ENERGIE ELECTROCHIMICĂ. 2009. V. 9, nr 3. S.161-165
UDC 66,02; 536,7;
METODE PENTRU TRATAMENTUL DE SUPRAFĂȚĂ AL PĂCILOR BIPOLARE DE TITANIU ALE PILELOR DE COMBUSTIBIL HIDROGEN-AER
M. S. Vlaskin, E. I. Shkolnikov, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov* și V. P. Kharitonov*
Institutul de Probleme Energetice Noi JIHT RAS, Moscova, Rusia *CJSC „Rimos”, Moscova, Rusia E-mail: [email protected]
Primit 11 iunie 2009
Articolul este dedicat studiului influenței tratamentelor de suprafață ale plăcilor bipolare (BP) asupra caracteristicilor electrice specifice ale celulelor de combustie (FC). Studiile au fost efectuate pe plăci pe bază de titan. Sunt luate în considerare două metode de prelucrare a BP: aurirea electrochimică și implantarea ionilor de carbon. Reprezentat scurte descrieri tehnologiile date, precum și metodologia și rezultatele experimentelor. Se arată că atât placarea cu aur, cât și dopajul cu carbon a suprafeței BP-urilor de titan îmbunătățesc caracteristicile electrice ale FC-urilor. Scăderea relativă a rezistențelor ohmice FC în comparație cu plăcile de titan neacoperite a fost de 1,8 pentru aurirea electrochimică și de 1,4 pentru implantarea ionică.
Cuvinte cheie Cuvinte cheie: pile de combustie hidrogen-aer, plăci bipolare pe bază de titan, implantare de carbon, spectroscopie de impedanță.
Lucrarea este dedicată cercetării influenței prelucrărilor superficiale ale plăcilor bipolare (BP) asupra caracteristicilor electrice specifice ale combustibilului ce)(e)(FC). Cercetările au fost efectuate pe plăci pe baza titanului. Două metode de prelucrare a BP sunt luate în considerare: aurirea electrochimică și implantarea ionică a carbonului.În muncă sunt prezentate scurte descrieri ale tehnologiilor rezultate, precum și o tehnică și rezultatele experimentelor.În muncă se arată că pe măsură ce aurirea și implantarea ionică carbon titanic BP se îmbunătățesc caracteristicile electrice FC. Reducerea relativă a rezistenței ohmice FC în comparație cu plăcile titanice „pure” au constituit 1,8 pentru aurirea electrochimică și 1,4 pentru implantarea ionică.
Cuvinte cheie: pile de combustie hidrogen-aer, plăci bipolare pe bază de titan, implantare de carbon, spectroscopie de impedanță.
INTRODUCERE
În prezent, în lume sunt utilizate două tipuri principale de materiale pentru BP: BP din compozite polimerice de carbon sau grafit și BP metal.
Cercetările în domeniul grafitului BP au condus la o îmbunătățire semnificativă a proprietăților fizice și chimice și a caracteristicilor specifice ale acestora. PSU-urile pe bază de grafit sunt mai rezistente la coroziune decât cele din metal, dar principalul lor dezavantaj este încă rezistența lor mecanică slabă, ceea ce împiedică utilizarea lor în celulele de combustie pentru transport și în centralele portabile portabile.
În acest sens, metalele au câteva avantaje incontestabile față de materialele din carbon. Se caracterizează prin conductivitate termică și electrică mai mare, absența porilor, impermeabilitatea la gaz și rezistența mecanică ridicată. PSU-urile din metal sunt, de asemenea, mai economice decât sursele din grafit. Cu toate acestea, toate avantajele de mai sus ale metalelor sunt în mare măsură depreciate de astfel de dezavantaje precum rezistența scăzută la coroziune și rezistența ridicată la contact cu straturile de difuzie a gazului de carbon (GDL).
Cel mai promițător metal ca material pentru fabricarea surselor de alimentare este titanul. Lucrarea prezintă câteva avantaje ale surselor de alimentare cu titan. Titanul are proprietăți mecanice bune, iar contaminarea cu ioni de titan nu este periculoasă pentru catalizatorul unității cu electrozi cu membrană (MEA). Rezistența la coroziune a titanului este, de asemenea, una dintre cele mai mari dintre metale, cu toate acestea, în mediul agresiv al celulei de combustibil, titanul trebuie încă protejat de coroziune. Un factor suplimentar în căutarea acoperirilor pentru titan este rezistența ridicată la contact cu HDS-urile de carbon.
Laboratorul nostru (JIHT RAS Laboratory of Aluminium Hydrogen Energy) este implicat în dezvoltarea surselor de energie portabile bazate pe celule de combustibil hidrogen-aer (HHFC). Titanul a fost ales ca material BP, inclusiv datorită celor de mai sus. Lucrările efectuate de noi anterior au confirmat necesitatea căutării de acoperiri și/sau metode de prelucrare suplimentară a acestuia.
O modalitate binecunoscută de a proteja suprafața titanului este acoperirea cu aur. Această acoperire crește rezistența la coroziune și reduce rezistența ohmică a celulei de combustie, ceea ce duce la o îmbunătățire a caracteristicilor sale electrice. Cu toate acestea, această tehnologie este
© 2009
M. S. VLASKIN, E. I. ȘKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. HARITONOV
costisitoare, în principal din cauza utilizării metalelor prețioase.
În această lucrare, pe lângă aurirea electrochimică, este luată în considerare o metodă de fabricare a unui PB din titan cu prelucrarea sa ulterioară prin implantare ionică. Alierea suprafeței BP cu carbon creează protecție suplimentară împotriva coroziunii și reduce rezistența la contact cu carbon GDS. Această tehnologie promite să reducă costurile de fabricație a PSU-urilor, menținând în același timp caracteristicile electrice ridicate.
Lucrarea prezintă rezultatele experimentelor care compară caracteristicile electrice ale unei surse de alimentare realizate din titan „pur” (adică, fără acoperiri), titan acoperit electrochimic cu aur și titan aliat cu carbon prin metoda implantării ionice.
1. TEHNICA EXPERIMENTALA
Ca caracteristici electrice au fost alese curba curent-tensiune și impedanța FC, cu ajutorul cărora metodele de mai sus de fabricare a unui PSU din titan au fost comparate între ele. Experimentele au fost efectuate pe un impedancemetru specializat Z-500PX (cu funcțiile unui potențiostat) fabricat de Elins LLC. FC a fost încărcat cu o sarcină electronică încorporată în impedanță în modul potențiostatic la tensiuni de 800, 700, 600 și 500 mV. La fiecare tensiune, FC a fost ținut timp de 2000 s pentru a ajunge la o stare staționară, după care a urmat măsurarea impedanței. În fiecare caz, după expunere și
când pila de combustie a ajuns în stare staționară, au fost luate 5 hodografe. La măsurarea impedanței, amplitudinea semnalului de tensiune sinusoidal perturbator a fost de 10 mV, intervalul de frecvență a fost de 105–1 Hz. Curbele curent-tensiune au fost trasate din valori staționare.
Toate experimentele au fost efectuate pe modele HVFE de testare special realizate (Fig. 1). Elementul de testare este un singur MEA, intercalat între două plăci de colectare a curentului, care sunt analoge ale plăcilor de capăt din bateriile FC. Dimensiunea totală a plăcilor colectoare de curent este de 28x22 mm, grosimea de 3 mm fiecare. Pentru comoditatea colectării curente, plăcuțele au „cozi” speciale de 4x4 mm. Dimensiunea suprafetei active 12x18 mm (2,16 cm2). Hidrogenul este furnizat MEA prin placa colectorului de curent anodic și se propagă în funcție de câmpul de curgere dat pe suprafața activă a acestei plăci. Aerul alimentează VVTE datorită convecției naturale. Placa colector catodic are 4 canale cu un diametru de 2 mm cu fante în zona suprafeței active. Lungimea canalului prin care este distribuit aerul este de 22 mm. MEA cu trei elemente sunt fabricate din Mayop 212, cu un consum de catalizator de platină de 0,2 mg/cm2 la anod și 0,5 mg/cm2 la catod.
Test VVTE au fost asamblate din aceleași componente, cu excepția plăcilor colectoare de curent. Trei perechi de plăci colectoare de curent au fost fabricate din titan VT1-0. Prima pereche a fost titan măcinat „pur”.
Orez. 1. Testați celula de combustibil într-o stare pliabilă. Detalii de la stânga la dreapta: placa colector curent anod, etanșare, GDS anod, MEA, HDS catod, etanșare, placă colector curent catodic; jos - șuruburi și piulițe de fixare
plăci, adică fără acoperiri și orice procesare suplimentară. Al doilea a fost acoperit cu aur de 3 um grosime printr-un substrat de nichel de 2 um gros prin metoda electrochimică standard. A treia pereche a fost dopată cu carbon prin implantare ionică.
Proces tehnologic implantarea ionică este cunoscută de aproximativ 50 de ani. Se bazează pe introducerea de ioni accelerați ai unei substanțe în materialul țintă pentru a modifica proprietățile fizice și chimice ale suprafeței sale. Implantarea ionică de titan BP și plăci de capăt a fost efectuată la un stand specializat al CJSC „RIMOS”. Standul este un injector capabil să creeze fascicule de ioni accelerate de diferite substanțe în condiții de vid ridicat fără ulei. Plăcile de titan implantate pe acest suport au rezistență ridicată la coroziune și continuitate de aliere. Plăcile de titan au fost supuse unui tratament cu fascicul de ioni la o energie ionică de 20 keV, o doză de implantare de 1018 cm-2 și o temperatură a produsului procesat de 300 °C ± 10 °C.
Doza de implantare de carbon a fost măsurată de-a lungul adâncimii profilului de distribuție al unei plăci de titan lustruit prin metoda spectrometriei de masă cu ioni secundari pe echipamentul CAMECA 1M84B (Franța). Curba de distribuție a concentrației de carbon în titan este prezentată în fig. 2. Conform figurii, adâncimea stratului de suprafață de carbon este de 200^220 nm, ceea ce este suficient pentru a obține proprietăți fizice și chimice fundamentale ale suprafeței 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
Adâncime, microni
Orez. 2. Curba de distribuție a concentrației de carbon în titan
2. REZULTATE ȘI DISCUȚII
Pe fig. Figura 3 prezintă curbele volt-amperi și curbele de densitate de putere corespunzătoare pentru celulele de combustie cu diferite plăci de colectare a curentului. Valorile absolute ale curentului și puterii sunt legate de suprafața activă MEA, care este de 2,16 cm2. Din figură rezultă clar că atât alierea cu carbon, cât și aurirea electrochimică duce la o îmbunătățire a caracteristicilor specifice ale celulelor de combustie. Trebuie remarcat faptul că caracteristicile volt-amperi afișează simultan pierderi de activare, ohmice și difuzie într-o pile de combustibil. Pierderile de activare sunt asociate cu depășirea barierei energetice a reacțiilor electrodului, pierderile ohmice sunt suma rezistențelor electrice ale fiecăruia dintre straturile FC conductoare electric și rezistențele de contact dintre ele, iar pierderile de difuzie sunt asociate cu o lipsă de alimentare cu reactivi la Regiunea de reacție MEA. În ciuda faptului că în diverse zone densitățile de curent, de regulă, unul dintre cele trei tipuri de pierderi enumerate mai sus, curbele volt-amperi și curbele de densitate de putere nu sunt suficiente pentru a cuantifica una sau alta metodă de procesare a BP (plăci de capăt). În cazul nostru, pierderile ohmice ale FC-urilor sunt de interes. Pierderile de activare și difuzie în prima aproximare pentru toate pilele de combustibil sunt aceleași: pierderi de activare datorate utilizării aceluiași MEA cu același consum de catalizator, pierderi de difuzie datorate aceluiași design al plăcilor colectoare de curent de testare.
Pentru identificarea pierderilor ohmice s-au folosit hodografele impedanței obținute în cursul experimentelor. Rezultatele acestei părți a experimentelor sunt prezentate în Fig. 4. Ca exemplu, figurile arată una dintre cele cinci hodografe luate în fiecare caz după ce FC ajunge în starea staționară.
Spectroscopia de impedanță face posibilă cuantificarea pierderilor electrice ale FC. Lucrările oferă o descriere aceasta metodaîn legătură cu VVTE. În conformitate cu regulile de interpretare a hodografelor, rezistența ohmică este partea reală a impedanței la frecvențe înalte (/ = 105-104 Hz). Valoarea este selectată în punctul de intersecție al hodografului cu axa absciselor (1m R = 0) în regiunea de înaltă frecvență. De asemenea, cu ajutorul hodografelor se constată și capacitatea stratului dublu de pe suprafața electrod/electrolit. Diametrul semicercului hodografului caracterizează rezistența totală la trecerea sarcinii prin acest strat. Pe fig. În gamă sunt prezentate 4 hodografe de impedanță
M. S. VLASKIN, E. I. ȘKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. HARITONOV
Orez. 3. Curbele volt-amperi (a) și curbele corespunzătoare de densitate a puterii (b): - - - titan neacoperit;
W- - titan + C, -■- - titan + N1 + Au
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1t, De la 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
Orez. Fig. 4. Impedanța TE la polarizare constantă, mV: a - 800, b - 700 c - 600, d - 500: - titan neacoperit;
Titan + N1 + Au; o - titan + C
frecvențe de 105-1 Hz, deoarece merită remarcate pierderile de difuzie destul de mari ale celulelor de combustie (peste 2 Ohm-cm2). Totuși, aceasta nu este o consecință a tratamentului de suprafață al plăcilor de titan, ci este asociată cu proiectarea plăcii colectoare de curent catodic și condițiile de convecție naturală atunci când aerul este furnizat către MEA.
Tabelul prezintă valorile absolute ale rezistențelor ohmice în funcție de polarizarea celulei de combustie și de metoda de prelucrare a plăcilor sale colectoare de curent, precum și erorile sistematice ale acestora. Rezultatele indică faptul că placarea cu aur reduce rezistența ohmică totală cu un factor de aproximativ 1,8 în comparație cu titanul neacoperit datorită scăderii pierderilor de contact. Dopajul cu ioni de carbon dă un câștig de aproximativ 1,4 ori, respectiv. Valoarea intervalului de încredere indică precizia ridicată a măsurătorilor valorilor rezistenței ohmice.
Rezistența ohmică a unei celule de combustie (Ohm) cu plăci colectoare de curent din titan neacoperit, titan acoperit electrochimic cu N1, Au și titan dopat cu ioni C+, în funcție de polarizarea celulei de combustie
Tensiune TE eșantion, mV
Titan neacoperit 0,186 0,172 0,172 0,169
Titan+Ni, Au 0,1 0,098 0,097 0,093
Titan+C 0,131 0,13 0,125 0,122
Astfel, s-a dovedit că atât placarea cu aur, cât și aliajul cu carbon de titan BP reduc rezistența la contact cu HDD-urile din carbon. Acoperirea plachetelor cu aur se dovedește a fi puțin mai avantajoasă din punct de vedere al caracteristicilor electrice decât prelucrarea lor prin implantare ionică.
Toate cele de mai sus sugerează că atât una, cât și cealaltă dintre tehnologiile luate în considerare pot fi utilizate pentru procesarea titanului BP.
BIBLIOGRAFIE
1. Middelman E., Kout W, Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de, //J. Surse de putere. 2003 Vol. 118. P. 44-46.
2. Dobrovolsky Yu.A., Ukshe A.E., Levchenko A.V., Arkhangelsky I.V., Ionov S.G., Avdeev V.V., Aldoshin S.M. // Jurnal. Ros. chimic. despre ele. D. I. Mendeleev. 2006. Vol. 1, Nr. 6. S.83-94.
3. S.-Wang H, Peng J., Lui W.-B., Zhang J.-S. // J. Surse de energie. 2006. Vol.162. P.486-491.
4. Davies D.P., Adcock P.L., Turpin M., Rowen S.J., J. Appl. Electrochimie. 2000. Vol.30. P.101-105.
5. E. I. Shkolnikov, M. S. Vlaskin, A. S. Ilyukhin și A. B. Tarasenko, Elektrokhim. energie. 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. Surse de energie. 2008. Vol.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. Vol. 161. P. 168-182.
8. Implantarea ionică în semiconductori și alte materiale: Sat. Artă. M.: Mir, 1980.
9. Pleshivtsev N.V., Bazhin A.I. Fizica impactului fasciculelor de ioni asupra materialelor. M.: Vuzovskaya kniga, 1998.
10. Implantarea ionică. Moscova: Metalurgie, 1985.
11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027 / 24, H01J003 / 04 / Mashkovtsev BN. Metodă de producere a fasciculului de ioni și a unui dispozitiv pentru implementarea acestuia.
12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2/00, A61L2/14 / Kharitonov V.P., Chinenov A.A., Simakov A.I., Samkov A.V. Dispozitiv pentru prelucrarea cu fascicul de ioni a produselor de echipamente medicale.
13. Pat. 2109495 RF, IPC: A61F002/24 / Iosif N.A., Kevorkova R.A.,. Samkov A.V., Simakov A.I., Kharitonov V.P., Chinenov A.A. Valva cardiacă artificială și metoda de fabricare a acesteia.
14. Cooper K.R., Ramani V., Fenton J.M., Kunz H.R. Metode experimentale și analize de date pentru celulele de combustibil cu electroliți polimerici, Scribner Associates, Inc., Illinois, 2005. 122 p.
15. Laboratorul Naţional de Tehnologie Energetică. Fuel Cell Hand Book, ediția a șasea, G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, Virginia de Vest, 2002. 352 p.
Electrozi SOFC produși la Institutul de Fizică a Solid Statelor RAS: verde - anod și negru - catod. Pilele de combustibil sunt amplasate pe plăci bipolare pentru bateriile SOFC
Un prieten de-al meu a vizitat recent Antarctica. O excursie amuzanta! ea a spus afaceri de călătorie este la fel de dezvoltat pentru a aduce călătorul la locul respectiv și a-l lăsa să se bucure de măreția aspră a regiunii polare, fără să înghețe până la moarte. Și acest lucru nu este atât de ușor pe cât ar părea - chiar și luând în considerare tehnologii moderne: electricitatea și căldura în Antarctica își merită greutatea în aur. Judecă singuri, generatoarele diesel convenționale poluează zăpada virgină și necesită livrarea unei cantități mari de combustibil, iar sursele de energie regenerabilă nu sunt încă foarte eficiente. De exemplu, la stația muzeului populară printre turiștii antarctici, toată energia este generată de puterea vântului și a soarelui, dar este răcoare în interiorul muzeului, iar patru îngrijitori fac dușuri exclusiv pe navele care aduc oaspeți la ei.
Problemele cu o sursă de alimentare constantă și neîntreruptă sunt familiare nu numai exploratorilor polari, ci și oricăror producători și oameni care trăiesc în zone îndepărtate.
Acestea pot fi rezolvate prin noi moduri de stocare și generare a energiei, printre care sursele de curent chimic par cele mai promițătoare. În aceste mini-reactoare, energia transformărilor chimice direct, fără transformare în căldură, este transformată în electricitate. Astfel, pierderile și, în consecință, consumul de combustibil sunt reduse drastic.
În sursele de energie chimică pot avea loc diferite reacții și fiecare are propriile sale avantaje și dezavantaje: unele se epuizează rapid, altele pot funcționa doar în anumite condiții, de exemplu, temperaturi ultra-înalte, sau pe un combustibil strict definit, cum ar fi ca hidrogen pur. Un grup de oameni de știință de la Institutul de fizică a stării solide al Academiei Ruse de Științe (ISSP RAS), condus de Serghei Bredikhin a făcut un pariu pe așa-numita pilă de combustibil cu oxid solid (SOFC). Oamenii de știință sunt încrezători că, cu abordarea corectă, va putea înlocui generatoarele ineficiente din Arctica. Proiectul lor a fost susținut în cadrul Programului țintă federal „Cercetare și dezvoltare pentru 2014-2020”.
Sergey Bredikhin, șeful proiectului FTP „Dezvoltarea unei tehnologii scalabile de laborator pentru fabricarea SOFC-urilor plane și conceptul de creare pe baza acestora centrale electrice în diverse scopuriși structuri, inclusiv cele hibride, cu fabricarea și testarea unui eșantion experimental la scară mică a unei centrale electrice cu o capacitate de 500 - 2000 W "
Fără zgomot și praf, dar cu retur complet
Astăzi, lupta în industria energetică este pentru o producție de energie utilă: oamenii de știință luptă pentru fiecare procent de eficiență. Generatoarele care funcționează pe principiul arderii interne pe combustibili cu hidrocarburi - păcură, cărbune, gaz natural (cel din urmă tip de combustibil este cel mai ecologic) sunt utilizate pe scară largă. Pierderile în timpul utilizării lor sunt semnificative: chiar și cu optimizarea maximă, eficiența unor astfel de instalații nu depășește 45%. În același timp, în timpul funcționării lor, se formează oxizi de azot (NOx) care, atunci când interacționează cu apa din atmosferă, se transformă în acizi destul de agresivi.
Baterie SOFC sub sarcină mecanică
Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) nu au aceste „efecte secundare”. Astfel de instalații au o eficiență de peste 50% (și aceasta este doar în ceea ce privește producția de energie electrică, iar ținând cont de puterea termică, eficiența poate ajunge la 85-90%) și nu emit compuși periculoși în atmosferă.
„Aceasta este o tehnologie foarte importantă pentru Arctica sau Siberia, unde mediul și problemele legate de livrarea combustibilului sunt deosebit de importante. Deoarece SOFC-urile consumă de câteva ori mai puțin combustibil, a explicat Sergey Bredikhin. „Trebuie să lucreze non-stop, așa că sunt potriviți să lucreze la o stație polară sau un aerodrom din nord.”
Cu un consum relativ redus de combustibil, o astfel de instalație funcționează și fără întreținere până la 3-4 ani. „Generatorul diesel, care este acum cel mai folosit, necesită un schimb de ulei la fiecare mie de ore. Și SOFC lucrează 10-20 de mii de ore fără întreținere”, a subliniat Dmitri Agarkov, cercetător junior la ISSP.
De la idee la baterie
Principiul de funcționare al SOFC este destul de simplu. Sunt o „baterie” în care sunt asamblate mai multe straturi de celule de combustibil cu oxid solid. Fiecare element are un anod și un catod, combustibilul îi este furnizat din partea anodului și aerul este furnizat din partea catodului. Este de remarcat faptul că cel mai potrivit pentru SOFC tipuri diferite combustibili de la hidrogen pur la monoxid de carbon și diverși compuși de hidrocarburi. Ca rezultat al reacțiilor care au loc la anod și catod, oxigenul și combustibilul sunt consumate și se creează un curent ionic între electrozi. Când o baterie este încorporată într-un circuit electric, curentul începe să circule în acel circuit.
Simularea pe computer a distribuției curenților și a câmpurilor de temperatură într-o baterie de SOFC-uri de dimensiunea 100×100 mm.
O caracteristică neplăcută a funcționării SOFC este nevoia de temperaturi ridicate. De exemplu, o probă colectată la Institutul de Fizică a Solidelor, Academia Rusă de Științe, funcționează la 850°C. Să se încălzească Temperatura de Operare, generatorul are nevoie de aproximativ 10 ore, dar apoi va funcționa câțiva ani.
Celulele de oxid solid dezvoltate la Institutul de Fizică a Solid Statelor RAS vor produce până la doi kilowați de energie electrică, în funcție de dimensiunea plăcii de combustibil și de numărul acestor plăci din baterie. Au fost deja asamblate și testate mici machete de baterii de 50 de wați.
O atenție deosebită trebuie acordată plăcilor în sine. O placă este formată din șapte straturi, fiecare dintre ele având propria sa funcție. Două straturi de pe catod și anod catalizează reacția și lasă electronii să treacă, stratul ceramic dintre ele izolează diferite medii (aer și combustibil), dar permite trecerea ionilor de oxigen încărcați. În același timp, membrana în sine trebuie să fie suficient de puternică (ceramica de această grosime se deteriorează foarte ușor), așa că ea însăși constă din trei straturi: cel central oferă necesarul proprietăți fizice- conductivitate ionică ridicată, - și straturile suplimentare depuse pe ambele părți dau rezistență mecanică. Cu toate acestea, o celulă de combustibil este foarte subțire - nu mai mult de 200 de microni grosime.
Straturi SOFC
Dar o singură celulă de combustibil nu este suficientă - întregul sistem trebuie plasat într-un recipient rezistent la căldură, care va rezista la funcționare câțiva ani la o temperatură de 850 ° C. Apropo, ca parte a proiectului, pentru a proteja elementele structurale metalice, oamenii de știință de la Institutul de fizică a stării solide al Academiei Ruse de Științe folosesc acoperiri dezvoltate în cursul unui alt proiect.
„Când am început acest proiect, ne-am confruntat cu faptul că nu avem nimic în țara noastră: fără materii prime, fără adezivi, fără etanșanți”, a spus Bredikhin. „Trebuia să facem totul. Am făcut simulări, exersate pe celule de combustie mici sub formă de pastile. Ne-am dat seama ce ar trebui să fie în ceea ce privește compoziția și configurația și cum ar trebui să fie amplasate.”
În plus, trebuie luat în considerare faptul că pila de combustie funcționează într-un mediu cu temperatură ridicată. Aceasta înseamnă că este necesar să se asigure etanșeitatea, să se verifice că la temperatura țintă materialele nu vor reacționa între ele. O sarcină importantă a fost „sincronizarea” expansiunii tuturor elementelor, deoarece fiecare material are propriul coeficient liniar de dilatare termică, iar dacă ceva nu este coordonat, contactele se pot îndepărta, etanșanții și adezivii se pot rupe. Cercetătorii au primit un brevet pentru fabricarea acestui element.
În drum spre implementare
Acesta este, probabil, motivul pentru care grupul Bredikhin de la Institutul de Fizică a Solidelor a construit un întreg sistem de pregătire pas cu pas a materialelor mai întâi, apoi a plăcilor și, în sfârșit, a pilelor de combustie și a generatoarelor. Pe lângă această aripă aplicată, există și o direcție care se ocupă de știința fundamentală.
În interiorul zidurilor Institutului de Fizică a Solidelor se efectuează un control riguros al calității fiecărui lot de pile de combustie.
Partenerul principal în acest proiect este Centrul de Cercetare de Stat Krylov, care acționează ca dezvoltator principal al centralei electrice, inclusiv dezvoltarea documentației necesare de proiectare și fabricarea hardware-ului la uzina sa pilot. O parte din muncă este realizată de alte organizații. De exemplu, o membrană ceramică care separă catodul și anodul este produsă de compania NEVZ-Ceramics din Novosibirsk.
Apropo, participarea centrului de construcții navale la proiect nu este întâmplătoare. Un alt domeniu promițător de aplicare a SOFC-urilor poate fi submarineși drone subacvatice. Și pentru ei este extrem de important cât timp pot fi complet offline.
Partenerul industrial al proiectului, Fundația Energie fără Frontiere, poate organiza producția de loturi mici de generatoare de doi kilowați la Centrul de Cercetare Krylov, dar oamenii de știință speră la o extindere semnificativă a producției. Potrivit dezvoltatorilor, energia obținută în generatorul SOFC este competitivă chiar și pentru uz casnic în colțurile îndepărtate ale Rusiei. Costul unui kWh pentru ei este de așteptat să fie de aproximativ 25 de ruble, iar cu costul actual al energiei în Yakutia până la 100 de ruble per kWh, un astfel de generator arată foarte atractiv. Piața a fost deja pregătită, Serghei Bredikhin este sigur, principalul lucru este să aveți timp să vă dovediți.
Între timp, companiile străine introduc deja generatoare bazate pe SOFC. Lider în această direcție este americanul Bloom Energy, care produce instalații de 100 de kilowați pentru centrele de calcul puternice ale unor companii precum Google, Bank of America și Walmart.
Beneficiul practic este clar - centrele de date uriașe alimentate de astfel de generatoare ar trebui să fie independente de întreruperile de curent. Dar pe lângă asta firme mari depuneți eforturi pentru a menține imaginea companiilor progresiste cărora le pasă de mediu.
Numai în Statele Unite, dezvoltarea unor astfel de tehnologii „verzi” este supusă unor plăți mari de stat - până la 3.000 de dolari pentru fiecare kilowatt de putere generată, ceea ce reprezintă de sute de ori mai mult decât finanțarea proiectelor rusești.
În Rusia, există o altă zonă în care utilizarea generatoarelor SOFC pare foarte promițătoare - aceasta este protecția catodică a conductelor. În primul rând, vorbim despre conductele de gaz și petrol care se întind pe sute de kilometri prin peisajul pustiu al Siberiei. S-a stabilit că atunci când tensiunea este aplicată unei țevi metalice, aceasta este mai puțin susceptibilă la coroziune. Acum stațiile de protecție catodică funcționează pe termogeneratoare, care trebuie monitorizate constant și a căror eficiență este de doar 2%. Singurul lor avantaj este costul lor scăzut, dar dacă te uiți la termen lung, țineți cont de costul combustibilului (și sunt alimentați de conținutul conductei), iar acest „merit” al lor pare neconvingător. Cu ajutorul stațiilor bazate pe generatoare SOFC, este posibil să se organizeze nu numai o alimentare neîntreruptă cu tensiune a conductei, ci și transportul de energie electrică pentru sondaje de telemetrie ... Ei spun că Rusia fără știință este o conductă. Se pare că și această țeavă fără știință și noi tehnologii este o țeavă.
Proprietarii brevetului RU 2267833:
Invenția se referă la industria auto, construcțiile navale, industria energetică, industria chimică și electrochimică, în special la electroliză pentru producerea de clor, și poate fi utilizată la producerea pilelor de combustie cu o unitate cu membrană-electrod. Rezultatul tehnic al invenției este extinderea funcționalității, îmbunătățirea proprietăților și caracteristicilor operaționale ale plăcilor bipolare și ale celulei de combustie în ansamblu, obținerea de plăci bipolare cu proeminențe purtătoare de curent de formă și amplasare arbitrară cu o înălțime a proeminențelor de la 0,3 la 2,0 mm, precum și creșterea eficienței transportului de reactivi și îndepărtarea produselor de reacție, creșterea rezistenței la coroziune de-a lungul periferiei cu o sarcină tehnologică, care este un singur întreg cu o parte centrală conductoare electric având o sarcină funcțională. Placă bipolară, formată din părți periferice cu orificii și o parte centrală cu proeminențe purtătoare de curent de formă arbitrară, ale cărei vârfuri sunt situate în același plan cu părțile periferice, în timp ce proeminențele purtătoare de curent sunt realizate cu o zonă de bază dată. , cu un diametru redus la bază de 0,5-3,0 mm, cu o înălțime de 0,3 până la 2,0 mm și cu o treaptă între centrele proeminențelor purtătoare de curent de 1,0-4,0 mm. Metoda de producere a unei plăci bipolare include prepararea unei rășini termorigide dintr-o compoziție dată într-un solvent volatil cu o umplutură de carbon, amestecarea, uscarea, recoacere și presare prin încărcare repetată la o presiune de 15-20 MPa la o temperatură de întărire a rășinii. În acest caz, recoacerea amestecului se efectuează la o temperatură cu 50-60°C mai mică decât temperatura de termostabilizare a amestecului. Când se prepară un amestec de pulberi de carbon cu un solvent, raportul dintre fazele solide și lichide este în intervalul de la 1:3 la 1:5. În compoziția amestecului inițial pentru presare se adaugă 0,1-3% agent de expandare. 2 n. și 6 z.p. f-ly, 3 ill.
Invenția se referă la industria auto, construcțiile navale, industria energetică, industria chimică și electrochimică, în special la electroliză pentru producerea de clor, și poate fi utilizată la producerea pilelor de combustie cu o unitate cu membrană-electrod.
Plăci bipolare cunoscute, formate din părțile centrale și periferice situate în jurul părții centrale. Pe partea centrală, pe una sau ambele părți, sunt amplasate șanțuri labirint paralele longitudinale pentru distribuirea fluxurilor de reactivi gazoși, formând proeminențe funcționale purtătoare de curent cu vârfuri situate în același plan, cu un orificiu central și două diagonale pentru circulație și distribuție. a fluxurilor de electroliţi. Pe părțile periferice ale plăcilor există găuri de trecere pentru asamblarea lor într-un pachet. Părțile periferice și centrale sunt separate printr-un element de etanșare de-a lungul perimetrului părții centrale. În același timp, pentru o distribuție organizată a fluxurilor de reactivi gazoși, șanțurile paralele longitudinale, ca și proeminențele funcționale purtătoare de curent, au o direcție labirint de la orificiul central până la orificiile periferice sau invers, vezi catalogul publicitar Schunk. KOHLNSTOFF GmbH.
Dezavantajele plăcilor bipolare cunoscute pentru celulele de combustie sunt o scădere a eficienței transportului de reactivi și îndepărtarea produselor de reacție în zonele ecranate ale colectorului de curent poros și, ca urmare, o scădere a densității de curent a celulei de combustie. celulă la o anumită tensiune, posibilitatea blocării canalelor cu picături de apă în condensare în timpul fluctuațiilor regimului de temperatură al celulei de combustie și/sau bilanțul hidric al sistemului, ceea ce duce și la scăderea eficienței transportului. a reactivilor și îndepărtarea produselor de reacție prin aceste canale și, ca urmare, o scădere a densității de curent a celulei de combustie la o tensiune dată.
O metodă cunoscută de producere a plăcilor bipolare, incluzând prepararea unui amestec de rășină termorezistentă cu o anumită compoziție într-un solvent volatil, amestecarea umpluturii de carbon cu soluția preparată până la omogenizare, uscare, presare și termorigide (cererea de brevet SUA nr. US 2002). /0037448 A1 din 28.03.2002, MKI N 01 M 8/02; N 01 V 1/4; N 01 V 1/20).
Dezavantajul metodei cunoscute este că termosetarea se efectuează nu simultan, ci după presarea produsului. În plus, uscarea la temperatură scăzută a amestecului nu asigură îndepărtarea unei cantități mari de componente volatile din liant, ceea ce duce la necomprimarea microvolumelor din materialul plăcilor bipolare, în special în locurile proeminențelor purtătoare de curent. care servesc la asigurarea contactului electric și presare mecanică a colectorului de curent cu stratul catalitic, ceea ce duce la formarea de locuri defecte la baza proeminențelor și distrugerea acestora din urmă sub influența sarcinii de lucru în timpul montajului și funcționării stiva de celule de combustibil.
Cea mai apropiată soluție tehnică sunt plăcile bipolare și o metodă de fabricare a acestora, constând dintr-o părți centrale și periferice situate opus părții centrale. Pe partea centrală, pe una sau ambele părți, pentru distribuirea fluxurilor de reactivi gazoși, există șanțuri paralele longitudinale, formând între ele proeminențe purtătoare de curent cu vârfuri situate în planul părților periferice ale plăcilor și leagăndu-le. Pe părțile periferice ale plăcilor există găuri de trecere, care, după ce au fost asamblate într-un pachet cu plăci adiacente, formează canale longitudinale pentru a îmbunătăți circulația și distribuția fluxurilor de electroliți. Metoda de producere a plăcilor bipolare include amestecarea componentelor pulbere carbon-grafit și un liant termoplastic rezistent la coroziune, presarea la rece a amestecului de pulbere într-o matriță la 14500 kPa, încălzirea la 150°C, reducerea presiunii la 2000 kPa, creșterea temperaturii la 205 °C, readucerea presiunii la 14500 kPa, cu faza finală de reducere treptată a presiunii și a temperaturii. Vezi descrierea brevetului RU Nr. 2187578 C2, IPC 7 C 25 V 9/04, 9/00.
Dezavantajele plăcilor bipolare cunoscute sunt distribuția uniformă a fluxului doar într-o secțiune scurtă, determinată de lungimea părții din mijloc, și spațiul limitat pentru distribuirea fluxurilor de reactivi gazoși, determinat de numărul de șanțuri paralele longitudinale. Dezavantajul metodei cunoscute de producere a plăcilor bipolare este o tehnologie complexă de fabricație, care duce la o scădere a eficienței formării proeminențelor purtătoare de curent și la costuri suplimentare.
Rezultatul tehnic al invenției este extinderea funcționalității, îmbunătățirea proprietăților și caracteristicilor operaționale ale plăcilor bipolare și ale celulei de combustie în ansamblu, obținerea de plăci bipolare cu proeminențe purtătoare de curent de formă și amplasare arbitrară cu o înălțime a proeminențelor de la 0,3 la 2,0 mm, precum și creșterea eficienței transportului de reactivi și îndepărtarea produselor de reacție, creșterea rezistenței la coroziune de-a lungul periferiei cu o sarcină tehnologică, care este un singur întreg cu o parte centrală conductoare electric având o sarcină funcțională. Rezultatul tehnic se obține prin faptul că într-o placă bipolară formată din părți periferice cu orificii și o parte centrală cu proeminențe purtătoare de curent, ale cărei vârfuri sunt situate în același plan cu părțile periferice, proeminențele purtătoare de curent sunt realizat cu o zonă geometrică dată a bazei, cu un diametru redus la bază de 0,5-3,0 mm, înălțime de la 0,3 la 2,0 mm și cu un pas între centrele proeminențelor purtătoare de curent de 1,0-4,0 mm, realizate cu o bază sub formă de cerc sau pătrat, sau dreptunghi, sau elipsă, sau romb, sau trapez sau combinații ale acestora, proeminențele purtătoare de curent sunt realizate sub forma unei piramide trunchiate, sau a unui cilindru, sau un con, sau o piramidă; proeminențele purtătoare de curent se realizează sub forma unei prisme cu diametrul redus la bază de 0,5-3,0 mm, o înălțime de 0,3 până la 2,0 mm și o treaptă între centrele proeminențelor purtătoare de curent de 1,0-4,0 mm. , iar proeminențele purtătoare de curent sunt amplasate în mod arbitrar sau ordonate, sau într-o ordine de șah, sau rombica, sau circulară, sau spirală sau labirint a aranjamentului lor, dar într-o metodă de producere a plăcilor bipolare, inclusiv prepararea unui amestec de un termorezistent. rășină dintr-o compoziție dată într-un solvent volatil, introducând o umplutură de cărbune și amestecându-le până la o stare omogenă, uscare, presare și termodurizare, amestecul se usucă înainte de presare, urmată de recoacere la o temperatură cu 50-60°C mai mică decât cea termodură. temperatura amestecului, iar presarea se efectuează prin încărcare repetată la o presiune de 15-20 MPa, în timp ce se încălzește simultan până la întărirea amestecului, recoacerea se efectuează cu o creștere treptată a temperaturii timp de 10,0-15,0 ore și menținerea ulterioară la această temperatură pentru 1 .0-2.0 h, iar presarea se efectuează la o temperatură a corpului de lucru al unității de presare de 1,5-2,0 ori mai mare decât temperatura de recoacere, raportul „t:l” la formarea unui amestec de pulberi de carbon cu un solvent de o rășină termorezistabilă este selectată în intervalul de la 1:3 la 1:5, se adaugă 0,1-3,0% din agentul de expandare la compoziția amestecului inițial pentru presare.
Acest lucru va asigura distribuția uniformă a reactanților pe suprafața celulei de combustie și îndepărtarea eficientă a produselor de reacție și, în consecință, va crește densitatea de curent în celula de combustie la o anumită tensiune.
Într-o metodă de producere a plăcilor bipolare, care include prepararea unui amestec dintr-o rășină termorezistentă cu o anumită compoziție într-un solvent volatil, introducerea unei umpluturi de carbon și amestecarea lor într-o stare omogenă, uscare, presare și termorigide, amestecul este uscat înainte de presare. , urmată de recoacere la o temperatură mai mică de 50-60°C decât temperatura de termoindure a amestecului, iar presarea se efectuează prin încărcare repetată la o presiune de 15-20 MPa concomitent cu încălzirea, corespunzătoare întăririi amestecului. . În acest caz, recoacerea se efectuează cu o creștere treptată a temperaturii timp de 10,0-15,0 ore și menținerea ulterioară la această temperatură timp de 1,0-2,0 ore, iar presarea se efectuează la o temperatură a corpului de lucru al unității de presare de 1,5- de 2,0 ori mai mare decât temperatura de recoacere. Raportul „t:l” (faze solide și lichide) atunci când se formează un amestec de pulberi de carbon cu un solvent pentru rășină termorezistentă (acetonă) variază în intervalul de la 1:2 la 1:5 și se adaugă 0,1-3 la compoziţia amestecului iniţial pentru presare.0% (greutate) agent de expandare.
Necesitatea utilizării unei rășini termorigide este cauzată de faptul stabilit experimental că nu există o etanșare adecvată a zonelor proeminențelor purtătoare de curent la presarea BP cu conținut de carbon pe un liant termoplastic, care a fost exprimată prin aderența slabă a proeminențelor purtătoare de curent. la corpul plăcii și delaminarea acestora. Prezența unei rășini termorigide din orice compoziție în amestecul pentru presare face posibilă în acest caz formarea de proeminențe purtătoare de curent fără defecte și BP în ansamblu prin mecanismul de sinterizare cu o fază lichidă care dispare la scurt timp după apariția sa, în ciuda încălzirii continue. .
Secvența principalelor operațiuni care au loc în timpul plăcilor bipolare este următoarea: formarea unui strat subțire de liant polimeric termorigid pe suprafața particulelor de umplutură de carbon în timpul preparării amestecului, uscarea și recoacerea ulterioară a acestuia, compactarea amestecului, aspectul a unei faze lichide datorită topirii stratului de liant pe umplutura cu particule, compactării ulterioare a produsului datorită contracției caracteristice sinterizării în fază lichidă, întăririi termice a liantului și a produsului în ansamblu.
Necesitatea recoacerii înainte de presare se datorează prezenței în amestecurile aglomerate a unei cantități mari de componente volatile care împiedică presarea eficientă. O temperatură de recoacere mai mare poate duce la procese nedorite de întărire prematură a liantului în microvolume individuale ale amestecului, iar recoacere la temperatură mai scăzută este ineficientă.
Un parametru important este presiunea de presare. Pentru amestecurile de umpluturi dispersate de carbon și un liant termorigid, presiunea de presare depinde de tipul specific de umplutură și nu trebuie să depășească valoarea peste care liantul lichid este stors din amestec - 20 MPa. Presiunea scăzută de presare (mai puțin de 15 MPa) nu asigură etanșarea eficientă a PSU, în special în zona proeminențelor care transportă curent.
Efectuarea presării în același timp cu încălzirea matriței cu amestecul pentru întărire face posibilă implementarea etapei 4 a secvenței de mai sus a fenomenelor care apar în timpul formării plăcilor.
Designul plăcii bipolare este ilustrat de desene, unde se arată în figura 1 forma generala placa bipolară, iar figura 2 - secțiunea plăcii de-a lungul A-A cu proeminențe purtătoare de curent, realizată sub formă, de exemplu, de un cilindru, figura 3 - secțiunea plăcii de-a lungul A-A cu proeminențe purtătoare de curent, realizată sub forma de, de exemplu, un con sau piramide.
Placa bipolară este formată dintr-o parte centrală 1 și o parte periferică 2. Partea centrală are proeminențe 3, ale căror vârfuri sunt în același plan cu partea periferică, de 0,3 până la 2 mm înălțime și 0,5 până la 3,0 mm în diametru la baza. Proeminențele sunt dispuse în ordine liniară vertical și orizontal cu un pas de 1,0-4,0 mm și permit, cu o suprafață dezvoltată și volum de trecere mai mare al fluxurilor de reactiv gazos, să se distribuie tensiunile (presiunile) rezultate în toate direcțiile. Este posibilă o aranjare în șah, rombică, circulară, spirală sau labirint a proeminențelor. Și proeminențele în sine pot fi sub forma unui cilindru, a unei trunchi de piramidă, a unei prisme și/sau a unui trunchi de con. S-a constatat experimental că în funcție de diametrele reduse ale proeminențelor, de înălțimea acestora și de treapta dintre centrele proeminențelor, forma optimă a proeminențelor purtătoare de curent diferă, deoarece acestea optimizează fluxurile de reactiv, eficiența transferului de căldură și conductivitatea electrică. în diverse feluri. Deci, în special, pentru un pas de 1 mm, forma unei piramide trunchiate este optimă. Pentru proeminențe cu un diametru de bază de 0,5 mm, o formă de elipsă este optimă. Pentru proeminențe purtătoare de curent cu o înălțime de 0,3 mm, forma unui cilindru este optimă. Pentru anumite moduri de funcționare (puterea curentului, tensiunea, fluxul de reactiv, dimensiunea celulei etc.), selectarea formei optime a proeminențelor purtătoare de curent și a dimensiunilor geometrice ale acestora se realizează individual.
Plăcile bipolare sunt realizate după cum urmează.
Combinația de componente cu particule de carbon este amestecată pentru a forma un amestec omogen cu o anumită cantitate de soluție de rășină termorigidă. Grafitul, funinginea, fibrele tocate, cocsul zdrobit etc. pot fi sub formă de componente dispersate de carbon. Amestecul preparat cu agitare periodică este pus să se usuce la temperatura camerei pentru a îndepărta cantitatea principală de componente volatile. Astfel, este posibil să se obțină un semifabricat sub formă, de exemplu, de granule pentru procesul ulterior de fabricație BP. În plus, după inspecția vizuală, amestecul uscat este recoapt la o temperatură cu 50-60°C mai mică decât temperatura de termostabilizare. Apoi amestecul recoapt este presat la o presiune de 15-20 MPa într-o matriță, ale cărei poansonuri sunt realizate cu adâncituri care formează proeminențe purtătoare de curent în timpul presarii și întăririi. Concomitent cu presarea, matrița cu amestecul este încălzită de la temperatura de recoacere la temperatura de întărire. După menținerea la o temperatură de întărire de 0,5-1 h, matrița este îndepărtată din presă și răcită în aer, apoi presată folosind un instrument special.
O proprietate importantă a unei plăci bipolare este structura suprafeței sale. Pentru a obține caracteristici mai mari ale celulei de combustie, este recomandabil ca suprafața de-a lungul căreia trec gazele de lucru între proeminențele purtătoare de curent să aibă o anumită rugozitate și microporozitate. În acest caz, apa formată ca urmare a reacției dintre gaze se acumulează parțial în porii din apropierea suprafeței și, prin urmare, crește umiditatea gazelor, ceea ce are un efect pozitiv asupra caracteristicilor energetice specifice ale celulei de combustie. Formarea structurii dorite a stratului de suprafață conform metodei propuse, spre deosebire de prototip, are loc prin introducerea în compoziție a amestecului inițial pentru presare a 0,1-3,0% (greutate) în raport cu componenta solidă a amestec ("t") de agent de expandare (carbonat de amoniu, polietilen glicol, polietilenă). Agentul poros introdus în compoziția amestecului inițial pentru depunerea apei nu afectează întărirea liantului și, descompunându-se în timpul tratamentului termic, presarea în timpul întăririi, formează o structură microporoasă a plăcii și, în consecință, a suprafeței. strat (până la o adâncime de 1–2 μm).
O scădere a conținutului de formator de pori cu mai puțin de 0,1% nu are practic niciun efect asupra microporozității și rugozității stratului de suprafață, iar o creștere a conținutului de formator de pori cu peste 3,0% este nepractică din cauza scăderii rezistenței mecanice și posibila apariție a permeabilității prin intermediul plăcilor.
Metoda de obținere a unei plăci bipolare este ilustrată prin următoarele exemple.
Exemplul 1. Pentru fabricarea unei singure surse de alimentare (cu proeminențe cilindrice purtătoare de curent dispuse liniar, cu un diametru de 0,5 mm, o înălțime de 0,5 mm, cu o distanță între centrele proeminențelor de 1,0 mm) cu o dimensiune de 100 × 100 mm, o grosime de 7 mm și o masă de 115 g prepară un amestec din următoarea compoziție cu raportul „t:l” = 1,33:3,00
Grafit marca KS-10 - 98 g
Funingine marca PM-100 - 1 g
Lac de bachelit marca LBS-1 - 34 g
Acetonă - 300 g.
Într-o cană de măsurare, amestecați cantitatea specificată de lac de bachelită și, de exemplu, acetonă într-o soluție colorată uniform. O porție cântărită de pulbere de grafit și negru de fum sunt pre-amestecate uscate până se obține un amestec omogen. În continuare, amestecul de pulberi și soluția de lac de bachelit se pun într-un recipient de amestecare și se amestecă mecanic timp de 5-10 minute până la starea de uniformitate. Apoi amestecul este lăsat sub aspirarea unei hote să se usuce la temperatura camerei timp de 12-15 ore până când se usucă vizual, pe măsură ce se usucă, amestecând periodic amestecul și frecând aglomerate mari (mai mult de 2-3 mm) printr-un plasă metalică cu dimensiunea celulei de 2 mm. O porțiune din amestecul uscat se toarnă în matriță, matrita se introduce în cuptor și se încălzește la o temperatură de 90°C timp de 13,5-14 ore, după care se menține la această temperatură timp de 2 ore. În continuare, încărcarea este îndepărtată. din cuptor si introdus in presa hidraulica incalzita la 170°C. Apăsată pe presa în smucituri (aceasta este viteza de încărcare) timp de 1-2 secunde până la o forță de aproximativ 22 de tone. După aproximativ 5 secunde de expunere, forța este din nou crescută la 22-25 de tone. Cușca este lăsată sub se presara 1 ora, dupa care matrita se scoate din presa si se lasa la racit la temperatura camerei. După răcire, matrița este descărcată pe o presă manuală cu șurub folosind 4 ejectoare din oțel. Control vizual Calitatea BP indică absența zgârieturilor, defectelor și fisurilor pe suprafața plăcii (inclusiv în zona proeminențelor purtătoare de curent), delaminarea materialului BP la granița dintre zona curentului- purtând proeminențe și baza BP. La examinarea plăcii după testul de rezistență (placa este plasată între plăci de oțel și supusă la compresiune cu o forță de 5 tone (presiune 5 MPa), care corespunde forței de lucru în celula de combustie timp de 1 oră), fără modificări sau s-au constatat defecte. Valoarea rezistivității în volum a fost de 0,025 Ohm·cm.
Exemplul 2. O placă bipolară este realizată dintr-o compoziție și conform unei metode similare cu exemplul 1 cu proeminențe având forma unui trunchi de con cu diametrul la bază de 3,0 mm, la vârf 2,5 mm, o înălțime de 2,0 mm. , cu o distanță între centrele proeminențelor de 4 ,0 mm.
Înainte și după testele de rezistență, defecte de suprafață și proeminențe nu sunt detectate. Valoarea rezistivității de volum este de 0,030 Ohm·cm.
Exemplul 3. Se realizează o placă bipolară cu o configuraţie şi conform unui procedeu similar cu exemplul 1, dar liantul epoxifenol nr. 560 fabricat de FGUP SSC VIAM în cantitate de 31 g este utilizat ca liant termorigid.
Înainte și după testele de rezistență, defecte de suprafață și proeminențe nu sunt detectate. Valoarea rezistivității de volum este de 0,017 Ohm·cm.
Exemplul 4. Se realizează o placă bipolară cu o configurație și conform unei metode similare cu exemplul 1, la amestecul inițial pentru presare se adaugă un agent de expandare - pulbere de polietilenă presiune ridicataîn cantitate de 3,5 g (3,0 % în greutate). Înainte și după testele de rezistență, defecte de suprafață și proeminențe nu sunt detectate. Valoarea rezistivității de volum este de 0,028 Ohm·cm. Porozitatea stratului apropiat de suprafață (până la 100 µm adâncime), măsurată prin sorbția apei, este de 2,8%.
Exemplul 5 Se realizează o placă bipolară cu o configurație similară cu exemplul 1, din compoziție și conform procedurii descrise în exemplul 9.
Înainte de testele de rezistență, s-au găsit până la 10% din proeminențe distruse și defecte, după care numărul proeminențelor distruse este de aproximativ 30%. Valoarea rezistivității de volum este de 0,025 Ohm·cm.
Exemplul 6 O placă bipolară este fabricată cu o configurație similară cu Exemplul 1 (proeminențe purtătoare de curent dispuse liniar) și testată într-o celulă de combustie în următoarele condiții:
Membrana - MF4-SK 135 microni grosime
Catalizator - Pt 40/C în cantitate de 2,5 mg/cm2
Combustibil - hidrogen la o presiune de 2 ati
Agent oxidant - oxigen la o presiune de 3 ati
Temperatura de funcționare a celulei - 85°С
Reacția la anod: H 2 → 2H + + 2e -
Reacția la catod: O 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O
Reacția generală: O2 + 2H2 → 2H2O
La o tensiune de 0,7 V, densitatea maximă de curent este de 1,1 A/cm2.
Exemplul 7 O placă bipolară este realizată cu o configurație și o procedură similare cu exemplul 1, dar proeminențele purtătoare de curent sunt rombice și testate într-o pilă de combustie în condiții similare cu exemplul 6. La o tensiune de 0,7 V, densitatea maximă de curent este de 1,25 A/cm2.
Exemplul 8. Se realizează o placă bipolară dintr-o compoziție și conform unei metode similare cu exemplul 1, proeminențele se realizează sub forma unei prisme cu diametrul de 2 mm, înălțimea de 1,5 mm, cu o distanță între centre. din proeminențele de 3,0 mm, iar proeminențele purtătoare de curent sunt așezate romb și se efectuează teste într-o celulă de combustie în condiții similare exemplului 6. La o tensiune de 0,7 V, densitatea maximă de curent a fost de 0,95 A/cm2 .
Exemplul 9 Se realizează o placă bipolară cu o configurație similară cu soluția tehnică cunoscută din compoziție și conform procedurii descrise în exemplul 9, testele sunt efectuate într-o celulă de combustie în condiții similare cu exemplul 6. La o tensiune de 0,7 V, densitatea maximă de curent a fost de 0,9 A/cm2. S-a stabilit experimental că, în funcție de diametrele reduse ale proeminențelor, de înălțimea acestora și de pasul dintre centrele proeminențelor, forma optimă a proeminențelor purtătoare de curent diferă, deoarece acestea optimizează fluxurile de reactiv, eficiența schimbului de căldură. , și conductivitatea electrică în moduri diferite. Deci, în special, pentru un pas de 1 mm, forma unei piramide trunchiate este optimă. Pentru proeminențe cu un diametru de bază de 0,5 mm, forma unei elipse este optimă. Pentru proeminențe purtătoare de curent cu o înălțime de 0,3 mm, forma unui cilindru este optimă. Pentru anumite moduri de funcționare (puterea curentului, tensiunea, fluxul de reactiv, dimensiunea celulei etc.), selectarea formei optime a proeminențelor purtătoare de curent și a dimensiunilor geometrice ale acestora se realizează individual.
EFECT: invenția permite extinderea funcționalității, îmbunătățirea proprietăților și caracteristicilor operaționale ale plăcilor bipolare și ale celulei de combustie în ansamblu și obținerea plăcilor bipolare cu proeminențe purtătoare de curent de formă și aranjare arbitrară cu o înălțime de proeminență de 0,3 până la 2,0 mm, precum și ca creșterea eficienței transportului reactivului și a produselor de reacție de îndepărtare, creșterea rezistenței la coroziune de-a lungul periferiei cu sarcina tehnologică, care este un singur întreg cu partea centrală conductoare electric, care are o sarcină funcțională.
1. O placă bipolară pentru o pilă de combustie, constând din părți periferice cu orificii și o parte centrală cu proeminențe purtătoare de curent, ale cărei vârfuri sunt situate în același plan cu părțile periferice, caracterizată prin aceea că proeminențele purtătoare de curent sunt realizate cu o zonă de bază dată cu diametrul redus la bază de 0,5 -3,0 mm, înălțime de la 0,3 la 2,0 mm și cu o treaptă între centrele proeminențelor purtătoare de curent de 1,0-4,0 mm.
2. Placă bipolară conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că proeminenţele purtătoare de curent sunt realizate cu o bază sub formă de cerc, sau pătrat, sau dreptunghi, sau elipsă, romb sau trapez, sau combinații ale acestora.
Dezvoltarea celulelor de combustie este probabil cea mai râvnită tehnologie din industria transporturilor de astăzi, dezvoltatorii cheltuind sume uriașe în fiecare an căutând o alternativă viabilă (sau o completare) la motorul cu ardere internă. În ultimii câțiva ani, inginerii Dana și-au concentrat capacitățile de producție și inginerie pe provocarea de a reduce dependența vehiculului de sursele tradiționale de energie. De-a lungul istoriei omenirii, principalele surse de energie s-au schimbat de la combustibili solizi (cum ar fi lemnul și cărbunele) la cei lichizi (petrol). În următorii ani, după cum mulți cred, produsele gazoase vor deveni treptat sursa dominantă de energie în întreaga lume.
Pe scurt, o pilă de combustibil este un dispozitiv electrochimic care transformă energia unei reacții chimice direct în electricitate, căldură și cenușă. Acest proces se schimbă în partea mai buna eficiență scăzută a transformării termomecanice tradiționale a purtătorului de energie.
Orez. vehicul cu pile de combustibil
Hidrogenul este primul exemplu de combustibil gazos regenerabil care permite o astfel de reacție și, în cele din urmă, energie electrică. Și acest proces nu poluează mediul.
Un model tipic de pile de combustibil care utilizează energia hidrogenului include hidrogenul care curge către anodul celulei de combustibil, unde, printr-un proces electrochimic în prezența unui catalizator de platină, moleculele de hidrogen sunt împărțite în electroni și ioni încărcați pozitiv. Electronii merg și ocolesc membrana de schimb de protoni (PEM), generând astfel electricitate. În același timp, ionii pozitivi de hidrogen continuă să difuzeze prin celula de combustibil prin PEM. Electronii și ionii pozitivi de hidrogen se combină apoi cu oxigenul pe partea catodului pentru a forma apă și a genera căldură. Spre deosebire de o mașină tradițională cu motor cu ardere internă, aici electricitatea este stocată în baterii sau merge direct la motoarele de tracțiune, care la rândul lor antrenează roțile.
O barieră în calea sistemelor cu celule de combustie este lipsa actuală a infrastructurii pentru a produce sau furniza cantități suficiente de hidrogen. Ca rezultat, disponibilitatea tipului specific de combustibil utilizat în celula de combustibil rămâne o problemă majoră nerezolvată. Benzina și metanolul sunt cei mai probabili purtători de energie pentru celulele de combustie. Cu toate acestea, fiecare combustibil se confruntă în continuare cu propriile provocări.
Tehnologia este în prezent în curs de dezvoltare pentru plăci, conducte și izolatori integrati, compozite, bipolare. Inginerii dezvoltă plăci bipolare metalice cu acoperiri speciale, canale de regiune de curent la temperatură înaltă, izolatori de temperatură înaltă și ecranare la temperatură înaltă. Ei dezvoltă, de asemenea, metode de control și design pentru procesoare de combustibil, condensatoare de abur, preîncălzitoare și module de răcire cu ventilatoare și motoare integrate. Sunt dezvoltate soluții pentru a transporta hidrogen, lichide carbonice, apă deionizată și aer în diferite părți ale sistemului. Echipa de filtrare a Danei dezvoltă filtre pentru admisia de aer a sistemului de celule de combustibil.
Este recunoscut faptul că hidrogenul este combustibilul viitorului. De asemenea, se crede că celulele de combustibil vor avea în cele din urmă un impact semnificativ asupra industriei auto.
Mașinile și camioanele cu celule de combustibil auxiliare pentru alimentarea sistemului de aer condiționat și a altor componente electronice sunt de așteptat să iasă pe șosele în curând.
Orez. Pile de combustibil pe o mașină (
Invenţia propusă se referă la plăci de celule de combustibil bipolare (FC). Placa TE bipolară propusă de formă rotundă conține plăci divizoare având o zonă mijlocie în care canalele sunt situate de-a lungul evolvenelor cercului care limitează zona centrală, iar circumferința de-a lungul căreia sunt construite evolvenele este egală cu produsul numărului de evolvente. canale pe pas, iar treapta de canal este uniformă de-a lungul circumferinței, zona centrală, care include capetele interioare ale canalelor evolvente și marginile canalelor de pe plăci sunt amplasate în așa fel încât în timpul asamblarii acestea se intersectează, formând plane. colectoare centrale, zona inelară periferică, formată din canale care se intersectează și proeminențe conice, prin care se organizează alimentarea și îndepărtarea de reactivi și de răcire la capetele exterioare ale canalelor evolvente respective. Plăcile de separare de-a lungul periferiei și marginea de etanșare periferică au deschideri care coincid de-a lungul periferiei, care, la asamblarea bateriei de celule de combustibil, formează canale colectoare pentru alimentarea cu oxidant, combustibil și lichid de răcire prin canalele orizontale către zona inelară periferică a plăcilor de separare. și mai departe în cavitățile corespunzătoare și îndepărtarea reactivilor din acestea. Crearea unei plăci bipolare metalice rigide și ușoare, de formă rotundă, care asigură o îndepărtare și alimentare uniformă a combustibilului, oxidantului și lichidului de răcire pe întreaga zonă a celulei de combustie este rezultatul tehnic al invenției. 3 w.p. f-ly, 6 ill.
Desene ale brevetului RF 2516245
Soluția tehnică revendicată se referă la domeniul conversiei directe a energiei chimice în energie electrică, în special, la proiectarea unei plăci de celule de combustibil bipolare (FC).
Sunt cunoscute numeroase opțiuni pentru proiectarea pilelor de combustie, în care sunt utilizate plăci bipolare dreptunghiulare.
Unul dintre analogii unor astfel de plăci bipolare este o celulă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni, descrisă în brevetul US nr. 6261710 (clasa IPC H01M 8/02, data de prioritate 25/11/1998). Conform prezentei invenţii, placa bipolară cuprinde plăci de tablă separatoare superioară şi inferioară, în care sunt ştanţate canale rectilinii cu profil triunghiular. Canalele sunt proiectate pentru alimentarea și îndepărtarea combustibilului, oxidantului și agentului frigorific.
Când plăcile de separare intră în contact în timpul asamblării, între ele se formează o cavitate internă a agentului frigorific, iar canalele externe formează cavitățile combustibilului și ale oxidantului. Placa bipolară include și o garnitură de etanșare periferică.
Dezavantajele analogului, și anume greutatea crescută, dimensiunile și perimetrul de etanșare semnificativ, sunt asociate cu forma dreptunghiulară a plăcii bipolare. Se știe că un cerc este o linie de lungime minimă care delimitează suprafața totală a unei forme date. Numai plăcile bipolare rotunde și, în consecință, o stivă de celule de combustie bazată pe acestea, pot avea cea mai mică masă, dimensiuni și perimetru de etanșare.
Cea mai apropiată de soluția tehnică revendicată și, prin urmare, luată ca prototip, este o baterie pentru celule de combustie care conține ansambluri (plăci) membrană-electrod și bipolar, declarată în brevetul RF nr. 8/ 02, data de prioritate 03.10.2007) . Această stivă de celule de combustie conține componente rotunde (din punct de vedere al) componente, în special plăci bipolare cu canale pentru alimentarea și descărcarea gazelor anodice și catodice, lichid de răcire. Fiecare ansamblu bipolar constă din plăci metalice adiacente, care separă catodul, mijlocul și anodul. Plăcile de separare a catodului și anodului sunt prevăzute cu canale pentru alimentarea cu gaz catodic în aer și gaz anod către electrozii de hidrogen ai ansamblurilor membrană-electrod, iar placa din mijloc este prevăzută cu canale pentru circulația lichidului de răcire între plăcile catod și anod. Canalele plăcii catodice sunt sub formă de spirale, canalele plăcii anodice sunt sub formă de semicercuri, iar canalele plăcii de mijloc sunt sub formă de fante arcuite. Colectorul de intrare a gazului catodic este canalul central care pătrunde în FC, inclusiv ansamblurile bipolare, colectorul de ieșire a gazului catodic este realizat sub forma unui canal sub formă de fantă situat de-a lungul generatricei bateriei. Colectorii de intrare și ieșire a gazului anodic și a agentului frigorific sunt, de asemenea, realizate sub formă de canale sub formă de fante plasate opus de-a lungul bateriilor. Canalele de pe suprafața plăcilor anodului și catodic ale ansamblurilor bipolare pot fi realizate prin ștanțare.
Dezavantajele soluției tehnice revendicate în prototip sunt următoarele.
În primul rând, canalele tuturor celor trei cavități sunt organizate astfel încât să difere semnificativ în lungime și formă. Lungimea și forma inegale creează o rezistență hidraulică diferită a canalelor la fluxul de reactivi și agent frigorific și, ca urmare, o distribuție neuniformă a reacției generatoare de curent pe zona celulei de combustibil.
Această împrejurare reduce eficiența celulelor de combustie și înrăutățește rezistența la coroziune a stivei de celule de combustibil, care, la rândul său, îi reduce durata de viață.
În al doilea rând, organizarea canalelor cu fante prin contactul cu suprafața interioară a carcasei dielectrice cilindrice și suprafața exterioară a suprafeței interioare a pachetului, constând din ansambluri membrană-electrod și bipolar, care este practic imposibil de netezit, face foarte dificilă. pentru a realiza etanșeitatea intercavității bateriei.
Obiectivul proiectării propuse a plăcii rotunde pentru pile de combustie bipolară este de a oferi condiții pentru distribuția uniformă a reactivilor și a agentului frigorific pe zona celulei de combustie și de a simplifica problema realizării etanșeității în timpul asamblarii, atât între cavitățile bateriei, cât și ale combustibilului. bateria celulei în sine în raport cu Mediul extern, și în plus, asigurarea rigidității necesare a plăcii bipolare, ceea ce este deosebit de important atunci când este realizată dintr-un material foarte subțire. tablă până la 0,05 mm grosime.
Soluția acestei probleme constă în faptul că în binecunoscutul design al unui FC de formă rotundă, constând dintr-o membrană-electrod, precum și un ansamblu bipolar, care conține canale pentru circulația anodului, a gazelor catodice și a agentului frigorific. obținut prin ștanțare, cu o dispunere opusă (opusă) a intrărilor și ieșirilor gazului anodic și a agentului frigorific, orificii pentru fixarea și centrarea ansamblurilor bipolare în timpul montajului bateriei, conform soluției tehnice propuse, se modifică forma canalelor, numărul de plăci de separare din ansamblul bipolar este redusă la două, datorită excluderii plăcii centrale, iar în loc de cinci canale centrale sub formă de fante și unul rotund (colectori) de intrare și ieșire a gazelor catodice și anodice și a agentului frigorific, o multitudine de colectoarele de intrare și ieșire a gazelor catodice, anodice și a agentului frigorific, formate din găuri, sunt organizate în marginea periferică a plăcii bipolare a celulei de combustie de formă rotundă.
Conform soluției tehnice revendicate, în loc de canale spiralate (pentru gaz catodic), semicirculare (pentru gaz anod) și arcuite (pentru agent frigorific), canalele ambilor reactivi și agentul frigorific al plăcii bipolare FC inventive au formă rotundă, realizate. de-a lungul evolvenelor cercului limitând zona centrală și sunt uniform distanțate pe zonă . Capetele interioare ale canalelor evolvente sunt conectate la zona centrală, iar capetele exterioare ale canalelor evolvente din zona inelară periferică sunt conectate prin intermediul unor canale orizontale cu găuri colectoare, de exemplu, trapezoidale, situate în jurul circumferinței pe periferie. marginea de etanșare a plăcii FC bipolare. Numai utilizarea acestui design face posibilă obținerea de canale de lungime egală și aceeași formă pentru plăcile FC bipolare de formă rotundă. Circumferința de-a lungul căreia sunt construite evolvenele este egală cu produsul numărului de canale pe pas, iar pasul canalului este uniform de-a lungul circumferinței și, prin urmare, grosimile nervurilor care formează canalele sunt egale și toate canalele au aceeași rezistență hidraulică, care asigură o uniformitate ridicată a reacției electrochimice generatoare de curent de către zona pilei de combustibil și, ca urmare, eficiența ridicată a stivei de celule de combustibil în ansamblu.
Canalele de combustibil, oxidant și lichid de răcire sunt ștanțate în două plăci despărțitoare din tablă subțire, care fac parte din placa bipolară a celulei de combustibil. Ambele plăci de separare (anod și catod) sunt ferm conectate între ele, de exemplu, lipite în toate punctele de contact. De asemenea, sunt lipite împreună toate locurile în care piesele vin în contact cu marginea periferică de etanșare.
Nu există canale involutive în zona centrală, rotundă a plăcii bipolare TE. Canalele pentru fluxul de reactivi și lichid de răcire în zona centrală sunt organizate folosind nervuri extinse separate, a căror lungime, formă și poziție relativă asigură amestecarea completă și medierea concentrației de gaze și lichid de răcire care intră în el din toate canalele evolvente. Pentru a asigura rigiditatea structurii în zona centrală, nervurile plăcilor de separare a anodului și catodic ale plăcii bipolare sunt dispuse în așa fel încât să se intersecteze, formând un fel de grilă.
În zona inelară periferică a plăcii bipolare FC, circulația reactivilor și a lichidului de răcire se organizează și cu ajutorul nervurilor. Nervurile plăcilor de separare a anodului și catodic pentru a asigura rigiditatea plăcii bipolare în această zonă sunt de asemenea amplasate în așa fel încât să se intersecteze între ele, asigurând rigiditatea acestei secțiuni.
Distribuitoarele verticale pentru alimentarea și îndepărtarea reactivilor și a agentului frigorific din bateria FC sunt formate în timpul asamblarii bateriei FC din orificiile situate în marginea periferică de etanșare a plăcii bipolare rotunde FC.
Un pachet format din ansambluri membrană-electrod și plăci FC bipolare de formă rotundă este sigilat de-a lungul marginilor lor, de exemplu, cu un etanșant sau lipici.
Astfel, soluția tehnică revendicată asigură o distribuție uniformă a fluxurilor de reactiv și lichid de răcire pe întreaga zonă a celulei de combustibil, etanșarea fiabilă a anodului, catodului și cavităților de răcire între ele și toate cavitățile în raport cu mediul extern, rigiditatea și rezistența necesară a plăci de celule de combustie bipolare din tablă special subțire.
Soluția tehnică propusă este prezentată în figurile următoare. Figura 1 - Vedere generală a plăcii bipolare propuse TE formă rotundă. Figura 2 - zona de mijloc a canalelor evolvente la scară mai mare. Figura 3 prezintă o secțiune transversală a zonei de mijloc a canalelor evolvente. Figura 4 prezintă zona centrală la o scară mai mare. Fig.5 - un fragment mărit al zonei inelare periferice cu o margine periferică de etanșare. Fig.6 - celula de combustie in sectiune de-a lungul cavitatii anodice.
Placa bipolară TE formă rotundă (figura 1) conține următoarele zone: canalele efective evolvente - mijloc (1), inelară periferică (2), în care capetele exterioare ale canalelor evolvente sunt conectate la orificiile colectoare din marginea de etanșare periferică. , central (3), unde se îndreaptă capetele interioare ale canalelor evolvente, precum și marginea de etanșare periferică (4). în figura 1, zona mediană (involută) (1) și zona inelară periferică (2) nu sunt prezentate în întregime; de fapt, acopera uniform întreaga suprafață a plăcii FC bipolare inventive de formă rotundă.
În figura 2, zona de mijloc a canalelor evolvente (1) este prezentată la o scară mai mare pentru a-și arăta canalele (5) și nervurile (bulburi) (6).
Secțiunea transversală a zonei mijlocii a canalelor evolvente (figura 3) oferă o idee despre modul în care plăcile de separare a anodului (8) și catodul (9) sunt conectate, de exemplu, lipite între ele (cusătura lipită este indicată de poziția 7), formând o cavitate pentru circulația agentului frigorific între suprafețele lor interioare ( zece). Suprafețele exterioare ale plăcilor de separare a catodului (9) și anodului (8) servesc la formarea canalelor prin care circulă combustibilul (11) și respectiv oxidantul (12).
Figura 4 prezintă locația în zona centrală a nervurilor canalelor catodului (13) (linii continue) ale plăcii de separare și anodului (14) (linii întrerupte) ale plăcii de separare. Canalele zonei centrale a ambelor plăci sunt amplasate în așa fel încât la asamblarea plăcii bipolare FC, canalele se intersectează, formând un colector central plat, care servește la distribuirea uniformă a combustibilului, oxidantului și lichidului de răcire în zona centrală. În plus, o astfel de aranjare a canalelor face posibilă întărirea zonei centrale (3) a plăcii bipolare. Figura 4 arată, de asemenea, modul în care canalele evolvente (5) și nervurile lor (6) se articulează cu canalele și nervurile zonei centrale.
Figura 5 prezintă modul în care nervurile canalelor anodului (15) și nervurile canalelor plăcilor de separare a catodului (16) se intersectează în zona inelară periferică (2) a plăcii FC bipolare de formă rotundă, asigurând-o. rigiditate și rezistență în această zonă. Nervurile canalului (15 și 16) împreună cu proeminențele conice (17) formează un fel de colectoare plate care distribuie uniform combustibilul, oxidantul și lichidul de răcire la intrarea către capetele exterioare ale canalelor evolvente corespunzătoare din zona mijlocie a canalelor evolvente (1). ) a plăcii FC bipolare de formă rotundă și iese din ele. Găurile (18) din marginea de etanșare periferică (4) și de-a lungul periferiei plăcilor de separare a anodului (8) și a catodului (9), de exemplu, trapezoidale, formează canale colectoare verticale în timpul asamblarii stivei de celule de combustibil pentru alimentarea și retragând reactivii și reactivii FC în cavitățile corespunzătoare ale agentului frigorific al plăcii bipolare prin canale orizontale (19) și prin orificiile pentru fixarea și centrarea ansamblurilor bipolare în timpul asamblarii bateriei (20), elementele de fixare trec, de exemplu, știfturi (arcuri de tijă) care strângeți pilele de combustie într-o baterie de celule de combustibil. Găurile pentru fixarea și centrarea ansamblurilor bipolare în timpul asamblării bateriei (20) sunt distanțate uniform în jurul circumferinței plăcii bipolare a FC de formă rotundă și pot fi, de exemplu, trei dintre ele.
Fig.6 oferă o vedere a întregului element de combustibil în secțiune. FC conține o placă bipolară (21), care include plăci de separare a anodului (8) și a catodului (9), formând canale pentru circulația agentului frigorific (10) între ele și împreună cu anodul (22) și catodul (23) formând canale pentru circulația combustibilului (11) și canale pentru circulația oxidantului (12). Compoziția plăcii bipolare FC de formă rotundă include și o margine de etanșare periferică (4), care are găuri, cu ajutorul căreia, în timpul asamblarii plăcilor bipolare FC de formă rotundă, se adaugă canale colectoare verticale (24) sunt formate în bateria FC, din care reactivii intră prin canalele orizontale (19) în canalele adecvate pentru circulație, de exemplu, ca în acest caz combustibilul (11), adică. la anodul (22) și la canalele de circulație a oxidantului (12), adică. la catod (23) și agentul frigorific către canalul de circulație a agentului frigorific (10). Compoziţia celulei de combustie include, de asemenea, o membrană electrolit (25) cu marginea sa periferică de etanşare (26).
Funcționarea unei celule de combustibil cu proiectarea propusă a unei plăci bipolare este prezentată în exemplul de circulație a combustibilului (Fig. 6) și se desfășoară după cum urmează. Combustibilul din canalele colectoare verticale (24) prin canalele orizontale (19) intră în colectoarele plate ale zonei inelare periferice (2) și este distribuit uniform de-a lungul canalelor evolvente pentru circulația combustibilului (11) din zona mijlocie a canalului evolventă. (1), din zona mijlocie a canalului evolvent (1) combustibilul intră apoi în canalele zonei centrale (3), în care este amestecat combustibilul primit din toate canalele evolvente ale zonei mijlocii (1), în timp ce concentrația componentelor sale, în special a impurităților, cum ar fi dioxidul de carbon, monoxidul de carbon și altele, este garantată pentru a egaliza impuritățile în cazul în care hidrogenul obținut prin transformarea hidrocarburilor este utilizat drept combustibil. În mod similar, dar în ordine inversă, componentele inerte sunt îndepărtate din cavitatea formată de canalele de circulație a combustibilului, pe partea opusă celulei de combustie cu fluxul de combustibil circulant.
Oxidantul din colectorul vertical respectiv și canalele orizontale intră în același mod în zone similare ale cavității formate de canalele de circulație a oxidantului, placă bipolară de formă rotundă a celulei de combustie. Impuritățile inerte conținute în oxidant sunt îndepărtate în mod similar din partea opusă a celulei de combustie.
Un agent frigorific circulă prin cavitatea plăcii bipolare FC de formă rotundă, formată din canale pentru lichidul de răcire (10), care elimină căldura degajată în reacția electrochimică generatoare de curent de oxidare a combustibilului. Conectate, de exemplu, canalele evolvente lipite împreună de-a lungul întregii lungimi a nervurilor în zona mijlocie (1), precum și la toate intersecțiile nervurilor din zonele inelare periferice (2) și centrale (3), dau bipolar. placa rigiditatea și rezistența necesare.
Distribuția uniformă a fluxurilor de reactiv și lichid de răcire pe zona FC, împreună cu presarea uniformă și suficientă garantată a electrozilor către matrice, asigurată de rigiditatea și rezistența plăcii bipolare, au făcut posibilă realizarea unor caracteristici electrice ridicate ale celule de combustibil.
Plăcile bipolare de nichel ale celulelor de combustie alcaline din designul revendicat au fost realizate pentru electrozi cu o suprafață de 700 cm 2 și o grosime a plăcii separatoare de 0,06 mm. Greutatea plăcii bipolare a fost în medie de 150 g. Toate plăcile au îndeplinit cerințele de proiectare. Etanșeitatea cavității de răcire în raport cu cavitățile de combustibil și oxidant și toate cele trei cavități în raport cu mediul extern, precum și bateriile de celule de combustibil fabricate folosind plăcile de celule de combustibil bipolare conform invenției, au îndeplinit cerințele tehnice. Cerinte tehnice a corespuns de asemenea rezistenţei şi rigidităţii tuturor plăcilor bipolare, caracterizate prin absenţa deformării la o sarcină de 3 kg/cm 2 . Uniformitatea ridicată a fluxurilor de reactivi și agent frigorific peste zona pilei de combustie s-a manifestat în eficiența ridicată a celulelor de combustie: ca parte a bateriilor de celule de combustie la o temperatură de 99°C, concentrația de potasiu caustic în electrolit este de 8,3 g. -eq/l iar presiunea oxigenului și hidrogenului este de 4,2 kg/cm 2 , tensiunea celulei medii a bateriei a fost de 985 mV la o densitate de curent de sarcină de 200 mA/cm 2 , iar puterea specifică a fost de 0,43 kg TEQ/kW şi 805 mV (0,52 kg TEQ/kW) la 1000 mA/cm2. La bateriile FC cu o suprafață mai mică de electrozi (176 cm2) la o temperatură de 121°C și aceeași concentrație de electrolit, presiunea gazului și densitatea curentului de sarcină de 4200 mA/cm2, tensiunea medie a fost de 612 mV (0,18 kg TEQ). /kW).
Utilizarea designului revendicat face posibilă fabricarea de baterii compacte cu mai multe elemente, de înaltă performanță, capabile să funcționeze fiabil pentru o perioadă lungă de timp atât la presiunea atmosferică a combustibilului, oxidantului și agentului frigorific, cât și la presiuni. mediu inconjurator, depășind semnificativ atmosferica, precum și în vid. Toate acestea le permit să fie utilizate nu numai în zonele tradiționale, ci și acolo unde sunt necesare produse cu caracteristici mari de greutate și dimensiune, în primul rând în spațiu și pe vehicule subacvatice.
Surse de informare
1. Brevetul SUA nr. 6261710 „Design plăci bipolare din tablă pentru celule de combustibil cu membrană cu electrolit polimeric”, clasa. IPC H01M 2/00, data de prioritate 17.07.2001.
2. Brevet RF Nr. 2355072 „Baterie cu pile de combustie”, clasa. IPC H01M 8/10, H01M 8/02, data de prioritate 03.10.2007.
REVENDICARE
1. O placă bipolară a unei celule de combustie de formă rotundă, care conține plăci despărțitoare interconectate cu canale pentru circulația combustibilului, oxidantului și lichidului de răcire și un aranjament opus al intrării și ieșirii oxidantului, combustibilului și lichidului de răcire, caracterizat prin aceea că: plăcile de separare sunt realizate astfel încât să formeze o zonă de mijloc, în care canalele sunt situate de-a lungul evolvenelor cercului care delimitează zona centrală, iar lungimea cercului de-a lungul căruia sunt construite evolvenele este egală cu produsul a numărului de canale pe pas, iar pasul canalului este uniform de-a lungul circumferinței, zona centrală, care include capetele interioare ale canalelor evolvente și marginile canalelor care sunt situate pe plăci astfel încât în timpul asamblarii se intersectează, formând colectori centrali plani, o zonă inelară periferică constând din canale care se intersectează și proeminențe conice, prin care se organizează alimentarea și îndepărtarea de reactivi și agent frigorific la capetele exterioare ale canalelor evolvente corespunzătoare, iar plăcile de separare de-a lungul periferiei și marginea de etanșare periferică au deschideri care coincid de-a lungul periferiei, care, la asamblarea stivei de celule de combustibil, formează canale colectoare pentru alimentarea cu oxidant, combustibil și lichid de răcire prin canalele orizontale către zona inelară periferică a separatorului. plăci și mai departe în cavitățile corespunzătoare și îndepărtarea din acestea.
2. Placă de pile de combustie bipolară de formă rotundă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că plăcile de separare sunt lipite în toate punctele de contact şi pe marginea periferică de etanşare.
3. Placă bipolară pentru pile de combustie de formă rotundă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că orificiile colectoare de pe marginea de etanşare periferică şi de la periferia plăcilor de separare sunt realizate trapezoidale.
4. Placă de pile de combustie bipolară de formă rotundă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că orificiile pentru fixarea şi centrarea bateriei în timpul asamblarii, situate uniform de-a lungul marginii de etanşare periferică şi de-a lungul periferiei plăcilor de separare, coincid.
Cum să dezactivați reclamele pe Android: eliminați anunțurile pop-up
Rusul a primit un termen și un milion de amendă pentru „piraterie Consecințele negative ale legii
Identificarea factorilor cheie
S-au schimbat criteriile de clasificare a organizațiilor și a antreprenorilor individuali ca întreprinderi mici și mijlocii
Vezi ce este „Royalty” în alte dicționare Capcanele legislației