Kaip veikia kuro elementai. Dvipolė plokštė ir jos gamybos būdas Kuro elementų plieninių dvipolių plokščių apsauga nuo korozijos

ELEKTROCHEMINĖ ENERGIJA. 2009. V. 9, Nr. 3. S.161-165

UDC 66,02; 536,7;

VANDENILIO-ORO KURO ELEMENTŲ DVIPOLINIŲ TITANO PLOKŠČIŲ PAVIRŠIAUS APDOROJIMO METODAI

M. S. Vlaskinas, E. I. Školnikovas, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov* ir V. P. Charitonovas*

Naujų energetikos problemų institutas JIHT RAS, Maskva, Rusija *CJSC "Rimos", Maskva, Rusija El. [apsaugotas el. paštas]

Gauta 2009 m. birželio 11 d

Straipsnis skirtas bipolinių plokščių (BP) paviršiaus apdorojimo įtakos specifinėms kuro elementų (FC) elektrinėms charakteristikoms tyrimui. Tyrimai buvo atlikti su titano pagrindo plokštėmis. Svarstomi du BP apdorojimo būdai: elektrocheminis auksavimas ir anglies jonų implantavimas. Atstovaujama trumpi aprašymai pateiktos technologijos, taip pat eksperimentų metodika ir rezultatai. Parodyta, kad titano BP paviršiaus padengimas auksu ir anglies priedas pagerina FC elektrines charakteristikas. Santykinis FC ominės varžos sumažėjimas, palyginti su nepadengtomis titano plokštėmis, buvo 1,8 elektrocheminio auksavimo ir 1,4 jonų implantavimo atveju.

Raktažodžiai Raktažodžiai: vandenilio-oro kuro elementai, titano pagrindu pagamintos bipolinės plokštės, anglies implantacija, impedanso spektroskopija.

Darbas skirtas paviršinių bipolinių plokštelių (BP) apdorojimo įtakos specifinėms kuro ce)(s) (FC) elektrinėms charakteristikoms tirti. Tyrimai atlikti plokštelėse titano pagrindu. Yra du BP apdorojimo būdai. nagrinėjama: elektrocheminis auksavimas ir joninis anglies implantavimas Darbe pateikiami trumpi gautų technologijų aprašymai, metodika ir eksperimentų rezultatai Darbe parodyta, kad auksuojant ir joniškai implantuojant anglies titaninio BP elektrinės charakteristikos gerėja FC. Santykinis ominės varžos FC sumažėjimas, palyginti su „grynomis“ titaninėmis plokštėmis, sudarė 1,8 elektrocheminiam auksavimui ir 1,4 joniniam implantavimui.

Raktažodžiai: vandenilio-oro kuro elementai, bipolinės titano plokštės, anglies implantacija, impedanso spektroskopija.

ĮVADAS

Šiuo metu pasaulyje naudojamos dvi pagrindinės BP medžiagų rūšys: BP iš anglies arba grafito polimerų kompozitų ir metalo BP.

Tyrimai grafito BP srityje žymiai pagerino jų fizines ir chemines savybes bei specifines savybes. Grafito pagrindu pagaminti PSU yra atsparesni korozijai nei metaliniai, tačiau pagrindinis jų trūkumas vis tiek yra silpnas mechaninis stiprumas, dėl kurio negalima juos naudoti kuro elementuose, skirtuose transportui ir nešiojamoms nešiojamoms elektrinėms.

Šiuo atžvilgiu metalai turi keletą neabejotinų pranašumų prieš anglies medžiagas. Jie pasižymi didesniu šilumos ir elektros laidumu, porų nebuvimu, dujų nepralaidumu ir dideliu mechaniniu stiprumu. Metaliniai maitinimo šaltiniai taip pat yra ekonomiškesni nei grafito PSU. Tačiau visus aukščiau išvardintus metalų pranašumus iš esmės nuvertina tokie trūkumai kaip mažas atsparumas korozijai ir didelis atsparumas kontaktui su anglies dujų difuzijos sluoksniais (GDL).

Perspektyviausias metalas kaip maitinimo šaltinių gamybos medžiaga yra titanas. Straipsnyje pateikiami kai kurie titano maitinimo šaltinių pranašumai. Titanas pasižymi geromis mechaninėmis savybėmis, o užterštumas titano jonais nėra pavojingas membraninio elektrodo bloko (MEA) katalizatoriui. Titano atsparumas korozijai taip pat vienas didžiausių tarp metalų, tačiau agresyvioje kuro elementų aplinkoje titaną vis tiek reikia saugoti nuo korozijos. Papildomas veiksnys ieškant titano dangų yra didelis atsparumas sąlyčiui su anglies HDS.

Mūsų laboratorija (JIHT RAS Laboratory of Aluminium Hidrogen Energy) užsiima nešiojamų energijos šaltinių kūrimu vandenilio-oro kuro elementų (HHFC) pagrindu. Titanas buvo pasirinktas kaip BP medžiaga, taip pat ir dėl to, kas išdėstyta pirmiau. Anksčiau mūsų atlikti darbai patvirtino būtinybę ieškoti dangų ir/ar būdų jos papildomam apdirbimui.

Gerai žinomas būdas apsaugoti titano paviršių yra padengti jį auksu. Ši danga padidina atsparumą korozijai ir sumažina kuro elemento ominį atsparumą, todėl pagerėja jo elektrinės charakteristikos. Tačiau ši technologija yra

© 2009

M. S. VLASKINAS, E. I. ŠKOLNIKOVAS, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOVAS, V. P. KHARITONOVAS

brangiai kainuoja, daugiausia dėl tauriųjų metalų naudojimo.

Šiame darbe, be elektrocheminio auksavimo, nagrinėjamas PB gamybos iš titano metodas, o vėliau jį apdorojant jonų implantavimu. BP paviršiaus legiravimas anglimi sukuria papildomą apsaugą nuo korozijos ir sumažina atsparumą sąlyčiui su anglies GDS. Ši technologija žada sumažinti PSU gamybos sąnaudas, išlaikant aukštas elektrines charakteristikas.

Straipsnyje pateikiami eksperimentų, lyginančių maitinimo bloko, pagaminto iš „gryno“ titano (t.y. be dangų), titano, elektrochemiškai padengto auksu, ir titano, legiruoto su anglimi jonų implantavimo metodu, elektrines charakteristikas rezultatai.

1. EKSPERIMENTINĖ TECHNIKA

Srovės-įtampos kreivė ir FC varža buvo pasirinktos kaip elektrinės charakteristikos, kurių pagalba buvo lyginami aukščiau pateikti PSU gamybos iš titano būdai. Eksperimentai buvo atlikti su specializuotu impedansometru Z-500PX (su potenciostato funkcijomis), pagamintu Elins LLC. FC buvo apkrautas elektronine apkrova, įmontuota į varžą potenciostatiniu režimu esant 800, 700, 600 ir 500 mV įtampai. Esant kiekvienai įtampai, FC buvo laikomas 2000 s, kad pasiektų pastovią būseną, o po to sekė varžos matavimas. Kiekvienu atveju po poveikio ir

kuro elementui pasiekus stacionarią būseną, buvo paimti 5 hodografai. Matuojant varžą, trikdančio sinusinės įtampos signalo amplitudė buvo 10 mV, dažnių diapazonas – 105–1 Hz. Srovės ir įtampos kreivės buvo nubraižytos iš stacionarių verčių.

Visi eksperimentai buvo atlikti su specialiai pagamintais modeliniais testiniais HVFE (1 pav.). Bandomasis elementas yra vienas MEA, įterptas tarp dviejų srovę renkančių plokščių, kurios yra FC akumuliatorių galinių plokščių analogai. Bendras srovės kolektoriaus plokščių dydis 28x22 mm, storis po 3 mm. Srovės surinkimo patogumui plokštės turi specialias „uodeges“ 4x4 mm. Aktyvaus paviršiaus dydis 12x18 mm (2,16 cm2). Vandenilis tiekiamas į MEA per anodo srovės kolektoriaus plokštę ir sklinda pagal nurodytą srauto lauką šios plokštės aktyviuoju paviršiumi. Oras maitina VVTE dėl natūralios konvekcijos. Katodinė kolektoriaus plokštė turi 4 kanalus, kurių skersmuo yra 2 mm, su plyšiais aktyvaus paviršiaus srityje. Kanalo, kuriuo paskirstomas oras, ilgis yra 22 mm. Trijų elementų MEA yra pagaminti iš Mayop 212, o platinos katalizatoriaus sąnaudos yra 0,2 mg/cm2 prie anodo ir 0,5 mg/cm2 prie katodo.

Bandomieji VVTE buvo surinkti iš tų pačių komponentų, išskyrus srovės kolektoriaus plokštes. Trys poros srovę renkančių plokščių buvo pagamintos iš VT1-0 titano. Pirmoji pora buvo „grynas“ maltas titanas

Ryžiai. 1. Išbandykite sulankstomą kuro elementą. Informacija iš kairės į dešinę: anodo srovės kolektoriaus plokštė, sandariklis, anodas GDS, MEA, katodas HDS, sandariklis, katodo srovės kolektoriaus plokštė; apačioje - tvirtinimo varžtai ir veržlės

plokštės, t.y. be dangų ir jokio papildomo apdorojimo. Antrasis buvo padengtas 3 µm storio auksu per 2 µm storio nikelio sluoksnį standartiniu elektrocheminiu metodu. Trečioji pora buvo legiruota anglimi jonų implantacijos būdu.

Technologinis procesas jonų implantavimas žinomas apie 50 metų. Jis pagrįstas pagreitintų medžiagos jonų įvedimu į tikslinę medžiagą, siekiant pakeisti jos paviršiaus fizines ir chemines savybes. Titano BP ir galinių plokščių joninis implantavimas buvo atliktas specializuotame UAB „RIMOS“ stende. Stovas yra purkštukas, galintis sukurti pagreitintus įvairių medžiagų jonų pluoštus esant dideliam vakuumui be alyvos. Ant šio stovo implantuotos titano plokštės pasižymi dideliu atsparumu korozijai ir legiravimo tęstinumu. Titano plokštės buvo apdorojamos jonų pluoštu, kai jonų energija buvo 20 keV, implantavimo dozė – 1018 cm-2, o apdoroto produkto temperatūra – 300 °C ± 10 °C.

Anglies implantavimo dozė buvo matuojama išilgai poliruoto titano plokštės pasiskirstymo profilio gylio antrinės jonų masės spektrometrijos metodu, naudojant CAMECA 1M84B įrangą (Prancūzija). Anglies koncentracijos titane pasiskirstymo kreivė parodyta fig. 2. Pagal paveikslą anglies paviršiaus sluoksnio gylis yra 200^220 nm, to pakanka norint gauti iš esmės naujas fizines ir chemines BP paviršiaus savybes.

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

Gylis, mikronai

Ryžiai. 2. Anglies koncentracijos titane pasiskirstymo kreivė

2. REZULTATAI IR DISKUSIJOS

Ant pav. 3 paveiksle parodytos voltų-amperų kreivės ir atitinkamos galios tankio kreivės kuro elementams su skirtingomis srovės surinkimo plokštėmis. Absoliučios srovės ir galios vertės yra susijusios su MEA aktyviojo paviršiaus plotu, kuris yra 2,16 cm2. Iš paveikslo aiškiai matyti, kad tiek legiravimas anglimi, tiek elektrocheminis auksavimas pagerina specifines kuro elementų charakteristikas. Reikėtų pažymėti, kad voltų-amperų charakteristikos vienu metu rodo aktyvavimo, omų ir difuzijos nuostolius kuro elemente. Aktyvinimo nuostoliai yra susiję su elektrodų reakcijų energijos barjero įveikimu, ominiai nuostoliai yra kiekvieno elektrai laidžio FC sluoksnio elektrinių varžų ir kontaktinių varžų tarp jų suma, o difuzijos nuostoliai yra susiję su reagentų tiekimo trūkumu. MEA reakcijos sritis. Nepaisant to, kad m įvairiose srityse srovės tankių, kaip taisyklė, vieno iš trijų aukščiau išvardintų nuostolių tipų, voltų amperų kreivių ir galios tankio kreivių nepakanka, kad būtų galima kiekybiškai įvertinti vieną ar kitą BP (galinių plokščių) apdorojimo būdą. Mūsų atveju įdomūs yra FC ominiai nuostoliai. Visų kuro elementų aktyvavimo ir difuzijos nuostoliai pirmoje aproksimacijoje yra vienodi: aktyvavimo nuostoliai naudojant tą patį MEA su tokiomis pat katalizatoriaus sąnaudomis, difuzijos nuostoliai dėl tos pačios konstrukcijos bandomosios srovės kolektoriaus plokščių.

Ominiams nuostoliams nustatyti buvo naudojami eksperimentų metu gauti impedanso hodografai. Šios eksperimentų dalies rezultatai parodyti Fig. 4. Pavyzdžiui, paveiksluose parodytas vienas iš penkių hodografų, paimtų kiekvienu atveju FC pasiekus stacionarią būseną.

Impedanso spektroskopija leidžia kiekybiškai įvertinti FC elektros nuostolius. Laikraščiai pateikia aprašymą šis metodas VVTE atžvilgiu. Pagal hodografų interpretavimo taisykles ominė varža yra tikroji varžos dalis esant aukštiems dažniams (/ = 105-104 Hz). Reikšmė parenkama hodografo susikirtimo su abscisių ašimi (1m R = 0) taške aukšto dažnio srityje. Taip pat hodografų pagalba randama dvigubo sluoksnio ant elektrodo/elektrolito paviršiaus talpa. Hodografo puslankio skersmuo apibūdina bendrą atsparumą krūviui praeiti per šį sluoksnį. Ant pav. Asortimente pateikiami 4 varžos hodografai

M. S. VLASKINAS, E. I. ŠKOLNIKOVAS, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOVAS, V. P. KHARITONOVAS

Ryžiai. 3. Volto-ampero kreivės (a) ir atitinkamos galios tankio kreivės (b): - - - nepadengtas titanas,

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

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1t, nuo 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

Ryžiai. 4 pav. TE varža esant pastoviai poliarizacijai, mV: a - 800, b - 700 c - 600, d - 500: - nepadengtas titanas;

Titanas + N1 + Au; o - titanas + C

105-1 Hz dažniai, nes verta atkreipti dėmesį į gana didelius kuro elementų difuzijos nuostolius (virš 2 Ohm-cm2). Tačiau tai nėra titano plokščių paviršiaus apdorojimo pasekmė, o siejama su katodinės srovės kolektoriaus plokštės konstrukcija ir natūralios konvekcijos sąlygomis, kai oras tiekiamas į MEA.

Lentelėje pateiktos absoliučios ominių varžų vertės, priklausomai nuo kuro elemento poliarizacijos ir jo srovę renkančių plokščių apdorojimo būdo, taip pat jų sisteminės paklaidos. Rezultatai rodo, kad paauksavimas sumažina bendrą ominį pasipriešinimą maždaug 1,8 karto, palyginti su nepadengtu titanu, nes sumažėja kontaktiniai nuostoliai. Pritaikymas anglies jonais padidina atitinkamai ~1,4 karto. Pasikliautinojo intervalo reikšmė rodo didelį ominės varžos verčių matavimų tikslumą.

Kuro elemento ominė varža (Ohm) su srovę renkančiomis plokštėmis iš nepadengto titano, titano elektrochemiškai padengto N1, Au ir titano, legiruoto C+ jonais, priklausomai nuo kuro elemento poliarizacijos

Mėginio TE įtampa, mV

Titanas nepadengtas 0,186 0,172 0,172 0,169

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

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

Taigi buvo įrodyta, kad ir titano BP padengimas auksu ir anglies lydinys sumažina jų atsparumą sąlyčiui su anglies HDD. Plokščių padengimas auksu yra šiek tiek naudingesnis dėl elektrinių savybių nei jų apdorojimas jonų implantavimo būdu.

Visa tai, kas išdėstyta pirmiau, leidžia manyti, kad titano BP apdirbimui gali būti naudojamos ir vienos, ir kitos nagrinėjamos technologijos.

BIBLIOGRAFIJA

1. Middelman E., Kout W, Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de //J. Maitinimo šaltiniai. 2003 t. 118. P. 44-46.

2. Dobrovolsky Yu.A., Ukshe A.E., Levchenko A.V., Archangelsky I.V., Ionovas S.G., Avdejevas V.V., Aldoshin S.M. // Žurnalas. Ros. chem. apie juos. D. I. Mendelejevas. 2006. T. 1, Nr. 6. S.83-94.

3. S.-Wang H, Peng J., Lui W.-B., Zhang J.-S. // J. Energijos šaltiniai. 2006. T. 162. P.486-491.

4. Daviesas D.P., Adcockas P.L., Turpinas M., Rowenas S.J., J. Appl. Electrochem. 2000. T.30. P.101-105.

5. E. I. Shkolnikov, M. S. Vlaskin, A. S. Ilyukhin ir A. B. Tarasenko, Elektrokhim. energijos. 2007. V.7, Nr.4 S. 175-182.

6. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Iljukhin A.S., Zhuk A.Z., Sheindlin A.E. // J. Energijos šaltiniai. 2008. T. 185. P.967-972.

7. Fabian T., Posner J. D., O "Hayre R., Cha S.-W., Eaton J. K., Prinz F. B., Santiago J. G. // J. Power Sources. 2006. T. 161. P. 168-182.

8. Jonų implantavimas į puslaidininkius ir kitas medžiagas: Šešt. Art. M.: Mir, 1980 m.

9. Pleshivtsev N.V., Bazhin A.I. Jonų pluošto poveikio medžiagoms fizika. M.: Vuzovskaya kniga, 1998.

10. Jonų implantacija. Maskva: Metalurgija, 1985 m.

11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027 / 24, H01J003 / 04 / Mashkovtsev BN. Jonų pluošto gamybos būdas ir jo įgyvendinimo įrenginys.

12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2/00, A61L2/14 / Kharitonov V.P., Chinenov A.A., Simakov A.I., Samkov A.V. Medicininės įrangos gaminių apdorojimo jonų pluoštu prietaisas.

13. Pat. 2109495 RF, IPC: A61F002/24 / Iosif N.A., Kevorkova R.A.,. Samkovas A.V., Simakovas A.I., Kharitonov V.P., Chinenov A.A. Dirbtinis širdies vožtuvas ir jo gamybos būdas.

14. Cooper K.R., Ramani V., Fenton J.M., Kunz H.R. Polimerinių elektrolitų kuro elementų eksperimentiniai metodai ir duomenų analizė, Scribner Associates, Inc., Illinois, 2005. 122 p.

15. Nacionalinė energetikos technologijų laboratorija. Fuel Cell Hand Book, šeštasis leidimas, G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, Vakarų Virdžinija, 2002. 352 p.

Kietojo kūno fizikos institute RAS gaminami SOFC elektrodai: žalias – anodas ir juodas – katodas. Kuro elementai yra ant bipolinių plokščių, skirtų SOFC akumuliatoriams

Mano draugas neseniai lankėsi Antarktidoje. Linksma kelionė! Ji pasakė kelionių verslas Jis taip pat sukurtas atvesti keliautoją į vietą ir leisti jam mėgautis atšiauria poliarinio regiono didybe, nesušaldamas iki mirties. Ir tai nėra taip paprasta, kaip gali atrodyti – net atsižvelgiant į tai šiuolaikinės technologijos: elektra ir šiluma Antarktidoje yra aukso vertės. Spręskite patys, įprasti dyzeliniai generatoriai teršia gryną sniegą, reikalauja tiekti daug kuro, o atsinaujinantys energijos šaltiniai dar nėra labai efektyvūs. Pavyzdžiui, Antarktidos turistų pamėgtoje muziejaus stotyje visa energija generuojama vėjo ir saulės galia, tačiau muziejaus viduje vėsu, o keturi prižiūrėtojai prausiasi tik laivuose, kurie į juos atveža svečius.

Nuolatinio ir nepertraukiamo maitinimo problemos žinomos ne tik poliarų tyrinėtojams, bet ir bet kokiems gamintojams bei atokiose vietovėse gyvenantiems žmonėms.

Jas galima išspręsti pasitelkus naujus energijos kaupimo ir generavimo būdus, tarp kurių perspektyviausi atrodo cheminiai srovės šaltiniai. Šiuose mini reaktoriuose cheminių virsmų energija tiesiogiai, nevirtant šiluma, paverčiama elektros energija. Taigi smarkiai sumažėja nuostoliai ir atitinkamai degalų sąnaudos.

Cheminiuose energijos šaltiniuose gali vykti įvairios reakcijos, ir kiekvienas turi savų privalumų ir trūkumų: vieni greitai išsenka, kiti gali veikti tik esant tam tikroms sąlygoms, pavyzdžiui, esant itin aukštai temperatūrai arba naudojant griežtai apibrėžtą kurą, pvz. kaip grynas vandenilis. Rusijos mokslų akademijos Kietojo kūno fizikos instituto (ISSP RAS) mokslininkų grupė, vadovaujama Sergejus Bredikhinas padarė statymą dėl vadinamojo kietojo oksido kuro elemento (SOFC). Mokslininkai įsitikinę, kad taikant tinkamą metodą jis galės pakeisti neefektyvius Arkties generatorius. Jų projektas buvo remiamas pagal federalinę tikslinę programą „Moksliniai tyrimai ir plėtra 2014–2020 metams“.

Sergejus Bredikhinas, FTP projekto „Laboratorijos mastelio plokštuminių SOFC gamybos technologijos sukūrimas ir jų pagrindu kūrimo koncepcija“ vadovas. elektrinės įvairiems tikslams ir konstrukcijos, įskaitant hibridines, gaminant ir išbandant nedidelės apimties eksperimentinį 500–2000 W galios elektrinės pavyzdį.

Be triukšmo ir dulkių, bet su visa grąža

Šiandien energetikos pramonėje vyksta kova dėl naudingos energijos gamybos: mokslininkai kovoja už kiekvieną efektyvumo procentą. Plačiai naudojami generatoriai, veikiantys vidaus degimo principu naudojant angliavandeninį kurą – mazutą, anglį, gamtines dujas (pastaroji kuro rūšis yra ekologiškiausia). Nuostoliai juos naudojant yra dideli: net ir maksimaliai optimizuojant tokių įrenginių efektyvumas neviršija 45%. Tuo pačiu metu jų veikimo metu susidaro azoto oksidai (NOx), kurie, sąveikaudami su vandeniu atmosferoje, virsta gana agresyviomis rūgštimis.

SOFC baterija veikiant mechaninei apkrovai

Kietojo oksido kuro elementai (SOFC) neturi tokio „šalutinio poveikio“. Tokių įrenginių naudingumo koeficientas yra didesnis nei 50% (ir tai tik pagal elektros išeigą, o atsižvelgiant į šiluminę galią efektyvumas gali siekti 85-90%), o pavojingų junginių į atmosferą jie neišskiria.

„Tai labai svarbi technologija Arkčiai ar Sibirui, kur aplinka ir kuro tiekimo problemos yra ypač svarbios. Kadangi SOFC sunaudoja kelis kartus mažiau degalų, paaiškino Sergejus Bredikhinas. „Jie turi dirbti be sustojimo, todėl puikiai tinka dirbti poliarinėje stotyje arba šiauriniame aerodrome.

Su santykinai mažomis degalų sąnaudomis toks instaliacija veikia ir be priežiūros iki 3-4 metų. „Dabar daugiausiai naudojamo dyzelinio generatoriaus tepalą reikia keisti kas tūkstantį valandų. O SOFC be priežiūros dirba 10-20 tūkstančių valandų“, – pabrėžė ISSP jaunesnysis mokslo darbuotojas Dmitrijus Agarkovas.

Nuo idėjos iki akumuliatoriaus

SOFC veikimo principas yra gana paprastas. Jie yra „baterija“, kurioje surinkti keli sluoksniai kietojo oksido kuro elementų. Kiekvienas elementas turi anodą ir katodą, iš anodo pusės į jį tiekiamas kuras, o iš katodo pusės į jį tiekiamas oras. Pastebėtina, kad labiausiai tinka SOFC skirtingi tipai kuro nuo gryno vandenilio iki anglies monoksido ir įvairių angliavandenilių junginių. Dėl anodo ir katodo vykstančių reakcijų sunaudojamas deguonis ir kuras, tarp elektrodų susidaro jonų srovė. Kai akumuliatorius įmontuotas į elektros grandinę, toje grandinėje pradeda tekėti srovė.

Srovių ir temperatūros laukų pasiskirstymo kompiuterinis modeliavimas 100×100 mm dydžio SOFC baterijoje.

Nemalonus SOFC veikimo bruožas yra aukštos temperatūros poreikis. Pavyzdžiui, Rusijos mokslų akademijos Kietojo kūno fizikos institute paimtas mėginys veikia 850°C temperatūroje. Norėdami sušilti iki Darbinė temperatūra, generatoriui reikia apie 10 val., bet tada jis veiks kelerius metus.

Kietojo kūno fizikos institute RAS kuriami kietojo oksido elementai, priklausomai nuo kuro plokštės dydžio ir šių plokščių skaičiaus akumuliatoriuje, pagamins iki dviejų kilovatų elektros energijos. Jau surinkti ir išbandyti nedideli 50 vatų baterijų maketai.

Ypatingas dėmesys turėtų būti skiriamas pačioms plokštėms. Viena plokštelė susideda iš septynių sluoksnių, kurių kiekvienas atlieka savo funkciją. Du sluoksniai ant katodo ir anodo katalizuoja reakciją ir praleidžia elektronus, tarp jų esantis keraminis sluoksnis izoliuoja skirtingas terpes (orą ir kurą), bet leidžia prasiskverbti įkrautiems deguonies jonams. Tuo pačiu pati membrana turi būti pakankamai tvirta (tokio storio keramika labai lengvai pažeidžiama), todėl ji pati susideda iš trijų sluoksnių: centrinis suteikia reikiamą. fizines savybes- didelis joninis laidumas, - ir iš abiejų pusių nusodinti papildomi sluoksniai suteikia mechaninį stiprumą. Tačiau vienas kuro elementas yra labai plonas – ne daugiau kaip 200 mikronų storio.

SOFC sluoksniai

Tačiau vieno kuro elemento neužtenka – visa sistema turi būti dedama į karščiui atsparų indą, kuris kelerius metus atlaikys veikimą 850 °C temperatūroje. Beje, įgyvendindami projektą, norėdami apsaugoti metalinius konstrukcinius elementus, Rusijos mokslų akademijos Kietojo kūno fizikos instituto mokslininkai naudoja dangas, sukurtas vykdant kitą projektą.

„Kai pradėjome šį projektą, susidūrėme su tuo, kad savo šalyje nieko neturime: nei žaliavų, nei klijų, nei sandariklių“, – sakė Bredikhinas. „Turėjome padaryti viską. Atlikome modeliavimą, praktikavome ant mažų kuro elementų tablečių pavidalu. Mes išsiaiškinome, kokie jie turėtų būti sudėties ir konfigūracijos požiūriu ir kaip jie turėtų būti išdėstyti.

Be to, reikia atsižvelgti į tai, kad kuro elementas veikia aukštos temperatūros aplinkoje. Tai reiškia, kad būtina užtikrinti sandarumą, patikrinti, ar esant tikslinei temperatūrai medžiagos nereaguos viena su kita. Svarbi užduotis buvo „sinchronizuoti“ visų elementų plėtimąsi, nes kiekviena medžiaga turi savo linijinį šiluminio plėtimosi koeficientą, o jei kažkas nesuderinta, gali nutolti kontaktai, lūžti sandarikliai, klijai. Tyrėjai gavo patentą šio elemento gamybai.

Kelyje į įgyvendinimą

Tikriausiai todėl Bredikhino grupė Kietojo kūno fizikos institute sukūrė visą sistemą, kurioje laipsniškai paruošiamos medžiagos, tada plokštės ir galiausiai kuro elementai bei generatoriai. Be šio taikomojo sparno, taip pat yra kryptis, susijusi su fundamentiniu mokslu.

Kietojo kūno fizikos instituto sienose vykdoma griežta kiekvienos kuro elementų partijos kokybės kontrolė.

Pagrindinis šio projekto partneris yra Krylovo valstybinis tyrimų centras, kuris yra pagrindinis elektrinės kūrėjas, įskaitant būtinos projektinės dokumentacijos kūrimą ir techninės įrangos gamybą savo bandomojoje gamykloje. Dalį darbų atlieka kitos organizacijos. Pavyzdžiui, keraminę membraną, skiriančią katodą ir anodą, gamina Novosibirsko įmonė NEVZ-Ceramics.

Beje, laivų statybos centro dalyvavimas projekte nėra atsitiktinis. Kita perspektyvi SOFC taikymo sritis gali būti povandeniniai laivai ir povandeniniai dronai. Jiems taip pat labai svarbu, kiek laiko jie gali būti visiškai neprisijungę.

Projekto pramonės partneris fondas „Energija be sienų“ gali organizuoti mažų partijų dviejų kilovatų generatorių gamybą Krylovo tyrimų centre, tačiau mokslininkai tikisi ženklios gamybos plėtros. Kūrėjų teigimu, SOFC generatoriuje gaunama energija yra konkurencinga net buitiniam naudojimui atokiuose Rusijos kampeliuose. Numatoma, kad kWh kaina jiems kainuos apie 25 rublius, o dabartinėmis energijos sąnaudomis Jakutijoje iki 100 rublių už kWh toks generatorius atrodo labai patraukliai. Sergėjus Bredikhinas įsitikinęs, kad rinka jau paruošta, svarbiausia turėti laiko įrodyti save.

Tuo tarpu užsienio kompanijos jau pristato SOFC pagrindu sukurtus generatorius. Šios krypties lyderė yra „American Bloom Energy“, gaminanti 100 kilovatų galios įrenginius tokių kompanijų kaip „Google“, „Bank of America“ ir „Walmart“ galingiems kompiuterių centrams.

Praktinė nauda akivaizdi – didžiuliai duomenų centrai, maitinami tokiais generatoriais, turėtų būti nepriklausomi nuo elektros energijos tiekimo nutraukimo. Bet be šito didelės firmos siekti išlaikyti pažangių įmonių, besirūpinančių aplinka, įvaizdį.

Tik JAV už tokių „žaliųjų“ technologijų kūrimą mokamos didelės valstybės išmokos – iki 3000 USD už kiekvieną pagamintos galios kilovatą, o tai šimtus kartų daugiau nei finansuojama Rusijos projektams.

Rusijoje yra dar viena sritis, kurioje SOFC generatorių naudojimas atrodo labai perspektyvus – tai vamzdynų katodinė apsauga. Pirmiausia kalbame apie dujotiekius ir naftotiekius, besidriekiančius šimtus kilometrų per apleistą Sibiro kraštovaizdį. Nustatyta, kad įjungus įtampą į metalinį vamzdį, jis yra mažiau jautrus korozijai. Dabar katodinės apsaugos stotys veikia ant termogeneratorių, kuriuos reikia nuolat stebėti ir kurių naudingumo koeficientas siekia vos 2 proc. Vienintelis jų privalumas – maža kaina, tačiau žiūrint į ilgalaikę perspektyvą, atsižvelkite į degalų sąnaudas (o jas kuro vamzdžio turinys), ir šis jų „nuopelnas“ atrodo neįtikinamai. SOFC generatorių pagrindu veikiančių stočių pagalba galima organizuoti ne tik nenutrūkstamą įtampos tiekimą į dujotiekį, bet ir elektros perdavimą telemetriniams tyrimams... Sako, Rusija be mokslo yra vamzdis. Pasirodo, net ir šis vamzdis be mokslo ir naujų technologijų yra vamzdis.

Patento RU 2267833 savininkai:

Išradimas yra susijęs su automobilių pramone, laivų statyba, energetika, chemijos ir elektrochemijos pramone, ypač elektrolizės procese, gaminant chlorą, ir gali būti naudojamas kuro elementų su membraniniu-elektrodu gamyboje. Techninis išradimo rezultatas – išplėsti dvipolių plokščių ir viso kuro elemento funkcionalumą, pagerinti eksploatacines savybes ir charakteristikas, gauti dvipolies plokštes su savavališkos formos ir padėties srovę nešančiomis iškyšomis, kurių iškyšų aukštis nuo 0,3 iki 0,3 2,0 mm, taip pat didinant reagentų transportavimo ir reakcijos produktų šalinimo efektyvumą, didinant atsparumą korozijai išilgai periferijos su technologine apkrova, kuri yra vientisa visuma su centrine elektrai laidžia dalimi, turinčia funkcinę apkrovą. Dvipolė plokštė, susidedanti iš periferinių dalių su skylutėmis ir centrinės dalies su savavališkos formos srovę nešančiomis iškyšomis, kurių viršūnės yra vienoje plokštumoje su periferinėmis dalimis, o srovę nešančios iškyšos yra padarytos tam tikru pagrindo plotu , su sumažintu skersmeniu prie pagrindo 0,5-3,0 mm, kurių aukštis nuo 0,3 iki 2,0 mm ir su žingsniu tarp srovę nešančių iškyšų centrų 1,0-4,0 mm. Bipolinės plokštės gamybos būdas apima tam tikros sudėties termoreaktyviosios dervos paruošimą lakiajame tirpiklyje su anglies užpildu, maišymą, džiovinimą, atkaitinimą ir presavimą pakartotinai įkraunant iki 15-20 MPa slėgio dervos kietėjimo temperatūroje. Šiuo atveju mišinio atkaitinimas atliekamas 50-60°C žemesnėje nei mišinio termoreaktingumo temperatūra. Ruošiant anglies miltelių mišinį su tirpikliu, kietųjų ir skystųjų fazių santykis yra nuo 1:3 iki 1:5. Į pradinio presavimo mišinio sudėtį įpilkite 0,1-3% pūtimo agento. 2 n. ir 6 z.p. f-ly, 3 lig.

Išradimas yra susijęs su automobilių pramone, laivų statyba, energetika, chemijos ir elektrochemijos pramone, ypač elektrolizės procese, gaminant chlorą, ir gali būti naudojamas kuro elementų su membraniniu-elektrodu gamyboje.

Žinomos bipolinės plokštės, susidedančios iš centrinės ir periferinės dalių, esančių aplink centrinę dalį. Centrinėje dalyje vienoje arba abiejose pusėse yra išilginiai lygiagretūs labirinto grioveliai, skirti paskirstyti dujinių reagentų srautus, suformuojant funkcines srovę nešančias iškyšas su viršūnėmis, esančiomis toje pačioje plokštumoje, su viena centrine ir dviem įstrižomis skylėmis cirkuliacijai ir paskirstymui. elektrolitų srautų. Plokščių periferinėse dalyse yra skylės jų surinkimui į pakuotę. Periferinė ir centrinė dalys yra atskirtos sandarinimo elementu išilgai centrinės dalies perimetro. Tuo pačiu metu, norint organizuoti dujinių reagentų srautų paskirstymą, išilginiai lygiagretūs grioveliai, kaip ir funkciniai srovę nešantys iškyšos, turi labirinto kryptį nuo centrinės skylės iki periferinių skylių arba atvirkščiai, žr. Schunk reklaminį katalogą. KOHLNSTOFF GmbH.

Žinomų bipolinių kuro elementų plokščių trūkumai yra sumažėjęs reagentų transportavimo ir reakcijos produktų pašalinimo efektyvumas akytose srovės kolektoriaus ekranuotose srityse ir dėl to sumažėjęs kuro elemento srovės tankis. elementas esant tam tikrai įtampai, galimybė užkimšti kanalus kondensacinio vandens lašeliais svyruojant kuro elemento temperatūros režimui ir (arba) sistemos vandens balansas, dėl ko sumažėja ir transporto efektyvumas. reagentų ir reakcijos produktų pašalinimas šiais kanalais ir dėl to sumažėja kuro elemento srovės tankis esant tam tikrai įtampai.

Žinomas bipolinių plokštelių gamybos būdas, apimantis tam tikros sudėties termoreaktingos dervos mišinio paruošimą lakiajame tirpiklyje, anglies užpildo sumaišymą su paruoštu tirpalu iki vientisumo, džiovinimą, presavimą ir termoreaktyvumą (JAV patento paraiška Nr. US 2002). /0037448 A1 2002-03-28, MKI N 01 M 8/02; N 01 V 1/4; N 01 V 1/20).

Žinomo metodo trūkumas yra tas, kad termoreaktingumas atliekamas ne vienu metu, o paspaudus gaminį. Be to, mišinio džiovinimas žemoje temperatūroje neužtikrina didelio kiekio lakiųjų komponentų pašalinimo iš rišiklio, todėl dvipolių plokščių medžiagoje nesusispaudžia mikrotūriai, ypač srovę nešančių išsikišimų vietose. kurie padeda užtikrinti elektros kontaktą ir mechaninį srovės kolektoriaus prispaudimą prie katalizinio sluoksnio, dėl kurio iškyšų apačioje susidaro defektinės vietos ir pastarosios sunaikinamos veikiant darbo krūviui montuojant ir eksploatuojant kuro elementų kamino.

Artimiausias techninis sprendimas – bipolinės plokštės ir jų gamybos būdas, susidedantis iš centrinės ir periferinės dalių, esančių priešais centrinę dalį. Centrinėje dalyje, vienoje arba abiejose pusėse, dujinių reagentų srautams paskirstyti, yra išilginiai lygiagretūs grioveliai, tarp savęs suformuojantys srovę nešančias iškyšas su viršūnėmis, esančiomis plokščių periferinių dalių plokštumoje, ir jas jungiančios. Plokščių periferinėse dalyse yra kiaurymės, kurias sumontavus į paketą su gretimomis plokštėmis susidaro išilginiai kanalai, pagerinantys elektrolitų srautų cirkuliaciją ir pasiskirstymą. Bipolinių plokščių gamybos būdas apima miltelių anglies-grafito komponentų ir korozijai atsparaus termoplastinio rišiklio maišymą, miltelių mišinio šaltą presavimą formoje esant 14500 kPa, kaitinimą 150°C temperatūroje, slėgio mažinimą 2000 kPa, temperatūros pakėlimą iki 205. °C, slėgis sugrąžintas iki 14500 kPa, o paskutinė laipsniško slėgio ir temperatūros mažinimo fazė. Žr. patento RU Nr. 2187578 C2, IPC 7 C 25 V 9/04, 9/00 aprašymą.

Žinomų dvipolių plokščių trūkumai yra tolygus srauto pasiskirstymas tik trumpoje atkarpoje, nulemtas vidurinės dalies ilgio, ir ribota erdvė dujinių reagentų srautams paskirstyti, nulemta išilginių lygiagrečių griovelių skaičiaus. Žinomo bipolinių plokščių gamybos būdo trūkumas yra sudėtinga gamybos technologija, dėl kurios mažėja srovę nešančių iškyšų formavimo efektyvumas ir papildomos išlaidos.

Techninis išradimo rezultatas – išplėsti dvipolių plokščių ir viso kuro elemento funkcionalumą, pagerinti eksploatacines savybes ir charakteristikas, gauti dvipolies plokštes su savavališkos formos ir padėties srovę nešančiomis iškyšomis, kurių iškyšų aukštis nuo 0,3 iki 0,3 2,0 mm, taip pat didinant reagentų transportavimo ir reakcijos produktų šalinimo efektyvumą, didinant atsparumą korozijai išilgai periferijos su technologine apkrova, kuri yra vientisa visuma su centrine elektrai laidžia dalimi, turinčia funkcinę apkrovą. Techninis rezultatas pasiekiamas tuo, kad bipolinėje plokštėje, susidedančioje iš periferinių dalių su skylutėmis ir centrinės dalies su srovę nešančiomis iškyšomis, kurių viršūnės yra vienoje plokštumoje su periferinėmis dalimis, srovę nešantys iškyšos yra pagaminti su tam tikru geometriniu pagrindo plotu, su sumažintu skersmeniu prie pagrindo 0,5–3,0 mm, aukščio nuo 0,3 iki 2,0 mm ir su žingsniu tarp srovę vedančių iškyšų centrų 1,0–4,0 mm, sudarytas su apskritimo arba kvadrato, arba stačiakampio, arba elipsės, arba rombo, arba trapecijos formos pagrindu, arba jų deriniais, srovę nešančios iškyšos yra nupjautos piramidės arba cilindras, kūgis arba piramidė; srovės iškyšos padarytos prizmės pavidalu, kurios sumažintas skersmuo prie pagrindo 0,5-3,0 mm, aukštis nuo 0,3 iki 2,0 mm ir pakopa tarp srovę vedančių iškyšų centrų 1,0-4,0 mm , o srovę nešančios iškyšos yra išdėstytos savavališkai arba sutvarkytos, arba šachmatų lentoje, arba rombinėje, arba apskritoje, arba spiralėje, arba labirintinėje jų išdėstymo tvarka, bet taikant bipolinių plokščių gamybos būdą, įskaitant termoreaktyvaus mišinio paruošimą. tam tikros sudėties derva lakiajame tirpiklyje, įdedant anglies užpildą ir maišant iki vienalytės būsenos, džiovinant, presuojant ir termiškai kietėjant, mišinys prieš presavimą išdžiovinamas, po to atkaitinama 50-60°C žemesnėje nei termoreaktingoji temperatūra. mišinio temperatūros, o presavimas atliekamas pakartotinai kraunant iki 15-20 MPa slėgio, tuo pačiu metu kaitinant, kol mišinys sukietėja, atkaitinimas atliekamas palaipsniui didinant temperatūrą 10,0-15,0 val. ši temperatūra 1 ,0-2,0 val., o presavimas atliekamas 1,5-2,0 karto aukštesnėje presavimo įrenginio darbinio korpuso temperatūroje nei atkaitinimo temperatūra, santykis "t:l" formuojant anglies miltelių mišinį su tirpikliu termoreaktingoji derva parenkama intervale nuo 1:3 iki 1:5, į pradinio presavimo mišinio sudėtį įdedama 0,1-3,0 % pučiamosios medžiagos.

Tai užtikrins tolygų reagentų pasiskirstymą kuro elemento paviršiuje ir efektyvų reakcijos produktų pašalinimą, todėl padidės srovės tankis kuro elemento elemente esant tam tikrai įtampai.

Taikant bipolinių plokštelių gamybos metodą, apimantį tam tikros sudėties termoreaktingos dervos mišinio paruošimą lakiajame tirpiklyje, anglies užpildo įvedimą ir jų sumaišymą iki homogeniškumo, džiovinimą, presavimą ir termoreaktyvumą, mišinys prieš presavimą išdžiovinamas. , po to atkaitinimas žemesnėje nei 50-60°C temperatūroje nei mišinio termoreaktingoji temperatūra, o presavimas atliekamas pakartotinai pakraunant iki 15-20 MPa slėgio vienu metu su kaitinimu, atitinkančiu mišinio kietėjimą. . Šiuo atveju atkaitinimas atliekamas laipsniškai didinant temperatūrą 10,0–15,0 val., o vėliau išlaikant šią temperatūrą 1,0–2,0 val. 2,0 karto aukštesnė už atkaitinimo temperatūrą. Formuojant anglies miltelių mišinį su termoreaktingos dervos (acetono) tirpikliu, santykis "kieta:l" (kietos ir skystos fazės) svyruoja nuo 1:2 iki 1:5 ir 0,1-3, 0 % (masės) pūtimo agento.

Termoreaktyviosios dervos naudojimo poreikį lemia eksperimentiškai nustatytas faktas, kad spaudžiant anglies turintį BP ant termoplastinio rišiklio nėra tinkamo srovę nešančių išsikišimų sričių sandarinimo, o tai buvo išreikšta silpnu srovę vedančių išsikišimų sukibimu. prie plokštelės korpuso ir jų atsisluoksniavimo. Bet kokios sudėties termoreaktingos dervos buvimas presavimo mišinyje leidžia šiuo atveju sukepinimo mechanizmu suformuoti be defektų srovę nešančias iškyšas ir BP, o skystoji fazė išnyksta netrukus po jos atsiradimo, nepaisant nuolatinio kaitinimo. .

Pagrindinių operacijų, atliekamų dvipolių plokštelių metu, seka yra tokia: plono termoreaktingojo polimerinio rišiklio sluoksnio susidarymas ant anglies užpildo dalelių paviršiaus ruošiant mišinį, jo džiovinimas ir vėlesnis atkaitinimas, mišinio tankinimas, išvaizda. skystos fazės dėl rišiklio sluoksnio lydymosi ant dalelių užpildo, tolesnis produkto tankinimas dėl susitraukimo, būdingo sukepinant skystoje fazėje, terminis rišiklio ir viso produkto kietėjimas.

Atkaitinimo poreikis prieš presavimą atsiranda dėl to, kad aglomeruotuose mišiniuose yra daug lakiųjų komponentų, kurie neleidžia efektyviai presuoti. Aukštesnė atkaitinimo temperatūra gali sukelti nepageidaujamus priešlaikinio rišiklio kietėjimo procesus atskiruose mišinio mikrotūriuose, o žemesnės temperatūros atkaitinimas yra neveiksmingas.

Svarbus parametras yra presavimo slėgis. Anglies dispersinių užpildų ir termoreaktyvaus rišiklio mišiniams presavimo slėgis priklauso nuo konkretaus užpildo tipo ir neturi viršyti reikšmės, kurią viršijus skystas rišiklis išspaudžiamas iš mišinio – 20 MPa. Žemas spaudimo slėgis (mažiau nei 15 MPa) neužtikrina veiksmingo PSU sandarinimo, ypač srovę nešančių iškyšų srityje.

Atliekant presavimą tuo pačiu metu, kai kaitinant formą su kietėjimo mišiniu, galima įgyvendinti 4 aukščiau pateiktos reiškinių sekos etapą formuojant plokšteles.

Dvipolio plokštės konstrukcija iliustruota brėžiniais, kuriuose parodyta 1 pav bendra forma bipolinė plokštė, o 2 paveikslas - plokštės pjūvis išilgai A-A su srovę nešančiomis iškyšomis, pagamintomis, pavyzdžiui, cilindro pavidalu, 3 paveiksle - plokštės pjūvis išilgai A-A su srovę nešančiomis iškyšomis, padarytos tokios formos pavyzdžiui, kūgio ar piramidžių.

Dvipolė plokštė susideda iš centrinės dalies 1 ir periferinės dalies 2. Centrinėje dalyje yra iškyšos 3, kurių viršūnės yra vienoje plokštumoje su periferine dalimi, kurių aukštis yra 0,3–2 mm, o skersmuo – 0,5–3,0 mm. bazė. Iškyšos yra išdėstytos tiesine tvarka vertikaliai ir horizontaliai 1,0-4,0 mm žingsniu ir leidžia, esant didesniam dujinių reagentų srautų išvystytam plotui ir tūriui, paskirstyti susidariusius įtempius (slėgius) visomis kryptimis. Galimas šachmatinis, rombinis, apskritas, spiralinis ar labirintinis iškyšų išdėstymas. Ir patys išsikišimai gali būti cilindro, nupjautos piramidės, prizmės ir (arba) nupjauto kūgio formos. Eksperimentiškai nustatyta, kad priklausomai nuo sumažėjusių iškyšų skersmenų, jų aukščio ir žingsnio tarp išsikišimų centrų, skiriasi optimali srovę nešančių iškyšų forma, nes jos optimizuoja reagentų srautus, šilumos perdavimo efektyvumą ir elektrinį laidumą. įvairiais būdais. Taigi, ypač 1 mm žingsniui, nupjautos piramidės forma yra optimali. Iškyšoms, kurių pagrindo skersmuo yra 0,5 mm, optimali elipsės forma. Srovę nešančioms iškyšoms, kurių aukštis 0,3 mm, cilindro forma yra optimali. Tam tikriems darbo režimams (srovės stiprumui, įtampai, reagento srautui, elementų dydžiui ir kt.) optimalios srovės iškyšų formos ir jų geometrinių matmenų parinkimas atliekamas individualiai.

Bipolinės plokštės gaminamos taip.

Anglies dalelių komponentų derinys sumaišomas, kad susidarytų vienalytis mišinys su tam tikru kiekiu termoreaktingos dervos tirpalo. Grafitas, suodžiai, smulkintas pluoštas, smulkintas koksas ir kt. gali būti anglies išsklaidytų komponentų pavidalu. Paruoštas mišinys periodiškai maišant džiovinamas kambario temperatūroje, kad būtų pašalintas pagrindinis lakiųjų komponentų kiekis. Taigi galima gauti pusgaminį, pavyzdžiui, granulių pavidalu tolesniam BP gamybos procesui. Toliau, po vizualinio patikrinimo, sausas mišinys atkaitinamas 50-60°C žemesnėje nei termoreaktingoji temperatūra. Tada atkaitintas mišinys 15-20 MPa slėgiu presuojamas formoje, kurios štampuose daromos įdubos, kurios spaudžiant ir kietinant suformuoja srovę tekančias iškyšas. Vienu metu su presavimu forma su mišiniu kaitinama nuo atkaitinimo temperatūros iki kietėjimo temperatūros. Palaikius 0,5-1 h kietėjimo temperatūroje, forma išimama iš preso ir atšaldoma ore, o po to specialiu įrankiu išspaudžiama.

Svarbi bipolinės plokštės savybė yra jos paviršiaus struktūra. Norint gauti aukštesnes kuro elemento charakteristikas, patartina, kad paviršius, kuriuo darbinės dujos praeina tarp srovę nešančių iškyšų, būtų tam tikro šiurkštumo ir mikroporingumo. Tokiu atveju dėl dujų reakcijos susidaręs vanduo iš dalies kaupiasi paviršinėse porose ir taip padidina dujų drėgmę, o tai teigiamai veikia specifines kuro elemento energetines charakteristikas. Norima paviršiaus sluoksnio struktūra pagal siūlomą metodą, priešingai nei prototipas, susidaro įvedant į pradinio presavimo mišinio sudėtį 0,1-3,0 % (masės) kieto komponento atžvilgiu. pučiamosios medžiagos (amonio karbonato, polietilenglikolio, polietileno) mišinys ("t"). Poras formuojantis agentas, įdėtas į pradinio vandens nusodinimo mišinio sudėtį, neturi įtakos rišiklio kietėjimui ir, suyra termiškai apdorojant, spaudžiant kietėjimo metu, sudaro mikroporėtą plokštės, taigi ir paviršiaus struktūrą. sluoksnis (iki 1–2 μm gylio).

Porų formuotojo kiekio sumažėjimas mažiau nei 0,1 % praktiškai neturi įtakos paviršinio sluoksnio mikroporingumui ir šiurkštumui, o padidinti porų formuotojo kiekį daugiau nei 3,0 % yra nepraktiškas dėl sumažėjusio mechaninio stiprumo ir galimas plokščių pralaidumas.

Bipolinės plokštės gavimo būdas iliustruojamas šiais pavyzdžiais.

1 pavyzdys. Vieno PSU (su cilindrinėmis srovės iškyšomis, išdėstytomis tiesiškai, skersmuo 0,5 mm, aukštis 0,5 mm, atstumas tarp išsikišimų centrų 1,0 mm) gamybai, kurio dydis 100 × 100 mm, storis 7 mm ir masė 115 g, paruoškite tokios sudėties mišinį, kurio santykis "t:l" = 1,33:3,00

Grafito prekės ženklas KS-10 - 98 g

Suodžių prekės ženklas PM-100 - 1 g

Bakelito lako prekės ženklas LBS-1 - 34 g

Acetonas - 300 g.

Matavimo puodelyje sumaišykite nurodytą kiekį bakelito lako ir, pavyzdžiui, acetono iki vienodos spalvos tirpalo. Pasverta grafito miltelių ir suodžių dalis iš anksto sausai sumaišoma, kol gaunamas vienalytis mišinys. Tada miltelių mišinys ir bakelito lako tirpalas dedamas į maišymo indą ir mechaniškai maišomas 5-10 minučių iki vientisumo. Tada mišinys paliekamas po gartraukio grimzle džiūti kambario temperatūroje 12-15 valandų, kol vizualiai išdžius, nes išdžiūsta, periodiškai maišant mišinį ir pertrinant didelius (daugiau nei 2-3 mm) aglomeratus. metalinis tinklelis, kurio ląstelės dydis 2 mm. Dalis sauso mišinio supilama į formą, forma dedama į orkaitę ir kaitinama iki 90°C 13,5-14 val., po to palaikoma šioje temperatūroje 2 val.. Tada nuimamas įkrovimas. iš orkaitės ir dedamas į įkaitintą iki 170°C hidraulinį presą. Spausti ant preso trūktelėjimais (toks pakrovimo greitis) 1-2 sekundes iki maždaug 22 tonų jėgos. Po maždaug 5 sekundžių poveikio jėga vėl padidinama iki 22-25 tonų. Narvas paliekamas po spaudžiame 1 valandą, po to forma išimama iš preso ir paliekama atvėsti kambario temperatūroje. Po aušinimo forma iškraunama rankiniu sraigtiniu presu, naudojant 4 plieninius ežektorius. Vizualinis valdymas BP kokybė rodo, kad plokštės paviršiuje nėra įbrėžimų, defektų ir įtrūkimų (įskaitant srovę nešančių išsikišimų srityje), BP medžiagos atsisluoksniavimą ties riba tarp srovės srities. nešantis išsikišimus ir BP pagrindą. Apžiūrint plokštę po stiprumo bandymo (plokštė dedama tarp plieninių plokščių ir veikiama 5 tonų jėga (slėgis 5 MPa), kuri atitinka darbo jėgą kuro elemente 1 val.), nesikeičia arba buvo rasti defektai. Tūrio savitoji vertė buvo 0,025 omo cm.

2 pavyzdys. Dvipolė plokštė pagaminta iš kompozicijos ir pagal metodą, panašų į 1 pavyzdį su iškyšomis, turinčiomis nupjauto kūgio formą, kurios skersmuo prie pagrindo 3,0 mm, viršuje 2,5 mm, aukštis 2,0 mm , kurių atstumas tarp iškyšų centrų 4 ,0 mm.

Prieš ir po stiprumo bandymų paviršiaus defektų ir išsikišimų neaptinkama. Tūrinės varžos vertė yra 0,030 Ohm·cm.

3 pavyzdys. Bipolinė plokštelė yra pagaminta pagal konfigūraciją ir pagal procedūrą, panašią į 1 pavyzdį, tačiau kaip termoreaktyvioji rišiklis naudojamas epoksifenolio rišiklis Nr. 560, pagamintas FGUP SSC VIAM, kurio kiekis yra 31 g.

Prieš ir po stiprumo bandymų paviršiaus defektų ir išsikišimų neaptinkama. Tūrinės varžos vertė yra 0,017 Ohm·cm.

4 pavyzdys. Pagaminta dvipolė plokštė su konfigūracija ir pagal metodą, panašų į 1 pavyzdį, į pradinį presavimo mišinį pridedama pūtimo agento - polietileno miltelių. aukštas spaudimas 3,5 g (3,0 masės %). Prieš ir po stiprumo bandymų paviršiaus defektų ir išsikišimų neaptinkama. Tūrinės varžos vertė yra 0,028 Ohm·cm. Paviršinio sluoksnio (iki 100 µm gylio) poringumas, matuojant vandens sorbcijos metodu, yra 2,8%.

5 pavyzdys Iš kompozicijos ir pagal 9 pavyzdyje aprašytą procedūrą buvo pagaminta bipolinė plokštė, kurios konfigūracija panaši į 1 pavyzdį.

Iki stiprumo bandymų buvo rasta iki 10% suardytų ir defektuotų iškyšų, po kurių sunaikintų išsikišimų skaičius yra apie 30%. Tūrinės varžos vertė yra 0,025 Ohm·cm.

6 pavyzdys Dvipolė plokštė pagaminta pagal konfigūraciją, panašią į 1 pavyzdį (srovę nešančios iškyšos išdėstytos tiesiškai) ir bandoma kuro elemente tokiomis sąlygomis:

Membrana – MF4-SK 135 mikronų storio

Katalizatorius - Pt 40 /C 2,5 mg / cm2

Kuras – vandenilis esant 2 ati slėgiui

Oksidatorius - deguonis, esant 3 ati slėgiui

Celės darbinė temperatūra - 85°С

Reakcija prie anodo: H2 → 2H + + 2e -

Reakcija prie katodo: O 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O

Bendra reakcija: O 2 + 2H 2 → 2H 2 O

Esant 0,7 V įtampai, didžiausias srovės tankis yra 1,1 A/cm2.

7 pavyzdys Dvipolė plokštė pagaminta pagal konfigūraciją ir procedūrą, panašią į 1 pavyzdį, tačiau srovės iškyšos yra rombinės ir išbandytos kuro elemente panašiomis sąlygomis kaip 6 pavyzdyje. Esant 0,7 V įtampai, didžiausias srovės tankis yra 1,25 A/cm 2 .

8 pavyzdys. Dvipolė plokštė pagaminta iš kompozicijos ir pagal metodą, panašų į 1 pavyzdį, iškyšos daromos prizmės pavidalu, kurios skersmuo 2 mm, aukštis 1,5 mm, atstumas tarp centrų 3,0 mm iškyšų, o srovės nešančios iškyšos išdėstytos rombiškai ir bandymai atliekami elemento kuro elemente tokiomis sąlygomis kaip 6 pavyzdyje. Esant 0,7 V įtampai, didžiausias srovės tankis buvo 0,95 A/cm 2 .

9 pavyzdys Pagaminta dvipolė plokštė, kurios konfigūracija yra panaši į žinomą techninį sprendimą iš kompozicijos ir pagal 9 pavyzdyje aprašytą procedūrą, bandymai atliekami kuro elemente tokiomis sąlygomis kaip 6 pavyzdyje. Esant 0,7 įtampai V, didžiausias srovės tankis buvo 0,9 A /cm 2 . Eksperimentiškai nustatyta, kad priklausomai nuo sumažėjusių iškyšų skersmenų, jų aukščio ir žingsnio tarp išsikišimų centrų, skiriasi optimali srovę nešančių iškyšų forma, nes jos optimizuoja reagentų srautus, šilumos mainų efektyvumą. , ir elektrinis laidumas įvairiais būdais. Taigi, ypač 1 mm žingsniui, nupjautos piramidės forma yra optimali. Iškyšoms, kurių pagrindo skersmuo yra 0,5 mm, elipsės forma yra optimali. Srovę nešančioms iškyšoms, kurių aukštis 0,3 mm, cilindro forma yra optimali. Tam tikriems darbo režimams (srovės stiprumui, įtampai, reagento srautui, elementų dydžiui ir kt.) optimalios srovės iškyšų formos ir jų geometrinių matmenų parinkimas atliekamas individualiai.

POVEIKIS: išradimas leidžia išplėsti dvipolių plokščių ir viso kuro elemento funkcionalumą, pagerinti eksploatacines savybes ir charakteristikas bei gauti dvipolies plokštes su savavališkos formos ir išdėstymo srovę nešančiomis iškyšomis, kurių išsikišimo aukštis nuo 0,3 iki 2,0 mm. kaip reagento transportavimo ir šalinimo reakcijos produktų efektyvumo didinimas, atsparumo korozijai didinimas išilgai periferijos su technologine apkrova, kuri yra vientisa visuma su centrine elektrai laidžia dalimi, kuri turi funkcinę apkrovą.

1. Dvipolė kuro elemento plokštė, susidedanti iš periferinių dalių su skylutėmis ir centrinės dalies su srovę nešančiomis iškyšomis, kurių viršūnės yra vienoje plokštumoje su periferinėmis dalimis, besiskirianti tuo, kad srovę nešantys iškyšos yra pagamintas su tam tikru pagrindo plotu, kurio sumažintas skersmuo prie pagrindo yra 0,5–3,0 mm, aukštis nuo 0,3 iki 2,0 mm ir pakopa tarp srovę nešančių iškyšų centrų yra 1,0–4,0 mm.

2. Dvipolė plokštė pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad srovę nešančios iškyšos yra sudarytos su pagrindu apskritimo, kvadrato, stačiakampio, elipsės, rombo, arba trapecijos formos. arba jų deriniai.

Kuro elementų kūrimas šiandien yra bene geidžiamiausia technologija transporto pramonėje, nes kūrėjai kasmet išleidžia milžiniškas sumas ieškodami perspektyvios alternatyvos (arba papildymo) vidaus degimo varikliui. Per pastaruosius kelerius metus „Dana“ inžinieriai sutelkė savo gamybos ir inžinerines galimybes siekdami sumažinti transporto priemonės priklausomybę nuo tradicinių energijos šaltinių. Per visą žmonijos istoriją pagrindiniai energijos šaltiniai keitėsi iš kietojo kuro (tokio kaip mediena ir anglis) į skystąjį (naftą). Ateinančiais metais, kaip daugelis mano, dujiniai produktai palaipsniui taps dominuojančiu energijos šaltiniu visame pasaulyje.

Trumpai tariant, kuro elementas yra elektrocheminis įrenginys, kuris cheminės reakcijos energiją tiesiogiai paverčia elektra, šiluma ir pelenais. Šis procesas pasikeičia į geresnė pusė mažas tradicinės termomechaninės energijos nešiklio transformacijos efektyvumas.

Ryžiai. kuro elementų transporto priemonė

Vandenilis yra pirmasis atsinaujinančio dujinio kuro pavyzdys, leidžiantis tokią reakciją ir galiausiai elektros energiją. Ir šis procesas neteršia aplinkos.

Tipiškas kuro elemento modelis, kuriame naudojama vandenilio energija, apima vandenilį, tekantį link kuro elemento anodo, kur elektrocheminio proceso metu, dalyvaujant platinos katalizatoriui, vandenilio molekulės suskaidomos į elektronus ir teigiamai įkrautus jonus. Elektronai eina ir apeina protonų mainų membraną (PEM), taip generuodami elektros. Tuo pačiu metu teigiami vandenilio jonai toliau difunduoja per kuro elementą per PEM. Tada elektronai ir teigiami vandenilio jonai jungiasi su deguonimi katodo pusėje, sudarydami vandenį ir generuodami šilumą. Skirtingai nuo tradicinio automobilio su vidaus degimo varikliu, čia elektra kaupiama akumuliatoriuose arba patenka tiesiai į traukos variklius, kurie savo ruožtu varo ratus.

Viena iš kuro elementų sistemų kliūčių yra tai, kad šiuo metu trūksta infrastruktūros, leidžiančios gaminti arba tiekti pakankamą kiekį vandenilio. Dėl to konkrečios kuro elementuose naudojamo kuro prieinamumas išlieka pagrindine neišspręsta problema. Benzinas ir metanolis yra labiausiai tikėtini kuro elementų energijos nešėjai. Tačiau kiekvienas kuras vis dar susiduria su savo iššūkiais.

Šiuo metu kuriama technologija, skirta kompozitiniams tinkleliu lituotoms dvipolioms plokštėms, vamzdžiams ir integruotiems izoliatoriams. Inžinieriai kuria metalines dvipolies plokštes su specialiomis dangomis, aukštos temperatūros srovės regiono kanalus, aukštos temperatūros izoliatorius ir aukštos temperatūros ekranavimą. Jie taip pat kuria kuro procesorių, garo kondensatorių, pašildytuvų ir aušinimo modulių su integruotais ventiliatoriais ir varikliais valdymo metodus ir projektus. Kuriami vandenilio, anglies turinčių skysčių, dejonizuoto vandens ir oro transportavimo sprendimai į įvairias sistemos dalis. Dana filtravimo komanda kuria filtrus kuro elementų sistemos oro įleidimo angai.

Pripažįstama, kad vandenilis yra ateities kuras. Taip pat įprasta manyti, kad kuro elementai ilgainiui turės didelę įtaką automobilių pramonei.

Automobiliai ir sunkvežimiai su papildomais kuro elementais, maitinančiais oro kondicionavimo sistemą ir kitą elektroniką, turėtų išriedėti į kelius netrukus.

Ryžiai. Kuro elementai ant automobilio (

Siūlomas išradimas yra susijęs su bipolinėmis kuro elementų (FC) plokštėmis. Siūlomoje apvalios formos bipolinėje TE plokštėje yra skiriamosios plokštės, turinčios vidurinę zoną, kurioje kanalai yra išilgai centrinę zoną ribojančio apskritimo evoliucijų, o perimetras, išilgai kurio yra pastatytos evoliucijos, yra lygus evoliucijų skaičiaus sandaugai. kanalų per žingsnį, o kanalo pakopa yra vienoda išilgai perimetro, centrinė zona, apimanti evoliucinių kanalų vidinius galus ir kanalų kraštai ant plokščių yra išdėstyti taip, kad surinkimo metu jie susikerta, sudarydami plokščius centriniai kolektoriai – periferinė žiedinė zona, susidedanti iš susikertančių kanalų ir kūginių išsikišimų, per kuriuos organizuojamas reagentų tiekimas ir pašalinimas bei aušinimo skysčio į atitinkamų evoliucinių kanalų išorinius galus. Atskyrimo plokštės išilgai periferijos ir periferinis sandarinimo kraštas turi išilgai periferijos sutampančių angų, kurios, surenkant kuro elementų akumuliatorių, suformuoja kolektoriaus kanalus oksidatoriaus, kuro ir aušinimo skysčio tiekimui horizontaliais kanalais į skiriamųjų plokščių periferinę žiedinę zoną. o toliau į atitinkamas ertmes ir iš jų pašalinant reagentus. Išradimo techninis rezultatas yra standžios ir lengvos metalinės apvalios formos bipolinės plokštės, užtikrinančios vienodą kuro, oksidatoriaus ir aušinimo skysčio pašalinimą ir tiekimą visame kuro elemento plote, sukūrimas. 3 w.p. f-ly, 6 lig.

RF patento 2516245 brėžiniai

Nurodytas techninis sprendimas yra susijęs su tiesioginio cheminės energijos pavertimo elektros energija sritimi, ypač su dvipolio kuro elemento (FC) plokštės projektavimu.

Yra žinoma daugybė kuro elementų projektavimo variantų, kuriuose naudojamos stačiakampės bipolinės plokštės.

Vienas iš tokių bipolinių plokščių analogų yra kuro elementas su protonų mainų membrana, aprašytas JAV patente Nr. 6261710 (IPK klasė H01M 8/02, prioriteto data 1998-11-25). Pagal šį išradimą dvipolio plokštę sudaro viršutinės ir apatinės atskiriančios skardos plokštės, kuriose yra įspausti tiesūs kanalai su trikampiu profiliu. Kanalai skirti kuro, oksidatoriaus ir aušalo tiekimui ir šalinimui.

Surinkimo metu susiliečiant atskyrimo plokštėms, tarp jų susidaro vidinė aušalo ertmė, o išoriniai kanalai sudaro kuro ir oksidatoriaus ertmes. Dvipolėje plokštėje taip pat yra periferinė sandarinimo tarpinė.

Analogo trūkumai, būtent padidėjęs svoris, matmenys ir didelis sandarinimo perimetras, yra susiję su stačiakampe bipolinės plokštės forma. Yra žinoma, kad apskritimas yra minimalaus ilgio linija, ribojanti visą tam tikros formos paviršių. Mažiausią masę, matmenis ir sandarinimo perimetrą gali turėti tik apvalios bipolinės plokštės, taigi ir jų pagrindu sukurtas kuro elementų kaminas.

Arčiausiai reikalaujamo techninio sprendimo ir todėl laikomas prototipu, yra kuro elementų baterija su membrana-elektroda ir dvipoliais mazgais (plokštėmis), deklaruota RF patente Nr. 2355072 „Kuro elementų baterija“ (IPC klasė HO1M 8/10, HO1M). 8/ 02, pirmumo data 2007 10 03) . Šioje kuro elementų kaminoje yra apvalių (pagal) komponentų, ypač dvipolių plokščių su kanalais anodo ir katodo dujoms tiekti ir išleisti, skystas aušinimo skystis. Kiekvienas bipolinis mazgas susideda iš gretimų katodo, vidurio ir anodo skiriančių metalinių plokščių. Katodo ir anodo atskyrimo plokštėse yra kanalai, skirti katodo dujoms tiekti į orą, o anodo dujoms – vandenilio elektrodus, o vidurinėje plokštėje – kanalai skysčio aušinimo skysčio cirkuliacijai tarp katodo ir anodo plokščių. Katodinės plokštės kanalai yra spiralių formos, anodo plokštės kanalai yra puslankiu, o vidurinės plokštės kanalai yra arkinių plyšių formos. Katodinis dujų įleidimo kolektorius yra centrinis kanalas, prasiskverbiantis į FC, įskaitant dvipolius mazgus, katodo dujų išleidimo kolektorius yra pagamintas iš plyšio formos kanalo, esančio išilgai akumuliatoriaus generatoriaus. Anodo dujų ir aušalo įleidimo ir išleidimo kolektoriai taip pat pagaminti iš plyšių pavidalo kanalų, išdėstytų priešais išilgai akumuliatoriaus generatorių. Dvipolių mazgų anodo ir katodo plokščių paviršiuje esantys kanalai gali būti pagaminti štampuojant.

Prototipe deklaruojamo techninio sprendimo trūkumai yra tokie.

Pirma, visų trijų ertmių kanalai yra išdėstyti taip, kad jie labai skiriasi ilgiu ir forma. Nevienodas ilgis ir forma sukuria skirtingą hidraulinį kanalų pasipriešinimą reagentų ir aušalo srautui, todėl netolygiai pasiskirsto srovės generavimo reakcija kuro elemento plote.

Ši aplinkybė sumažina kuro elementų efektyvumą ir pablogina kuro elementų kamino atsparumą korozijai, o tai savo ruožtu sumažina jo tarnavimo laiką.

Antra, plyšinių kanalų organizavimas susiliečiant su cilindrinio dielektriko korpuso vidiniu paviršiumi ir išoriniu pakuotės, susidedančios iš membranos-elektrodo ir dvipolių mazgų, vidinio paviršiaus, kurio praktiškai neįmanoma išlyginti, labai apsunkina. kad būtų pasiektas akumuliatoriaus sandarumas.

Siūlomos apvalios dvipolio kuro elemento plokštės konstrukcijos tikslas – sudaryti sąlygas tolygiai paskirstyti reagentus ir šaltnešį kuro elemento zonoje ir supaprastinti sandarumo užtikrinimą surinkimo metu tiek tarp akumuliatoriaus ertmių, tiek kuro. pačios elemento baterijos atžvilgiu išorinė aplinka, be to, užtikrinti reikiamą bipolinės plokštės standumą, o tai ypač svarbu, kai ji pagaminta iš labai plonos lakštinio metalo iki 0,05 mm storio.

Šios problemos sprendimas slypi tame, kad pagal gerai žinomą apvalios formos FC dizainą, kurį sudaro membraninis elektrodas, taip pat bipoliniai mazgai, turintys kanalus anodo, katodo dujų ir aušalo cirkuliacijai. gaunamas štampuojant, su priešingu (priešingu) anodo dujų ir šaltnešio įėjimų ir išėjimų išdėstymu, angomis dvipolių mazgų tvirtinimui ir centravimui baterijų surinkimo metu, pagal siūlomą techninį sprendimą keičiama kanalų forma, skaičius Bipoliniame bloke skiriamųjų plokščių skaičius sumažinamas iki dviejų, nes neįtraukta centrinės plokštės, o vietoj penkių plyšių ir vieno apvalaus centrinio kanalo (kolektorių) katodo ir anodo dujų bei šaltnešio įvestis ir išvestis yra daug Apvalios formos kuro elemento bipolinės plokštės periferiniame krašte yra įrengti skylutėmis suformuoti katodo, anodo dujų ir šaltnešio įėjimo ir išėjimo kolektoriai.

Pagal pateiktą techninį sprendimą, vietoj spiralinių (katodinių dujų), pusapvalių (anodinių dujų) ir lankinių (šaltnešiui) kanalų abiejų reagentų ir šaltnešio kanalai išradimo FC bipolinėje plokštėje yra apvalios formos, pagaminti. išilgai apskritimo, ribojančio centrinę zoną, involiucijos ir yra tolygiai išdėstytos visoje srityje. Vidiniai evoliucinių kanalų galai yra sujungti su centrine zona, o išoriniai evoliucinių kanalų galai periferinėje žiedinėje zonoje yra sujungti horizontaliais kanalais su kolektoriaus angomis, pavyzdžiui, trapecijos formos, esančiomis aplink periferinę perimetrą. bipolinės FC plokštės sandarinimo kraštas. Tik naudojant šią konstrukciją galima gauti vienodo ilgio ir tokios pačios formos kanalus apvalioms dvipolioms FC plokštėms. Perimetras, išilgai kurio pastatytos evoliucijos, yra lygus kanalų skaičiaus viename žingsnyje sandaugai, o kanalo žingsnis yra vienodas išilgai perimetro, todėl kanalus sudarančių briaunų storiai yra vienodi, o visi kanalai turi ta pati hidraulinė varža, kuri užtikrina aukštą elektrocheminės srovės generavimo reakcijos pagal kuro elemento sritį tolygumą ir dėl to didelį viso kuro elementų kamino efektyvumą.

Kuro, oksidatoriaus ir aušinimo skysčio kanalai yra įspausti dviejose plono lakštinio metalo skiriamosiose plokštėse, kurios yra FC bipolinės plokštės dalis. Abi skiriamosios plokštės (anodas ir katodas) yra tvirtai sujungtos viena su kita, pavyzdžiui, lituojamos visuose sąlyčio taškuose. Taip pat sulituojamos visos vietos, kur dalys liečiasi su sandarinimo periferiniu kraštu.

Centrinėje, apvalioje TE bipolinės plokštės zonoje nėra evoliucinių kanalų. Reagentų ir aušinimo skysčio tekėjimo kanalai centrinėje zonoje organizuojami naudojant atskirus prailgintus briaunelius, kurių ilgis, forma ir santykinė padėtis užtikrina visišką dujų ir aušinimo skysčio, patenkančio iš visų evoliucinių kanalų, susimaišymą ir koncentracijos vidurkį. Siekiant užtikrinti konstrukcijos standumą centrinėje zonoje, bipolinės plokštės anodo ir katodo skiriamųjų plokščių briaunelės yra išdėstytos taip, kad jos susikerta, sudarydamos savotišką tinklelį.

FC bipolinės plokštės periferinėje žiedinėje zonoje reagentų ir aušinimo skysčio cirkuliacija taip pat organizuojama briaunų pagalba. Anodo ir katodo atskyrimo plokščių briaunelės, siekiant užtikrinti dvipolio plokštės standumą šioje srityje, taip pat išdėstytos taip, kad jos susikirstų viena su kita, užtikrindamos šios sekcijos standumą.

Vertikalūs kolektoriai, skirti tiekti ir pašalinti reagentus ir šaltnešį FC akumuliatoriuje, susidaro FC akumuliatoriaus surinkimo metu iš skylių, esančių apvalios FC bipolinės plokštės periferiniame sandarinimo krašte.

Pakuotė, kurią sudaro membranos-elektrodų mazgai ir apvalios formos bipolinės FC plokštės, užsandarinama išilgai jų kraštų, pavyzdžiui, sandarikliu arba klijais.

Taigi nurodytas techninis sprendimas užtikrina tolygų reagento ir aušinimo skysčio srautų pasiskirstymą visame kuro elementų plote, patikimą anodo, katodo ir aušinimo skysčio ertmių sandarinimą tarp jų ir visų ertmių, palyginti su išorine aplinka, reikiamą standumą ir stiprumą. bipolinės kuro elementų plokštės, pagamintos iš specialiai plonų lakštų.

Siūlomas techninis sprendimas pateiktas toliau pateiktuose paveikslėliuose. 1 pav. Bendras siūlomos dvipolio plokštės TE apvalios formos vaizdas. 2 paveikslas - evoliucinių kanalų vidurinė zona didesniu mastu. 3 paveiksle parodytas evoliucinių kanalų vidurinės zonos skerspjūvis. 4 paveiksle parodyta centrinė zona didesniu masteliu. Fig.5 - padidintas periferinės žiedinės zonos fragmentas su sandarinančia periferine briauna. Fig.6 - kuro elementas pjūvis išilgai anodo ertmės.

Bipolinės plokštės TE apvalios formos (1 pav.) yra šios zonos: faktiniai evoliuciniai kanalai - viduriniai (1), periferiniai žiediniai (2), kuriuose išoriniai evoliucinių kanalų galai yra sujungti su kolektoriaus angomis periferiniame sandarinimo krašte. , centrinis (3), kur eina vidiniai evoliucinių kanalų galai, taip pat periferinė sandarinimo briauna (4). 1 paveiksle vidurinė (evoliucinė) zona (1) ir periferinė žiedinė zona (2) pavaizduotos nevisiškai; Tiesą sakant, jie tolygiai padengia visą išradingos apvalios formos bipolinės FC plokštės paviršiaus plotą.

2 paveiksle vidurinė evoliucinių kanalų (1) zona parodyta didesniu masteliu, kad būtų parodyti jos kanalai (5) ir briaunelės (išsipūtimai) (6).

Evoliucinių kanalų vidurinės zonos skerspjūvis (3 pav.) leidžia suprasti, kaip yra sujungtos anodo (8) ir katodo (9) skiriamosios plokštės, pavyzdžiui, sulituojamos viena su kita (lituojama siūlė žymima 7 padėtis), tarp jų vidinių paviršių sudaro ertmę šaltnešiui cirkuliuoti (dešimt). Katodo (9) ir anodo (8) skiriamųjų plokščių išoriniai paviršiai sudaro kanalus, kuriais atitinkamai cirkuliuoja kuras (11) ir oksidatorius (12).

4 paveiksle parodyta atskyrimo plokštės katodo (13) kanalų briaunų (ištisinės linijos) ir atskyrimo plokštės anodo (14) (punktyrinės linijos) vieta centrinėje zonoje. Abiejų plokščių centrinės zonos kanalai išdėstyti taip, kad montuojant bipolinę FC plokštę, kanalai susikerta, suformuodami plokščią centrinį kolektorių, kuris padeda tolygiai paskirstyti kurą, oksidatorių ir aušinimo skystį centrinėje zonoje. Be to, toks kanalų išdėstymas leidžia sustiprinti bipolinės plokštės centrinę zoną (3). 4 paveiksle taip pat parodyta, kaip evoliuciniai kanalai (5) ir jų briaunos (6) susijungia su centrinės zonos kanalais ir briaunomis.

5 paveiksle parodyta, kaip anodo (15) kanalų briaunelės ir katodo (16) skiriančių plokščių kanalų briaunos susikerta dvipolės apvalios formos FC plokštės periferinėje žiedinėje zonoje (2), užtikrindamos jos standumas ir stiprumas šioje zonoje. Kanalo briaunelės (15 ir 16) kartu su kūginėmis iškyšomis (17) sudaro tam tikrus plokščius kolektorius, kurie tolygiai paskirsto degalus, oksidatorių ir aušinimo skystį prie įėjimo į atitinkamų evoliucinių kanalų išorinius galus vidurinėje evoliucinių kanalų zonoje (1). ) apvalios formos bipolinės FC plokštės ir išėjimas iš jų. Skylės (18) periferiniame sandarinimo krašte (4) ir išilgai anodo (8) ir katodo (9) skiriančių plokščių periferijos, pavyzdžiui, trapecijos formos, sudaro vertikalius kolektoriaus kanalus montuojant kuro elementų kaminą tiekimui ir tiekimui. ištraukiant reagentus ir FC reagentus į atitinkamas dvipolio plokštelinio šaltnešio ertmes horizontaliais kanalais (19) ir per angas, skirtas tvirtinti ir centruoti dvipolius mazgus montuojant akumuliatorių (20), tvirtinimo detalės praeina, pavyzdžiui, per smeiges (strypo spyruokles), kurios priveržkite kuro elementus į kuro elementų akumuliatorių. Dvipolių mazgų tvirtinimo ir centravimo skylės montuojant akumuliatorių (20) yra tolygiai išdėstytos aplink apvalios formos FC bipolinės plokštės perimetrą ir jų gali būti, pavyzdžiui, trys.

6 pav. pateiktas viso kuro elemento pjūvis vaizdas. FC yra dvipolė plokštė (21), kurią sudaro anodą (8) ir katodą (9) skiriančios plokštės, sudarančios kanalus šaltnešio (10) cirkuliacijai tarpusavyje ir kartu su anodu (22) ir katodu (23). kuro cirkuliacijos kanalai (11) ir oksidatoriaus (12) cirkuliacijos kanalai. Apvalios formos bipolinės FC plokštės sudėtis taip pat apima periferinį sandarinimo kraštą (4), turintį skylutes, kurių pagalba, montuojant apvalios formos bipolines FC plokštes, vertikalūs kolektoriaus kanalai (24) suformuojami į FC bateriją, iš kurios horizontaliais kanalais (19) patenka reagentai į atitinkamus cirkuliacijos kanalus, pvz., kaip šiuo atveju kuras (11), t.y. prie anodo (22) ir į oksidatoriaus (12) cirkuliacijos kanalus, t.y. prie katodo (23), o šaltnešį į šaltnešio cirkuliacijos kanalą (10). Kuro elemento sudėtis taip pat apima elektrolito membraną (25) su sandarinančiu periferiniu kraštu (26).

Kuro elemento veikimas su išradinga dvipolio plokštės konstrukcija parodytas kuro cirkuliacijos pavyzdyje (6 pav.) ir vyksta taip. Kuras iš vertikalių kolektoriaus kanalų (24) per horizontalius kanalus (19) patenka į periferinės žiedinės zonos (2) plokščiuosius kolektorius ir yra tolygiai paskirstomas išilgai evoliucinio kanalo vidurinės zonos evoliucinių kuro cirkuliacijos kanalų (11). (1), iš evoliucinio kanalo (1) vidurinės zonos degalai patenka į centrinės zonos (3) kanalus, kuriuose susimaišo degalai, gaunami iš visų vidurinės zonos (1) evoliucinių kanalų. jo komponentų, ypač priemaišų, tokių kaip anglies dioksidas, anglies monoksidas ir kt., koncentracija garantuojama, kad priemaišos išlygins tuo atveju, kai kaip kuras naudojamas vandenilis, gautas konvertuojant angliavandenilius. Panašiu būdu, bet atvirkštine tvarka, inertiniai komponentai pašalinami iš kuro cirkuliacijos kanalų suformuotos ertmės, esančios priešingoje kuro elemento pusėje su cirkuliuojančiu kuru.

Oksidatorius iš atitinkamo vertikalaus kolektoriaus ir horizontalių kanalų tuo pačiu būdu patenka į panašias ertmės zonas, kurias sudaro oksidatoriaus cirkuliacijos kanalai, apvalios formos kuro elemento bipolinė plokštė. Inertinės priemaišos, esančios oksidatoriuje, panašiai pašalinamos iš priešingos kuro elemento pusės.

Per apvalios formos bipolinės FC plokštės ertmę, suformuotą aušinimo skysčio (10) kanalais, cirkuliuoja šaltnešis, kuris pašalina šilumą, išsiskiriančią vykstant srovę generuojančiai elektrocheminei degalų oksidacijos reakcijai. Sujungti, pavyzdžiui, evoliuciniai kanalai, sulituoti kartu per visą briaunų ilgį vidurinėje zonoje (1), taip pat visose briaunų sankirtose periferinėje žiedinėje (2) ir centrinėje (3) zonoje, suteikia dvipolį. padengti reikiamu standumu ir stiprumu.

Tolygus reagento ir aušinimo skysčio srautų pasiskirstymas FC zonoje, vienodas ir garantuotas pakankamas elektrodų prispaudimas prie matricos, kurį užtikrina dvipolės plokštės standumas ir stiprumas, leido pasiekti aukštas elektrines charakteristikas. kuro elementas.

Nurodytos konstrukcijos šarminio kuro elementų nikelio bipolinės plokštės buvo pagamintos 700 cm 2 ploto elektrodams, o separatoriaus plokštės storis 0,06 mm. Bipolinės plokštės svoris vidutiniškai siekė 150 g. Visos plokštės atitiko projektavimo reikalavimus. Aušinimo skysčio ertmės sandarumas kuro ir oksidatoriaus ertmių atžvilgiu bei visų trijų ertmių sandarumas išorinės aplinkos atžvilgiu, taip pat kuro elementų baterijos, pagamintos naudojant išradingas dvipolies kuro elementų plokštes, atitiko techninius reikalavimus. Techniniai reikalavimai taip pat atitiko visų dvipolių plokščių stiprumą ir standumą, pasižymintį deformacijos nebuvimu esant 3 kg/cm 2 apkrovai. Didelis reagentų ir šaltnešio srautų tolygumas kuro elementų srityje pasireiškė dideliu kuro elementų efektyvumu: kaip kuro elementų baterijų dalis, esant 99°C temperatūrai, kausto kalio koncentracija elektrolite yra 8,3 g. -ekv/l, o deguonies ir vandenilio slėgis yra 4,2 kg/cm 2, vidutinė akumuliatoriaus elemento įtampa buvo 985 mV, kai apkrovos srovės tankis 200 mA/cm 2 , o savitoji galia 0,43 kg TEQ/kW ir 805 mV (0,52 kg TEQ/kW) esant 1000 mA/cm2. FC akumuliatoriuose su mažesniu elektrodų plotu (176 cm2), esant 121°C temperatūrai ir tokiai pačiai elektrolito koncentracijai, dujų slėgiui ir apkrovos srovės tankiui 4200 mA/cm2, vidutinė įtampa buvo 612 mV (0,18 kg TEQ). /kW).

Teikiama konstrukcija leidžia gaminti lengvas kompaktiškas kelių elementų didelio našumo kuro elementų baterijas, galinčias patikimai veikti ilgą laiką tiek esant degalų, oksidatoriaus ir šaltnešio atmosferiniam slėgiui, tiek esant slėgiui. aplinką, gerokai viršijantis atmosferinį, taip pat vakuume. Visa tai leidžia juos naudoti ne tik tradicinėse srityse, bet ir ten, kur reikalingi produktai, pasižymintys dideliu svoriu ir dydžiu, visų pirma erdvėje ir ant povandeninės transporto priemonės.

Informacijos šaltiniai

1. JAV patentas Nr. 6261710 „Metalinio lakštinio dvipolio plokštės dizainas polimerinių elektrolitų membraniniams kuro elementams“, klasė. IPC H01M 2/00, prioriteto data 2001-07-17.

2. RF patentas Nr.2355072 „Kuro elementų akumuliatorius“, klasė. IPC H01M 8/10, H01M 8/02, prioriteto data 2007 10 03.

REIKALAVIMAS

1. Apvalios formos kuro elemento dvipolė plokštė, turinti tarpusavyje sujungtas skiriamąsias plokštes su kanalais kuro, oksidatoriaus ir aušinimo skysčio cirkuliacijai bei priešingą oksidatoriaus, kuro ir aušinimo skysčio įleidimo ir išleidimo angos išdėstymą, b e s i s k i r i a n t i skiriamosios plokštės yra pagamintos taip, kad jos sudarytų vidurinę zoną, kurioje kanalai yra išilgai apskritimo, ribojančio centrinę zoną, evoliucijose, o apskritimo, išilgai kurio pastatytos evoliucijos, ilgis yra lygus gaminiui kanalų skaičiaus žingsnyje, o kanalo žingsnis yra vienodas išilgai perimetro, centrinė zona, apimanti evoliucinių kanalų vidinius galus ir kanalų kraštus, kurie yra ant plokščių taip, kad surinkimo metu jie susikerta, sudarydami plokščius centrinius kolektorius, periferinę žiedinę zoną, susidedančią iš susikertančių kanalų ir kūginių iškyšų, per kurią organizuojamas reagentų ir šaltnešio tiekimas ir pašalinimas į atitinkamų evoliucinių kanalų išorinius galus, o skiriamosios plokštės išilgai periferijos ir periferinis sandarinimo kraštas turi išilgai periferijos sutampančių angų, kurios, montuojant kuro elementų kaminą, sudaro kolektoriaus kanalus oksidatoriaus, kuro ir aušinimo skysčio tiekimui horizontaliais kanalais į periferinę atskyrimo žiedinę zoną. plokšteles ir toliau į atitinkamas ertmes bei pašalinimas iš jų.

2. Apvalios formos dvipolio kuro elemento plokštė pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad skiriamosios plokštės yra išlituotos visuose sąlyčio taškuose ir periferinėje sandarinimo briaunoje.

3. Apvalios formos dvipolio kuro elemento plokštė pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad kolektoriaus angos periferinėje sandarinimo briaunoje ir skiriamųjų plokščių periferijoje yra padarytos trapecijos formos.

4. Apvalios formos dvipolio kuro elemento plokštė pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad skylės akumuliatoriaus tvirtinimui ir centravimui surinkimo metu, esančios tolygiai palei periferinį sandarinimo kraštą ir išilgai skiriamųjų plokščių periferijos, sutampa.