale, l'énergie, les industries chimiques et électrochimiques, notamment dans l'électrolyse pour produire du chlore, et peut être utilisée dans la fabrication de piles à combustible à ensemble membrane-électrode. Le résultat technique de l'invention est d'étendre la fonctionnalité, d'améliorer les propriétés opérationnelles et les caractéristiques des plaques bipolaires et de la pile à combustible dans son ensemble, d'obtenir des plaques bipolaires avec des protubérances conductrices de courant de forme et d'emplacement arbitraires avec une hauteur de protubérances de 0,3 à 2,0 mm, ainsi que l'augmentation de l'efficacité du transport des réactifs et de l'élimination des produits de réaction, augmentant la résistance à la corrosion le long de la périphérie avec une charge technologique, qui est un tout avec une partie centrale électriquement conductrice ayant une charge fonctionnelle. Plaque bipolaire, composée de parties périphériques avec des trous et d'une partie centrale avec des protubérances conductrices de courant de forme arbitraire, dont les sommets sont situés dans le même plan que les parties périphériques, tandis que les protubérances conductrices de courant sont réalisées avec une surface de base donnée , avec un diamètre réduit à la base de 0,5-3,0 mm, avec une hauteur de 0,3 à 2,0 mm et avec un pas entre les centres des protubérances conductrices de courant de 1,0-4,0 mm. Le procédé de production d'une plaque bipolaire comprend la préparation d'une résine thermodurcissable d'une composition donnée dans un solvant volatil avec une charge de carbone, le mélange, le séchage, le recuit et le pressage par chargement répété à une pression de 15-20 MPa à une température de durcissement de la résine. Dans ce cas, le recuit du mélange est effectué à une température de 50-60°C inférieure à la température de thermodurcissement du mélange. Lors de la préparation d'un mélange de poudres de carbone avec un solvant, le rapport des phases solide et liquide est compris entre 1:3 et 1:5. Dans la composition du mélange initial pour le pressage, ajoutez 0,1 à 3% d'agent gonflant. 2 n. et 6 z.p. f-ly, 3 malades.

L'invention concerne l'industrie automobile, la construction navale, l'énergie, les industries chimiques et électrochimiques, notamment dans l'électrolyse pour produire du chlore, et peut être utilisée dans la fabrication de piles à combustible à ensemble membrane-électrode.

Plaques bipolaires connues, constituées des parties centrale et périphérique disposées autour de la partie centrale. Sur la partie centrale, sur un ou les deux côtés, des rainures labyrinthes longitudinales parallèles sont situées pour répartir les flux de réactifs gazeux, formant des saillies fonctionnelles conductrices de courant avec des sommets situés dans le même plan, avec un trou central et deux trous diagonaux pour la circulation et la distribution des flux d'électrolyte. Sur les parties périphériques des plaques sont percés des trous traversants pour leur assemblage en boîtier. Les parties périphérique et centrale sont séparées par un élément d'étanchéité le long du périmètre de la partie centrale. Dans le même temps, pour une distribution organisée des flux de réactifs gazeux, les rainures parallèles longitudinales, comme les protubérances conductrices de courant fonctionnelles, ont une direction labyrinthe du trou central vers les trous périphériques ou vice versa, voir le catalogue publicitaire de Schunk KOHLNSTOFF GmbH.

Les inconvénients des plaques de pile à combustible bipolaires connues sont une diminution de l'efficacité du transport des réactifs et de l'élimination des produits de réaction dans les zones blindées du collecteur de courant poreux et, par conséquent, une diminution de la densité de courant de la pile à combustible pile à une tension donnée, la possibilité de boucher les canaux avec des gouttes d'eau de condensation lors des fluctuations du régime de température de la pile à combustible, et/ou du bilan hydrique du système, ce qui entraîne également une diminution de l'efficacité du transport des réactifs et l'élimination des produits de réaction par ces canaux et, par conséquent, une diminution de la densité de courant de la pile à combustible à une tension donnée.

Un procédé connu de fabrication de plaques bipolaires, comprenant la préparation d'un mélange de résine thermodurcissable d'une certaine composition dans un solvant volatil, le mélange de la charge carbonée avec la solution préparée jusqu'à homogénéité, le séchage, le pressage et le thermodurcissement (demande de brevet US n° US 2002 /0037448 A1 du 28/03/2002, MKI N 01 M 8/02 ; N 01 V 1/4 ; N 01 V 1/20).

L'inconvénient du procédé connu est que le thermodurcissement n'est pas réalisé simultanément, mais après pressage du produit. De plus, le séchage à basse température du mélange n'assure pas l'élimination d'une grande quantité de composants volatils du liant, ce qui conduit à une non-compression de microvolumes dans le matériau des plaques bipolaires, en particulier aux endroits des protubérances conductrices de courant qui servent à assurer le contact électrique et le pressage mécanique du collecteur de courant sur la couche catalytique, ce qui conduit à la formation d'endroits défectueux à la base des protubérances et à la destruction de ces dernières sous l'influence de la charge de travail lors du montage et du fonctionnement du pile à combustible.

La solution technique la plus proche est constituée de plaques bipolaires et d'un procédé pour leur fabrication, consistant en une partie centrale et une partie périphérique situées à l'opposé de la partie centrale. Sur la partie centrale, d'un ou des deux côtés, pour répartir les flux de réactifs gazeux, se trouvent des rainures parallèles longitudinales, formant entre elles des protubérances porteuses de courant avec des sommets situés dans le plan des parties périphériques des plaques, et les reliant. Sur les parties périphériques des plaques, il y a des trous traversants qui, après avoir été assemblés dans un boîtier avec des plaques adjacentes, forment des canaux longitudinaux pour améliorer la circulation et la distribution des flux d'électrolyte. Le procédé de production de plaques bipolaires comprend le mélange de composants en poudre de carbone-graphite et d'un liant thermoplastique résistant à la corrosion, le pressage à froid du mélange de poudres dans un moule à 14500 kPa, le chauffage à 150°C, la réduction de pression à 2000 kPa, l'élévation de la température à 205 °C, ramenant la pression à 14500 kPa, avec la phase finale de diminution progressive de la pression et de la température. Voir la description du brevet RU n° 2187578 C2, IPC 7 C 25 V 9/04, 9/00.

Les inconvénients des plaques bipolaires connues sont la répartition uniforme du flux uniquement dans une section courte, déterminée par la longueur de la partie médiane, et l'espace limité pour répartir les flux de réactifs gazeux, déterminé par le nombre de rainures longitudinales parallèles. L'inconvénient du procédé connu de fabrication de plaques bipolaires est une technologie de fabrication complexe, qui entraîne une diminution de l'efficacité de la formation de protubérances conductrices de courant et des coûts supplémentaires.

Le résultat technique de l'invention est d'étendre la fonctionnalité, d'améliorer les propriétés opérationnelles et les caractéristiques des plaques bipolaires et de la pile à combustible dans son ensemble, d'obtenir des plaques bipolaires avec des protubérances conductrices de courant de forme et d'emplacement arbitraires avec une hauteur de protubérances de 0,3 à 2,0 mm, ainsi que l'augmentation de l'efficacité du transport des réactifs et de l'élimination des produits de réaction, augmentant la résistance à la corrosion le long de la périphérie avec une charge technologique, qui est un tout avec une partie centrale électriquement conductrice ayant une charge fonctionnelle. Le résultat technique est obtenu par le fait que dans une plaque bipolaire constituée de parties périphériques avec des trous et d'une partie centrale avec des protubérances conductrices de courant, dont les sommets sont situés dans le même plan que les parties périphériques, les protubérances conductrices de courant sont réalisé avec une zone géométrique donnée de la base, avec un diamètre réduit à la base de 0,5 à 3,0 mm, une hauteur de 0,3 à 2,0 mm et avec un pas entre les centres des protubérances conductrices de courant de 1,0 à 4,0 mm, réalisés avec une base en forme de cercle ou de carré, ou de rectangle, ou d'ellipse, ou de losange, ou de trapèze, ou leurs combinaisons, les saillies conductrices de courant sont réalisées en forme de pyramide tronquée, ou d'un cylindre, ou un cône, ou une pyramide ; les saillies conductrices de courant sont réalisées sous la forme d'un prisme avec un diamètre réduit à la base de 0,5 à 3,0 mm, une hauteur de 0,3 à 2,0 mm et un pas entre les centres des saillies conductrices de courant de 1,0 à 4,0 mm , et les protubérances conductrices de courant sont situées arbitrairement ou ordonnées, ou dans un ordre en damier, ou rhombique, ou circulaire, ou spirale, ou labyrinthe de leur disposition, mais dans un procédé de fabrication de plaques bipolaires, comprenant la préparation d'un mélange d'un thermodurcissable résine d'une composition donnée dans un solvant volatil, introduction d'une charge carbonée et mélange jusqu'à l'obtention d'un état homogène, séchage, pressage et thermodurcissement, le mélange est séché avant pressage, suivi d'un recuit à une température inférieure de 50 à 60°C au thermodurcissable température du mélange, et le pressage est effectué par chargement répété à une pression de 15-20 MPa, tout en chauffant simultanément jusqu'à ce que le mélange soit durci, le recuit est effectué avec une augmentation progressive de la température pendant 10,0-15,0 h et un maintien ultérieur à cette température pendant 1 .0-2,0 h, et le pressage est effectué à une température du corps de travail de l'unité de pressage 1,5 à 2,0 fois supérieure à la température de recuit, le rapport "t:l" lors de la formation d'un mélange de poudres de carbone avec un solvant de une résine thermodurcissable est choisie dans la plage de 1 : 3 à 1 : 5, 0,1 à 3,0 % de l'agent gonflant sont ajoutés à la composition du mélange initial pour le pressage.

Cela assurera une distribution uniforme des réactifs sur la surface de la pile à combustible et une élimination efficace des produits de réaction et, par conséquent, augmentera la densité de courant dans la pile à combustible à une tension donnée.

Dans un procédé de production de plaques bipolaires, qui comprend la préparation d'un mélange d'une résine thermodurcissable d'une certaine composition dans un solvant volatil, l'introduction d'une charge de carbone et leur mélange jusqu'à un état homogène, le séchage, le pressage et le thermodurcissement, le mélange est séché avant le pressage , suivi d'un recuit à une température inférieure à 50-60°C à la température de thermodurcissance du mélange, et le pressage est effectué par chargement répété à une pression de 15-20 MPa simultanément avec chauffage, correspondant au durcissement du mélange . Dans ce cas, le recuit est effectué avec une augmentation progressive de la température pendant 10,0 à 15,0 h et un maintien ultérieur à cette température pendant 1,0 à 2,0 h, et le pressage est effectué à une température du corps de travail de l'unité de pressage de 1,5- 2,0 fois supérieure à la température de recuit. Le rapport "t:l" (phases solide et liquide) lors de la formation d'un mélange de poudres de carbone avec un solvant pour résine thermodurcissable (acétone) varie dans la plage de 1:2 à 1:5, et 0,1-3 est ajouté au composition du mélange initial pour le pressage 0% (wt.) d'agent gonflant.

La nécessité d'utiliser une résine thermodurcissable est causée par le fait expérimentalement établi qu'il n'y a pas d'étanchéité appropriée des zones de saillies conductrices de courant lors de la pression de BP contenant du carbone sur un liant thermoplastique, ce qui s'est exprimé par une faible adhérence des saillies conductrices de courant au corps de la plaque et leur délaminage. La présence d'une résine thermodurcissable de composition quelconque dans le mélange pour pressage permet dans ce cas de former des protubérances conductrices de courant sans défaut et BP dans son ensemble par le mécanisme de frittage avec une phase liquide disparaissant peu après son apparition malgré un chauffage continu .

La séquence des principales opérations intervenant lors des plaques bipolaires est la suivante : formation d'une fine couche de liant polymère thermodurcissable à la surface des particules de charge carbonée lors de la préparation du mélange, son séchage et son recuit ultérieur, compactage du mélange, l'apparition d'une phase liquide due à la fusion de la couche de liant sur la charge de particules, compactage supplémentaire du produit dû au retrait caractéristique du frittage en phase liquide, durcissement thermique du liant et du produit dans son ensemble.

La nécessité d'un recuit avant pressage est due à la présence dans les mélanges agglomérés d'une grande quantité de composants volatils qui empêchent un pressage efficace. Une température de recuit plus élevée peut conduire à des processus indésirables de durcissement prématuré du liant dans des microvolumes individuels du mélange, et un recuit à température plus basse est inefficace.

Un paramètre important est la pression de pressage. Pour les mélanges de charges dispersées au carbone et d'un liant thermodurcissable, la pression de pressage dépend du type spécifique de charge et ne doit pas dépasser la valeur au-dessus de laquelle le liant liquide est expulsé du mélange - 20 MPa. Une faible pression de pressage (moins de 15 MPa) n'assure pas une étanchéité efficace du bloc d'alimentation, en particulier dans la zone des protubérances conductrices de courant.

Le fait de réaliser le pressage en même temps que le chauffage du moule avec le mélange à durcir permet de mettre en oeuvre l'étape 4 de la séquence ci-dessus des phénomènes se produisant lors de la formation des plaques.

La conception de la plaque bipolaire est illustrée par les dessins, où la figure 1 montre Forme générale plaque bipolaire, et figure 2 - coupe de la plaque le long de A-A avec des saillies conductrices de courant, réalisées sous la forme, par exemple, d'un cylindre, figure 3 - coupe de la plaque le long de A-A avec des saillies conductrices de courant, réalisées sous la forme d'un cône ou de pyramides, par exemple.

La plaque bipolaire est constituée d'une partie centrale 1 et d'une partie périphérique 2. La partie centrale présente des protubérances 3 dont les sommets sont dans le même plan que la partie périphérique, de 0,3 à 2 mm de haut et de 0,5 à 3,0 mm de diamètre au niveau base. Les protubérances sont disposées dans un ordre linéaire verticalement et horizontalement avec un pas de 1,0 à 4,0 mm et permettent, avec une surface développée et un volume de passage de flux de réactifs gazeux plus importants, de répartir les contraintes (pressions) résultantes dans toutes les directions. Une disposition en damier, rhombique, circulaire, en spirale ou en labyrinthe des protubérances est possible. Et les protubérances elles-mêmes peuvent avoir la forme d'un cylindre, d'une pyramide tronquée, d'un prisme et/ou d'un cône tronqué. Il a été expérimentalement constaté qu'en fonction des diamètres réduits des protubérances, de leur hauteur et du pas entre les centres des protubérances, la forme optimale des protubérances conductrices de courant diffère, car elles optimisent les flux de réactifs, l'efficacité du transfert de chaleur et la conductivité électrique. en différentes manières. Ainsi, notamment, pour un pas de 1 mm, la forme d'une pyramide tronquée est optimale. Pour les saillies avec un diamètre de base de 0,5 mm, une forme d'ellipse est optimale. Pour les saillies conductrices de courant d'une hauteur de 0,3 mm, la forme d'un cylindre est optimale. Pour des modes de fonctionnement spécifiques (intensité du courant, tension, flux de réactif, taille de cellule, etc.), la sélection de la forme optimale des protubérances conductrices de courant et de leurs dimensions géométriques est effectuée individuellement.

Les plaques bipolaires sont fabriquées comme suit.

La combinaison de composants particulaires de carbone est mélangée pour former un mélange homogène avec une certaine quantité de solution de résine thermodurcissable. Le graphite, la suie, les fibres hachées, le coke broyé, etc. peuvent se présenter sous la forme de composants carbonés dispersés. Le mélange préparé sous agitation périodique est mis à sécher à température ambiante pour éliminer la majeure partie des composants volatils. Ainsi, il est possible d'obtenir un produit semi-fini sous la forme, par exemple, de granulés pour le processus ultérieur de fabrication de BP. En outre, après inspection visuelle, le mélange sec est recuit à une température inférieure de 50 à 60°C à la température de thermodurcissance. Ensuite, le mélange recuit est pressé à une pression de 15-20 MPa dans un moule dont les poinçons sont réalisés avec des évidements qui forment des protubérances conductrices de courant lors du pressage et du durcissement. Simultanément au pressage, le moule avec le mélange est chauffé de la température de recuit à la température de durcissement. Après avoir été maintenu à une température de durcissement de 0,5 à 1 h, le moule est retiré de la presse et refroidi à l'air, puis pressé à l'aide d'un outil spécial.

Une propriété importante d'une plaque bipolaire est la structure de sa surface. Pour obtenir des caractéristiques plus élevées de la pile à combustible, il est conseillé que la surface le long de laquelle les gaz de travail passent entre les protubérances conductrices de courant ait une certaine rugosité et microporosité. Dans ce cas, l'eau formée à la suite de la réaction entre les gaz s'accumule partiellement dans les pores proches de la surface et augmente ainsi l'humidité des gaz, ce qui a un effet positif sur les caractéristiques énergétiques spécifiques de la pile à combustible. La formation de la structure souhaitée de la couche de surface selon la méthode proposée, contrairement au prototype, se produit en introduisant dans la composition du mélange initial pour le pressage 0,1-3,0% (wt.) Par rapport au composant solide du mélange ("t") de l'agent gonflant (carbonate d'ammonium, polyéthylène glycol, polyéthylène). L'agent porogène introduit dans la composition du mélange initial pour le dépôt d'eau n'affecte pas le durcissement du liant et, se décomposant lors du traitement thermique, pressant lors du durcissement, forme une structure microporeuse de la plaque, et, par conséquent, de la surface couche (jusqu'à une profondeur de 1 à 2 μm).

Une diminution de la teneur en porogène inférieure à 0,1 % n'a pratiquement aucun effet sur la microporosité et la rugosité de la couche superficielle, et une augmentation de la teneur en porogène supérieure à 3,0 % est impraticable en raison d'une diminution de la résistance mécanique et l'apparition éventuelle de perméabilité traversante des plaques.

Le procédé d'obtention d'une plaque bipolaire est illustré par les exemples suivants.

Exemple 1. Pour la fabrication d'un bloc d'alimentation (avec des protubérances cylindriques conductrices de courant disposées linéairement, d'un diamètre de 0,5 mm, d'une hauteur de 0,5 mm, avec une distance entre les centres des protubérances de 1,0 mm) avec une taille de 100 × 100 mm, une épaisseur de 7 mm et une masse de 115 g préparez un mélange de la composition suivante avec le rapport "t:l" = 1,33:3,00

Graphite marque KS-10 - 98 g

Marque de suie PM-100 - 1 g

Marque de vernis bakélite LBS-1 - 34 g

Acétone - 300 g.

Dans une tasse à mesurer, mélanger la quantité spécifiée de vernis bakélite et, par exemple, l'acétone à une solution uniformément colorée. Une portion pesée de poudre de graphite et de noir de carbone sont pré-mélangés à sec jusqu'à obtention d'un mélange homogène. Ensuite, le mélange de poudres et la solution de laque de bakélite sont placés dans un récipient de mélange et mélangés mécaniquement pendant 5 à 10 minutes jusqu'à l'état d'uniformité. Ensuite, le mélange est laissé sous le tirage d'une hotte pour sécher à température ambiante pendant 12 à 15 heures jusqu'à ce qu'il soit visuellement sec, en séchant, en remuant périodiquement le mélange et en frottant de gros agglomérats (plus de 2-3 mm) à travers un treillis métallique avec une taille de cellule de 2 mm. Une partie du mélange sec est versée dans le moule, le moule est placé dans le four et chauffé à une température de 90 °C pendant 13,5 à 14 heures, puis maintenu à cette température pendant 2 heures. Ensuite, la charge est retirée. sortie du four et placée dans une presse hydraulique chauffée à 170°C. Pressé sur la presse par saccades (c'est la vitesse de chargement) pendant 1-2 secondes à une force d'environ 22 tonnes. Après environ 5 secondes d'exposition, la force est à nouveau augmentée à 22-25 tonnes. La cage est laissée sous le presser pendant 1 heure, puis retirer le moule de la presse et laisser refroidir à température ambiante. Après refroidissement, le moule est déchargé sur une presse à vis manuelle à l'aide de 4 éjecteurs en acier. Contrôle visuel La qualité du BP indique l'absence de rayures, de défauts et de fissures à la surface de la plaque (y compris dans la zone des protubérances conductrices de courant), le délaminage du matériau BP à la frontière entre la zone de courant- portant des protubérances et la base du BP. Lors de l'examen de la plaque après le test de résistance (la plaque est placée entre des plaques d'acier et soumise à une compression avec une force de 5 tonnes (pression 5 MPa), ce qui correspond à la force de travail dans la pile à combustible pendant 1 heure), aucun changement ou des défauts ont été constatés. La valeur de résistivité volumique était de 0,025 Ohm.cm.

Exemple 2. Une plaque bipolaire est réalisée à partir d'une composition et selon un procédé similaire à l'exemple 1 avec des protubérances ayant la forme d'un tronc de cône d'un diamètre à la base de 3,0 mm, au sommet 2,5 mm, d'une hauteur de 2,0 mm , avec une distance entre les centres des saillies de 4,0 mm.

Avant et après les tests de résistance, les défauts de surface et les saillies ne sont pas détectés. La valeur de la résistivité volumique est de 0,030 Ohm.cm.

Exemple 3. Une plaque bipolaire est réalisée avec une configuration et selon un mode opératoire similaires à l'exemple 1, mais le liant époxyphénol n° 560 fabriqué par FGUP SSC VIAM à raison de 31 g est utilisé comme liant thermodurcissable.

Avant et après les tests de résistance, les défauts de surface et les saillies ne sont pas détectés. La valeur de la résistivité volumique est de 0,017 Ohm·cm.

Exemple 4. Une plaque bipolaire est réalisée avec une configuration et selon un procédé similaire à l'exemple 1, un agent gonflant - poudre de polyéthylène est ajouté au mélange initial pour le pressage haute pression en une quantité de 3,5 g (3,0 % en poids). Avant et après les tests de résistance, les défauts de surface et les saillies ne sont pas détectés. La valeur de la résistivité volumique est de 0,028 Ohm·cm. La porosité de la couche proche de la surface (jusqu'à 100 µm de profondeur), mesurée par sorption d'eau, est de 2,8 %.

Exemple 5 Une plaque bipolaire est réalisée avec une configuration similaire à l'exemple 1, à partir de la composition et selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 9.

Avant les tests de résistance, jusqu'à 10% des saillies détruites et défectueuses ont été trouvées, après quoi le nombre de saillies détruites est d'environ 30%. La valeur de la résistivité volumique est de 0,025 Ohm·cm.

Exemple 6 Une plaque bipolaire est fabriquée avec une configuration similaire à l'exemple 1 (protubérances conductrices de courant disposées de façon linéaire) et testée dans une pile à combustible dans les conditions suivantes :

Membrane - MF4-SK 135 microns d'épaisseur

Catalyseur - Pt 40 /C à raison de 2,5 mg / cm 2

Carburant - hydrogène à une pression de 2 ati

Agent oxydant - oxygène à une pression de 3 ati

Température de fonctionnement de la cellule - 85°С

Réaction à l'anode : H 2 → 2H+ + 2e -

Réaction à la cathode : O 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O

Réaction globale : O 2 + 2H 2 → 2H 2 O

A une tension de 0,7 V, la densité de courant maximale est de 1,1 A/cm2.

Exemple 7 Une plaque bipolaire est fabriquée avec une configuration et une procédure similaires à l'exemple 1, mais les saillies conductrices de courant sont rhombiques et testées dans une pile à combustible dans des conditions similaires à l'exemple 6. À une tension de 0,7 V, la densité de courant maximale est de 1,25 A/cm 2 .

Exemple 8. Une plaque bipolaire est réalisée à partir d'une composition et selon un procédé similaire à l'exemple 1, les protubérances sont réalisées sous la forme d'un prisme d'un diamètre de 2 mm, d'une hauteur de 1,5 mm, avec une distance entre les centres des protubérances de 3,0 mm, et les protubérances conductrices de courant sont placées de manière rhombique et des tests sont effectués dans une pile à combustible dans des conditions similaires à l'exemple 6. À une tension de 0,7 V, la densité de courant maximale était de 0,95 A/cm 2 .

Exemple 9 Une plaque bipolaire est réalisée avec une configuration similaire à la solution technique connue à partir de la composition et selon le mode opératoire décrit dans l'exemple 9, des essais sont réalisés dans une pile à combustible dans des conditions similaires à l'exemple 6. A une tension de 0,7 V, la densité de courant maximale était de 0,9 A/cm 2 . Il a été établi expérimentalement qu'en fonction des diamètres réduits des protubérances, de leur hauteur et du pas entre les centres des protubérances, la forme optimale des protubérances conductrices de courant diffère, car elles optimisent les flux de réactifs, l'efficacité des échanges thermiques , et la conductivité électrique de différentes manières. Ainsi, notamment, pour un pas de 1 mm, la forme d'une pyramide tronquée est optimale. Pour les saillies avec un diamètre de base de 0,5 mm, la forme d'une ellipse est optimale. Pour les saillies conductrices de courant d'une hauteur de 0,3 mm, la forme d'un cylindre est optimale. Pour des modes de fonctionnement spécifiques (intensité du courant, tension, flux de réactif, taille de cellule, etc.), la sélection de la forme optimale des protubérances conductrices de courant et de leurs dimensions géométriques est effectuée individuellement.

EFFET : l'invention permet d'étendre la fonctionnalité, d'améliorer les propriétés opérationnelles et les caractéristiques des plaques bipolaires et de la pile à combustible dans son ensemble et d'obtenir des plaques bipolaires avec des saillies conductrices de courant de forme et de disposition arbitraires avec une hauteur de saillie de 0,3 à 2,0 mm, ainsi comme augmentant l'efficacité du transport des réactifs et des produits de réaction d'élimination, augmentant la résistance à la corrosion le long de la périphérie avec la charge technologique, qui est un tout avec la partie centrale électriquement conductrice, qui a une charge fonctionnelle.

REVENDICATIONS 1. Plaque bipolaire pour pile à combustible, constituée de parties périphériques à trous et d'une partie centrale à protubérances conductrices de courant dont les sommets sont situés dans le même plan que les parties périphériques, caractérisée en ce que les protubérances conductrices de courant sont réalisé avec une surface de base donnée avec un diamètre réduit à la base de 0,5 à 3,0 mm, une hauteur de 0,3 à 2,0 mm et avec un pas entre les centres des protubérances conductrices de courant de 1,0 à 4,0 mm.

2. Plaque bipolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les protubérances conductrices de courant sont réalisées avec une base en forme de cercle, ou de carré, ou de rectangle, ou d'ellipse, ou de losange, ou de trapèze, ou leurs combinaisons.

Le développement des piles à combustible est probablement la technologie la plus convoitée dans l'industrie des transports aujourd'hui, les développeurs dépensant chaque année des sommes énormes à la recherche d'une alternative (ou d'un complément) viable au moteur à combustion interne. Au cours des dernières années, les ingénieurs de Dana ont concentré leurs capacités de fabrication et d'ingénierie sur le défi de réduire la dépendance du véhicule aux sources d'énergie traditionnelles. Tout au long de l'histoire humaine, les principales sources d'énergie sont passées des combustibles solides (tels que le bois et le charbon) aux combustibles liquides (pétrole). Dans les années à venir, comme beaucoup le pensent, les produits gazeux deviendront progressivement la principale source d'énergie dans le monde.

En bref, une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie d'une réaction chimique directement en électricité, chaleur et cendres. Ce processus se transforme en meilleur côté faible efficacité de la transformation thermomécanique traditionnelle du vecteur énergétique.

Riz. véhicule à pile à combustible

L'hydrogène est le premier exemple de combustible gazeux renouvelable permettant une telle réaction et, à terme, l'énergie électrique. Et ce processus ne pollue pas l'environnement.

Un modèle typique de pile à combustible utilisant l'énergie hydrogène comprend l'hydrogène circulant vers l'anode de la pile à combustible, où, grâce à un processus électrochimique en présence d'un catalyseur au platine, les molécules d'hydrogène sont divisées en électrons et en ions chargés positivement. Les électrons vont contourner la membrane échangeuse de protons (PEM), générant ainsi électricité. Dans le même temps, les ions hydrogène positifs continuent de diffuser à travers la pile à combustible à travers le PEM. Les électrons et les ions hydrogène positifs se combinent ensuite avec l'oxygène côté cathode pour former de l'eau et générer de la chaleur. Contrairement à une voiture traditionnelle à moteur à combustion interne, ici l'électricité est stockée dans des batteries ou va directement aux moteurs de traction, qui à leur tour entraînent les roues.

L'un des obstacles aux systèmes de piles à combustible est le manque actuel d'infrastructures pour fabriquer ou fournir des quantités suffisantes d'hydrogène. En conséquence, la disponibilité du type spécifique de combustible utilisé dans la pile à combustible reste un problème majeur non résolu. L'essence et le méthanol sont les vecteurs énergétiques les plus probables pour les piles à combustible. Cependant, chaque carburant fait toujours face à ses propres défis.

La technologie est actuellement en cours de développement pour les plaques, les conduits et les isolateurs intégrés composites bipolaires à mailles brasées. Les ingénieurs développent des plaques bipolaires métalliques avec des revêtements spéciaux, des canaux de région de courant à haute température, des isolants à haute température et un blindage à haute température. Ils développent également des méthodes de contrôle et des conceptions pour les processeurs de carburant, les condenseurs de vapeur, les préchauffeurs et les modules de refroidissement avec ventilateurs et moteurs intégrés. Des solutions sont en cours de développement pour transporter l'hydrogène, les liquides carbonés, l'eau déminéralisée et l'air vers diverses parties du système. L'équipe de filtration de Dana développe des filtres pour l'entrée d'air du système de pile à combustible.

Il est reconnu que l'hydrogène est le carburant du futur. On pense également que les piles à combustible auront à terme un impact significatif sur l'industrie automobile.

Les voitures et les camions équipés de piles à combustible auxiliaires pour alimenter le système de climatisation et d'autres appareils électroniques devraient bientôt prendre la route.

Riz. Piles à combustible sur une voiture (

L'invention proposée concerne des plaques de pile à combustible bipolaire (FC). La plaque TE bipolaire proposée de forme ronde contient des plaques séparatrices ayant une zone médiane dans laquelle les canaux sont situés le long des développantes du cercle délimitant la zone centrale, et la circonférence le long de laquelle les développantes sont construites est égale au produit du nombre de canaux par pas, et le pas du canal est uniforme le long de la circonférence, la zone centrale, qui comprend les extrémités intérieures des canaux en développante et les bords des canaux sur les plaques sont situés de telle manière qu'au cours de l'assemblage, ils se croisent, formant un plat des collecteurs centraux, la zone annulaire périphérique, constituée de canaux sécants et de protubérances coniques, à travers lesquels s'organisent l'alimentation et l'évacuation des réactifs et le liquide de refroidissement jusqu'aux extrémités extérieures des canaux à développante respectifs. Les plaques de séparation le long de la périphérie et le bord d'étanchéité périphérique ont des ouvertures coïncidant le long de la périphérie, qui, lors de l'assemblage de la pile à combustible, forment des canaux collecteurs pour fournir le comburant, le carburant et le réfrigérant à travers les canaux horizontaux à la zone annulaire périphérique des plaques de séparation et plus loin dans les cavités correspondantes et en enlevant les réactifs. La création d'une plaque bipolaire métallique rigide et légère de forme ronde, assurant une évacuation et une alimentation uniformes en combustible, comburant et réfrigérant sur toute la surface de la pile à combustible est le résultat technique de l'invention. 3 sem. f-ly, 6 malades.

Dessins au brevet RF 2516245

La solution technique revendiquée concerne le domaine de la conversion directe d'énergie chimique en énergie électrique, en particulier la conception d'une plaque de pile à combustible bipolaire (FC).

De nombreuses options de conception de piles à combustible sont connues, dans lesquelles des plaques bipolaires rectangulaires sont utilisées.

L'un des analogues de telles plaques bipolaires est une pile à combustible à membrane échangeuse de protons, décrite dans le brevet US n° 6261710 (classe IPC H01M 8/02, date de priorité 25/11/1998). Selon la présente invention, la plaque bipolaire comprend des tôles séparatrices supérieure et inférieure, dans lesquelles sont emboutis des canaux rectilignes à profil triangulaire. Les canaux sont conçus pour l'alimentation et l'évacuation du carburant, de l'oxydant et du réfrigérant.

Lorsque les plaques de séparation entrent en contact lors de l'assemblage, une cavité interne du fluide frigorigène se forme entre elles, et les canaux externes forment les cavités du combustible et du comburant. La plaque bipolaire comprend également un joint d'étanchéité périphérique.

Les inconvénients de l'analogue, à savoir l'augmentation du poids, des dimensions et du périmètre d'étanchéité important, sont liés à la forme rectangulaire de la plaque bipolaire. On sait qu'un cercle est une ligne de longueur minimale qui délimite la surface totale d'une forme donnée. Seules les plaques bipolaires rondes, et, par conséquent, un empilement de piles à combustible basé sur celles-ci, peuvent avoir la masse, les dimensions et le périmètre d'étanchéité les plus petits.

La plus proche de la solution technique revendiquée et donc prise comme prototype, est une pile à combustible contenant des assemblages membrane-électrodes et bipolaires (plaques), déclarée dans le brevet RF n° 2355072 "Fuel cell battery" (IPC class HO1M 8/10, HO1M 8/ 02, date de priorité 03.10.2007) . Cet empilement de piles à combustible contient des composants ronds (en termes de), en particulier des plaques bipolaires avec des canaux d'alimentation et d'évacuation des gaz d'anode et de cathode, un liquide de refroidissement. Chaque assemblage bipolaire est constitué de plaques métalliques adjacentes séparant la cathode, le milieu et l'anode. Les plaques de séparation de cathode et d'anode sont pourvues de canaux pour fournir du gaz de cathode à l'air et du gaz d'anode aux électrodes à hydrogène des ensembles membrane-électrode, et la plaque médiane est pourvue de canaux pour la circulation du liquide de refroidissement entre les plaques de cathode et d'anode. Les canaux de la plaque cathodique se présentent sous la forme de spirales, les canaux de la plaque anodique se présentent sous la forme de demi-cercles et les canaux de la plaque médiane se présentent sous la forme de fentes arquées. Le collecteur d'entrée de gaz cathodique est le canal central pénétrant dans le FC, notamment pour les montages bipolaires, le collecteur de sortie de gaz cathodique est réalisé sous la forme d'un canal en forme de fente situé le long de la génératrice de la batterie. Les collecteurs d'entrée et de sortie de gaz anodique et de fluide frigorigène sont également réalisés sous la forme de canaux en forme de fentes placés en vis-à-vis le long des batteries. Les canaux à la surface des plaques d'anode et de cathode des ensembles bipolaires peuvent être réalisés par emboutissage.

Les inconvénients de la solution technique revendiquée dans le prototype sont les suivants.

Premièrement, les canaux des trois cavités sont organisés de telle manière qu'ils diffèrent considérablement en longueur et en forme. La longueur et la forme inégales créent une résistance hydraulique différente des canaux au flux de réactifs et de réfrigérant et, par conséquent, une répartition inégale de la réaction génératrice de courant sur la zone de la pile à combustible.

Cette circonstance réduit l'efficacité des piles à combustible et aggrave la résistance à la corrosion de la pile à combustible, ce qui, à son tour, réduit sa durée de vie.

D'autre part, l'organisation de canaux en fente par mise en contact de la surface interne du boîtier diélectrique cylindrique et de la surface externe de la surface interne du boîtier, constituée d'ensembles membrane-électrode et bipolaire, qu'il est pratiquement impossible de lisser, rend très difficile pour obtenir une étanchéité intercavité de la batterie.

L'objectif de la conception proposée de la plaque de pile à combustible bipolaire ronde est de fournir des conditions pour une distribution uniforme des réactifs et du réfrigérant sur la zone de la pile à combustible et de simplifier la question de l'étanchéité lors de l'assemblage, à la fois entre les cavités de la batterie et le combustible batterie elle-même par rapport à environnement externe, et en plus d'assurer la nécessaire rigidité de la plaque bipolaire, ce qui est particulièrement important lorsqu'elle est réalisée à partir d'une très fine tôle jusqu'à 0,05 mm d'épaisseur.

La solution de ce problème réside dans le fait que dans la conception bien connue d'un FC de forme ronde, constitué d'une membrane-électrode, ainsi que d'un ensemble bipolaire, contenant des canaux pour la circulation des gaz d'anode, de cathode et de réfrigérant obtenu par emboutissage, avec une disposition opposée (opposée) des entrées et sorties du gaz anodique et du fluide frigorigène, des trous de fixation et de centrage des ensembles bipolaires lors du montage de la batterie, selon la solution technique proposée, la forme des canaux est modifiée, le nombre de plaques séparatrices dans l'ensemble bipolaire est réduite à deux, en raison de l'exclusion de la plaque centrale, et au lieu de cinq canaux centraux en forme de fente et un canal central rond (collecteurs) d'entrée et de sortie des gaz cathodiques et anodiques et du réfrigérant, une pluralité de des collecteurs d'entrée et de sortie de cathode, de gaz d'anode et de fluide frigorigène, formés par des trous, sont organisés dans le bord périphérique de la plaque bipolaire de la pile à combustible de forme ronde.

Selon la solution technique revendiquée, au lieu de canaux en spirale (pour le gaz cathodique), semi-circulaires (pour le gaz anodique) et arqués (pour le réfrigérant), les canaux des deux réactifs et du réfrigérant de la plaque bipolaire FC de l'invention sont de forme ronde, fabriqués le long des développantes du cercle délimitant la zone centrale et sont régulièrement espacés sur l'aire . Les extrémités intérieures des canaux en développante sont reliées à la zone centrale, et les extrémités extérieures des canaux en développante dans la zone annulaire périphérique sont reliées au moyen de canaux horizontaux avec des trous collecteurs, par exemple, trapézoïdaux, situés autour de la circonférence sur la périphérie bord d'étanchéité de la plaque FC bipolaire. Seule l'utilisation de cette conception permet d'obtenir des canaux de même longueur et de même forme pour des plaques FC bipolaires de forme ronde. La circonférence le long de laquelle les développantes sont construites est égale au produit du nombre de canaux par pas, et le pas du canal est uniforme le long de la circonférence, et, par conséquent, les épaisseurs des nervures formant les canaux sont égales, et tous les canaux ont la même résistance hydraulique, ce qui garantit une grande uniformité de la réaction électrochimique génératrice de courant par la zone de la pile à combustible et, par conséquent, le rendement élevé de la pile à combustible dans son ensemble.

Les canaux de combustible, de comburant et de liquide de refroidissement sont estampés dans deux plaques de séparation en tôle mince, qui font partie de la plaque bipolaire de la pile à combustible. Les deux plaques de séparation (anode et cathode) sont fermement connectées l'une à l'autre, par exemple soudées à tous les points de contact. Sont également soudés tous les endroits où les pièces entrent en contact avec le bord périphérique d'étanchéité.

Il n'y a pas de canaux à développante dans la zone ronde centrale de la plaque bipolaire TE. Les canaux d'écoulement des réactifs et du liquide de refroidissement dans la zone centrale sont organisés à l'aide de nervures étendues séparées, dont la longueur, la forme et la position relative assurent un mélange complet et une moyenne de la concentration des gaz et du liquide de refroidissement qui y pénètrent depuis tous les canaux à développante. Pour assurer la rigidité de la structure dans la zone centrale, les nervures des plaques séparatrices d'anode et de cathode de la plaque bipolaire sont disposées de manière à se croiser en formant une sorte de grille.

Dans la zone annulaire périphérique de la plaque bipolaire FC, la circulation des réactifs et du liquide de refroidissement est également organisée à l'aide de nervures. Les nervures des plaques de séparation d'anode et de cathode afin d'assurer la rigidité de la plaque bipolaire dans cette zone sont également disposées de manière à se croiser entre elles, assurant la rigidité de cette section.

Des collecteurs verticaux pour l'alimentation et l'évacuation des réactifs et du réfrigérant dans la batterie FC sont formés lors de l'assemblage de la batterie FC à partir de trous situés dans le bord d'étanchéité périphérique de la plaque bipolaire ronde FC.

Un emballage constitué d'ensembles membrane-électrodes et de plaques FC bipolaires de forme ronde est scellé le long de leurs bords, par exemple, avec un scellant ou de la colle.

Ainsi, la solution technique revendiquée assure une répartition uniforme des flux de réactif et de liquide de refroidissement sur toute la surface de la pile à combustible, une étanchéité fiable des cavités d'anode, de cathode et de liquide de refroidissement entre elles et toutes les cavités par rapport à l'environnement extérieur, la rigidité et la résistance nécessaires des plaques de piles à combustible bipolaires constituées de tôles spécialement minces.

La solution technique proposée est présentée dans les figures suivantes. Figure 1 - Vue générale du projet de plaque bipolaire TE de forme ronde. Figure 2 - la zone médiane des canaux à développante à plus grande échelle. La figure 3 montre une coupe transversale de la zone médiane des canaux à développante. La figure 4 montre la zone centrale à plus grande échelle. Fig.5 - un fragment agrandi de la zone annulaire périphérique avec un bord périphérique d'étanchéité. Fig.6 - pile à combustible en coupe le long de la cavité anodique.

La plaque bipolaire TE de forme ronde (figure 1) contient les zones suivantes : les canaux à développante proprement dits - milieu (1), annulaire périphérique (2), dans lesquels les extrémités extérieures des canaux à développante sont reliées aux trous de collecteur dans le bord d'étanchéité périphérique , centrale (3), où vont les extrémités intérieures des canaux à développante, ainsi que le bord périphérique d'étanchéité (4). Sur la figure 1, la zone médiane (développante) (1) et la zone annulaire périphérique (2) ne sont pas représentées en entier ; en effet, ils recouvrent uniformément toute la surface de la plaque bipolaire FC de forme ronde selon l'invention.

Sur la figure 2, la zone médiane des canaux à développante (1) est représentée à plus grande échelle pour montrer ses canaux (5) et ses nervures (renflements) (6).

La section transversale de la zone médiane des canaux à développante (figure 3) donne une idée de la façon dont les plaques séparatrices d'anode (8) et de cathode (9) sont reliées, par exemple, soudées l'une à l'autre (le cordon de soudure est indiqué par position 7), formant une cavité de circulation du fluide frigorigène entre leurs surfaces internes (dix). Les surfaces extérieures des plaques séparatrices de cathode (9) et d'anode (8) servent à former des canaux à travers lesquels circulent respectivement le combustible (11) et le comburant (12).

La figure 4 montre l'emplacement dans la zone centrale des nervures des canaux de la cathode (13) (traits pleins) de la plaque de séparation et de l'anode (14) (traits pointillés) de la plaque de séparation. Les canaux de la zone centrale des deux plaques sont situés de telle sorte que lors de l'assemblage de la plaque bipolaire FC, les canaux se croisent, formant un collecteur central plat, qui sert à répartir uniformément le carburant, le comburant et le liquide de refroidissement dans la zone centrale. De plus, une telle disposition des canaux permet de renforcer la zone centrale (3) de la plaque bipolaire. La figure 4 montre également comment les canaux à développante (5) et leurs nervures (6) s'articulent avec les canaux et les nervures de la zone centrale.

La figure 5 montre comment les nervures des canaux de l'anode (15) et les nervures des canaux des plaques séparatrices de la cathode (16) se croisent dans la zone annulaire périphérique (2) de la plaque bipolaire FC de forme ronde, assurant sa rigidité et résistance dans cette zone. Les nervures de canal (15 et 16) ainsi que les protubérances coniques (17) forment une sorte de collecteurs plats qui répartissent uniformément le carburant, le comburant et le liquide de refroidissement à l'entrée des extrémités extérieures des canaux à développante correspondants dans la zone médiane des canaux à développante (1 ) de la plaque bipolaire FC de forme ronde et en sortent. Des trous (18) dans le bord d'étanchéité périphérique (4) et le long de la périphérie des plaques séparatrices d'anode (8) et de cathode (9), par exemple trapézoïdales, forment des canaux collecteurs verticaux lors de l'assemblage de la pile à combustible pour alimenter et prélevant des réactifs et des réactifs FC dans les cavités correspondantes du réfrigérant à plaque bipolaire par des canaux horizontaux (19), et par les trous de fixation et de centrage des ensembles bipolaires lors de l'assemblage de la batterie (20), les attaches passent, par exemple, des goujons (ressorts de tige) qui serrez les piles à combustible dans une pile à combustible. Les trous de fixation et de centrage des ensembles bipolaires lors de l'assemblage de la batterie (20) sont régulièrement espacés autour de la circonférence de la plaque bipolaire du FC de forme ronde et il peut y en avoir, par exemple, trois.

La figure 6 donne une vue de l'ensemble de l'élément combustible en coupe. FC contient une plaque bipolaire (21), qui comprend des plaques de séparation d'anode (8) et de cathode (9), formant des canaux pour la circulation du réfrigérant (10) entre elles, et avec l'anode (22) et la cathode (23) formant des canaux de circulation du combustible (11) et des canaux de circulation du comburant (12). La composition de la plaque bipolaire FC de forme ronde comprend également un bord périphérique d'étanchéité (4), qui présente des trous, à l'aide desquels, lors de l'assemblage des plaques bipolaires FC de forme ronde, des canaux collecteurs verticaux (24) sont formés dans la batterie FC, à partir de laquelle les réactifs entrent par les canaux horizontaux (19) dans les canaux appropriés pour la circulation, par exemple, comme dans ce cas le carburant (11), c'est-à-dire à l'anode (22) et aux canaux de circulation du comburant (12), c'est-à-dire à la cathode (23) et le réfrigérant au canal de circulation de réfrigérant (10). La composition de la pile à combustible comprend également une membrane électrolytique (25) avec son bord périphérique étanche (26).

Le fonctionnement d'une pile à combustible avec la conception proposée d'une plaque bipolaire est illustré sur l'exemple de circulation de combustible (Fig. 6) et se déroule comme suit. Le carburant provenant des canaux collecteurs verticaux (24) à travers les canaux horizontaux (19) pénètre dans les collecteurs plats de la zone annulaire périphérique (2) et est réparti uniformément le long des canaux à développante pour la circulation du carburant (11) de la zone médiane du canal à développante (1), à partir de la zone médiane du canal à développante (1), le carburant entre ensuite dans les canaux de la zone centrale (3), dans lesquels le carburant reçu de tous les canaux à développante de la zone médiane (1) est mélangé, tandis que la concentration de ses composants, en particulier des impuretés, telles que le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone et autres, est garantie pour égaliser les impuretés dans le cas où l'hydrogène obtenu par la conversion d'hydrocarbures est utilisé comme carburant. De manière similaire, mais dans l'ordre inverse, les composants inertes sont évacués de la cavité formée par les canaux de circulation du combustible, du côté opposé de la pile à combustible avec le flux de combustible en circulation.

Le comburant provenant du collecteur vertical respectif et des canaux horizontaux pénètre de la même manière dans des zones similaires de la cavité formée par les canaux pour la circulation du comburant, plaque bipolaire de forme ronde de la pile à combustible. Les impuretés inertes contenues dans le comburant sont éliminées de la même manière du côté opposé de la pile à combustible.

Un réfrigérant circule à travers la cavité de la plaque FC bipolaire de forme ronde, formée par des canaux pour le réfrigérant (10), qui élimine la chaleur dégagée lors de la réaction électrochimique génératrice de courant d'oxydation du carburant. Connectés, par exemple, des canaux à développante soudés ensemble sur toute la longueur des nervures dans la zone médiane (1), ainsi qu'à toutes les intersections des nervures dans les zones annulaire périphérique (2) et centrale (3), donnent le bipolaire plaque la rigidité et la résistance nécessaires.

La distribution uniforme des flux de réactif et de liquide de refroidissement sur la zone FC, ainsi que la pression uniforme et suffisante garantie des électrodes sur la matrice, fournie par la rigidité et la résistance de la plaque bipolaire, ont permis d'obtenir des caractéristiques électriques élevées de la pile à combustible.

Des plaques bipolaires en nickel de piles à combustible alcalines de la conception revendiquée ont été fabriquées pour des électrodes d'une surface de 700 cm 2 et une épaisseur de plaque séparatrice de 0,06 mm. Le poids de la plaque bipolaire était en moyenne de 150 g. Toutes les plaques répondaient aux exigences de conception. L'étanchéité de la cavité caloporteuse par rapport aux cavités combustible et comburant et des trois cavités par rapport à l'environnement extérieur, ainsi que les batteries de piles à combustible fabriquées à l'aide des plaques de pile à combustible bipolaires de l'invention répondaient aux exigences techniques. Les pré-requis techniques correspondait également à la résistance et à la rigidité de toutes les plaques bipolaires, caractérisées par l'absence de déformation sous une charge de 3 kg/cm 2 . La grande uniformité des flux de réactifs et de réfrigérant sur la zone de la pile à combustible s'est manifestée par le haut rendement des piles à combustible : dans le cadre des piles à combustible à une température de 99°C, la concentration de potassium caustique dans l'électrolyte est de 8,3 g -eq/l et la pression d'oxygène et d'hydrogène est de 4,2 kg/cm 2 , la tension de la cellule de batterie moyenne était de 985 mV à une densité de courant de charge de 200 mA/cm 2 , et la puissance spécifique était de 0,43 kg TEQ/kW et 805 mV (0,52 kg TEQ/kW) à 1000 mA/cm2. Sur les batteries FC avec une plus petite surface d'électrodes (176 cm2) à une température de 121°C et la même concentration d'électrolyte, la même pression de gaz et la même densité de courant de charge de 4200 mA/cm2, la tension moyenne était de 612 mV (0,18 kg TEQ /kW).

L'utilisation de la conception revendiquée permet de fabriquer des piles à combustible compactes légères et multi-éléments à haute performance capables d'un fonctionnement fiable pendant une longue période à la fois à la pression atmosphérique du carburant, de l'oxydant et du réfrigérant, et à des pressions environnement, dépassant considérablement l'atmosphère, ainsi que dans le vide. Tout cela leur permet d'être utilisés non seulement dans les domaines traditionnels, mais également là où des produits aux caractéristiques de poids et de taille élevées sont requis, principalement dans l'espace et sur véhicules sous-marins.

Sources d'information

1. Brevet américain n° 6261710 "Conception de plaques bipolaires en tôle pour piles à combustible à membrane électrolyte polymère", classe. CIB H01M 2/00, date de priorité 17/07/2001.

2. Brevet RF n° 2355072 « Pile à combustible », classe. CIB H01M 8/10, H01M 8/02, date de priorité 03.10.2007.

RÉCLAMER

1. Plaque bipolaire d'une pile à combustible de forme ronde, contenant des plaques de séparation interconnectées avec des canaux pour la circulation du combustible, du comburant et du liquide de refroidissement et une disposition opposée de l'entrée et de la sortie du comburant, du combustible et du liquide de refroidissement, caractérisée en ce que la les plaques de séparation sont faites de telle manière qu'elles forment une zone médiane , dans laquelle les canaux sont situés le long des développantes du cercle qui délimite la zone centrale, et la longueur du cercle le long duquel les développantes sont construites est égale au produit du nombre de canaux par pas, et le pas des canaux est uniforme le long de la circonférence, la zone centrale, qui comprend les extrémités intérieures des canaux à développante et les bords des canaux qui sont situés sur les plaques de telle sorte que lors de l'assemblage ils se croisent, formant des collecteurs centraux plans, une zone annulaire périphérique constituée de canaux entrecroisés et de protubérances coniques, à travers laquelle s'organise l'alimentation et l'évacuation des réactifs et du fluide frigorigène aux extrémités externes des canaux à développante correspondants, et les plaques de séparation le long de la périphérie et le bord d'étanchéité périphérique ont des ouvertures coïncidant le long de la périphérie, qui, lors de l'assemblage de l'empilement de piles à combustible, forment des canaux collecteurs pour alimenter le comburant, le combustible et le réfrigérant à travers les canaux horizontaux vers la zone annulaire périphérique de la séparation plaques et plus loin dans les cavités correspondantes et retrait de celles-ci.

2. Plaque de pile à combustible bipolaire de forme ronde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les plaques séparatrices sont soudées à tous les points de contact et sur le bord périphérique d'étanchéité.

3. Plaque de pile à combustible bipolaire de forme ronde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les trous collecteurs sur le bord périphérique d'étanchéité et sur la périphérie des plaques séparatrices sont rendus trapézoïdaux.

4. Plaque de pile à combustible bipolaire de forme ronde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les trous de fixation et de centrage de la batterie lors du montage, répartis régulièrement le long du bord périphérique d'étanchéité et le long de la périphérie des plaques séparatrices, coïncident.