БИПОЛЯРНАЯ ПЛАСТИНА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

Полезная модель относится к конструкции устройств для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, более конкретно, к биполярным пластинам топливных элементов и может найти применение при создании компактных автономных источников питания на их основе для потребителей малой и средней мощности, в том числе, для удаленных потребителей, транспортных и переносных портативных энергоустановок, источников питания сотовых телефонов, ноутбуков и др.
В настоящее время в сборках топливных элементов используют, преимущественно, два основных типа биполярных пластин. Первый тип - это биполярные пластины, изготовленные целиком из углерода или графитовых полимерных композитов, а второй - это биполярные пластины, изготовленные из металлических материалов - нержавеющая сталь, алюминий и др.
Разработки в области графитовых биполярных пластин привели к существенному улучшению их физико-химических свойств и удельных характеристик. В частности, известна биполярная пластина, выполненная полностью из композита углерода - полибензимидазола (см. патент США №US 7510678, 2004 г.). Биполярные пластины, изготовленные на основе углеродных композитов являются более коррозионно-стойкими, чем металлические, но главным их недостатком остается слабая механическая прочность, что ограничивает их использование в топливных элементах для транспортных и переносных портативных энергоустановок.
Металлы, в связи с этим, имеют несколько несомненных преимуществ перед углеродными материалами. Для них характерна более высокая тепло- и электропроводность, отсутствие пор, газонепроницаемость, а также высокая механическая прочность. Металлические биполярные пластины являются также более выгодными, по сравнению с графитовыми, с точки зрения их себестоимости. Для изготовления основания биполярной пластины, в частности, возможно использование нержавеющей стали, алюминия и титана. Использование нержавеющей стали и алюминия сравнительно удобно и выгодно по причине их невысокой стоимости, тогда как более дорогой титан обладает, по сравнению с ними, дополнительными преимуществами, связанными с легкостью, прочностью и более высокой коррозионной стойкостью.
Для повышения коррозионной стойкости металлических биполярных пластин предложено множество защитных покрытий. Анодная и катодная поверхности биполярных пластин из нержавеющей стали могут быть защищены проводящей пленкой нитрида хрома (патент США №US 7247403, 2005 г.) или пленкой карбида (патент США №US 5798188, 1997 г.). Основная проблема данной технологии - получение бездефектных покрытий.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является биполярная пластина топливного элемента, содержащая металлическое основание, анодная и катодная поверхности которого снабжены защитным токопроводящим покрытием (см. патент США №US 6887610, 2003 г.). Особенностью известной биполярной пластины является то, что ее основание выполнено из нержавеющей стали, а анодная и катодная поверхности снабжены защитным покрытием в виде слоя золота, нанесенного на основание электрохимическим путем. К недостаткам известного устройства следует отнести сравнительно высокую стоимость защитного покрытия, возможность его отслоения от основания при нарушении технологии электрохимического восстановления золота и, как следствие, снижение срока службы биполярных пластин и батареи топливных элементов в целом.
Решаемой задачей полезной модели является создание сравнительно простой, технологичной и эффективной конструкции биполярной пластины, используемой в производстве батарей топливных элементов для автономных источников питания аппаратуры различного назначении. Дополнительной к указанной является задача повышения эксплуатационных характеристик биполярных пластин при работе на водороде и воздухе в условиях повышенных температур.
Решение указанной задачи достигается тем, что в биполярной пластине топливного элемента, содержащей металлическое основание, анодная и катодная поверхности которого снабжены защитным токопроводящим покрытием, согласно полезной модели, защитное токопроводящее покрытие выполнено за одно целое с основанием в виде модифицированного слоя металла, легированного углеродом на глубину 100-250 нм, причем основание выполнено из титана, алюминия или нержавеющей стали.
Такое выполнение устройства позволяет решить поставленную задачу создания сравнительно простой, технологичной и эффективной конструкции биполярной пластины, пригодной для промышленного производства многоэлементных батарей топливных элементов малой и средней мощности. Предложенное техническое решение позволяет также улучшить важнейшие характеристики биполярных пластин при работе на водороде и воздухе в условиях повышенных температур, в том числе, собственную и контактную электропроводность, теплопроводность, термостойкость, коррозионную стойкость. Одновременно решается задача предотвращения выделения в процессе эксплуатации компонентов, отравляющих топливные элементы.
+
12
Легирование углеродом поверхностных слоев металлической биполярной пластины на указанную глубину может достигаться, в том числе, термодиффузионным методом или методом ионной имплантации. Исследования, проведенные в ЗАО «РИМОС» показали высокую эффективность поверхностного модифицирования указанных металлов методом ионной имплантации при легировании биполярных пластин углеродом на глубину до 250 нм. Технологический процесс ионной имплантации, используемый для создания предложенного устройства, основан на внедрении ускоренных ионов углерода в материал основания биметаллических пластин топливных элементов. Для ионно-лучевой обработки биполярных пластин был разработан специализированный стенд, обеспечивающий получение контролируемого сильноточного пучка ускоренных ионов углерода (C ) в условиях высокого вакуума. Стенд обеспечивал необходимое изменение физических свойств поверхностного слоя биметаллических пластин на глубинах до десятых долей микрометров.
+
12
Внедрение ионов углерода (С ) в поверхностные слои металлических биполярных пластин обеспечило получение в них модифицированного защитного нанослоя со сверхвысокой концентрацией углерода. Полученный слой имеет характеристики близкие к характеристикам чистого углерода, но составляет с металлическим основанием биполярной пластины топливного элемента одно неотделимое целое, то есть общую конструкцию. В этом состоит принципиальное отличие от поверхностного защитного нанослоя, созданного методами электролиза или напыления.
В технологическом процессе ионной имплантации за счет торможения ионов в обрабатываемых изделиях происходит их разогрев, который поддерживается до окончания имплантации, тем самым, обеспечивая термодиффузию внедряемых ионов углерода вглубь материала биполярной пластины. Принципиальное отличие введения примесей методом ионной имплантации от метода тепловой диффузии отличается тем, что максимум ее концентрации залегает не на поверхности, а на глубине среднего нормального пробега ионов мишени, который определяется вышеперечисленными факторами.
18
-2
В частности, доза имплантации при энергии ионов углерода 20 кэВ по глубине профиля распределения шлифованной пластины из титана марки ВТ1-0 достигала 10 см преимущественно на глубине 200-230 нм с резким падением в зоне 250-300 нм. Уменьшение глубины легирования основания биполярной пластины менее 100 нм, в свою очередь, снижает уровень концентрации углерода в металле основания, защитные и электрофизические характеристики биполярной пластины.
В результате проведенных исследований также выяснено, что достигнутые результаты по степени легирования углеродом титана можно распространить на другие металлы для биполярных пластин топливных элементов, в том числе, на алюминий и нержавеющую сталь, широко используемые в топливных элементах. Основанием для этого является сравнительно большая длина свободного пробега ускоренных ионов углерода с энергией порядка 20 кэВ, позволяющая модифицировать анодную и катодную поверхности биполярной пластины на достаточную глубину в десятые доли мкм.
На фиг.1 представлено сечение типичной биполярной пластины топливного элемента, на фиг.2 - распределение концентрации углерода в имплантированном слое основания, на фиг.3 - график плотности мощности предложенного топливного элемента с биполярной пластиной из титана.
Биполярная пластина содержит плоское основание 1 из токопроводящего материала, преимущественно, из титана, алюминия или нержавеющей стали, а также из сплава каждого из этих металлов. В качестве примера приведены характеристики биполярной пластины из титана ВТ1-0. Катодная и анодная поверхности основания 1 снабжены защитным токопроводящим покрытием 2, 3, которое выполнено за одно целое с основанием 1 и представляет собой модифицированный слой основания из титана, легированного углеродом на глубину 100-250 нм. В основании 1, имеющем габариты 4×30×30 мм, в области катодной и анодной поверхности отфрезерованы продольные и поперечные каналы 4, 5 для подачи водорода и воздуха к газодиффузионным слоям топливного элемента и технологические отверстия 6. На катодной и анодной поверхности основания 1 биполярной пластины методом ионно-лучевой обработки были имплантированы слои 2, 3 углерода толщиной около 200 нм.
На фиг.2 приведен типичный график распределения концентрации углерода на анодной и катодной поверхности основания биполярной пластины (материал титан ВТ1-0). На фиг.3 приведены типичные кривые плотности мощности водородно-воздушного топливного элемента с токосъемными пластинами из металла без покрытий и металла, легированного углеродом (материал титан ВТ1-0). Как показывают расчеты и экспериментальные данные, решение поставленной задачи создания эффективных и надежных биполярных пластин становится возможным в случае использования каждого из упомянутых материалов. При этом технология изготовления биполярной пластины с другими материалами основания (алюминий, нержавеющая сталь, а также сплавы титана, алюминия и нержавеющей стали) аналогична описанной для титана с учетом изменения характеристик каждого из металлов.
Биполярная пластина топливного элемента функционирует следующим образом.
После фрезерования в основании 1 указанных каналов 4, 5 и сверления отверстий 6 рабочие поверхности биполярной пластины подвергают ионной имплантации потоком ускоренных до 20 кэВ ионов углерода для легирования катодной и анодной поверхности биполярной пластины и получения легированных углеродом слоев 2, 3. Биполярную пластину размещают в сборке топливных элементов между мембранно-электродными блоками на основе протонобменных мембран и осуществляют подачу водорода в каналы 5 и воздуха в каналы 4 с последующим отбором электрической энергии.
Как было указано, для предложенного устройства ионная имплантация углерода 12 в биполярные пластины осуществлялась на специализированном стенде при отработке ионных источников ЗАО «РИМОС». Измерение дозы имплантации углерода по глубине профиля распределения шлифованной пластины из титана марки ВТ1-0 (ТУ 1-5-063-85) производилось методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на оборудовании САМЕСА IMS4F (Франция).
Из фиг.2 следует, что на участке 200-220 нм сосредоточено наибольшее содержание углерода. При меньшей энергии ионов пик концентрации смещается ближе к поверхности титана, а при большей, соответственно, на большую глубину. Результаты измерений дозы имплантации углерода по глубине профиля распределения в титановой пластине показывают, что глубина эффективного для решаемой задачи поверхностного слоя составляет 200…220 нм, что является достаточным для получения принципиально новых физико-химических свойств нанослоев биполярных пластин. Слой металла, легированный углеродом, имеет характеристики близкие к характеристикам углерода, но составляет с титановым основанием одно целое, то есть обладает прочностными характеристиками, соответствующими основному металлу.
Кривую распределения концентрации углерода в титане условно можно разбить на несколько участков (Фиг.2).
18
-2
Участок от поверхности до глубины 200 нм характеризуется достаточно постоянной концентрацией углерода. На участке 200…220 нм сосредоточено наибольшее содержание углерода. При меньшей энергии пик концентрации сместится ближе к поверхности титана, а при большей, соответственно, на большую глубину. Данное распределение концентрации углерода в титане получено при энергии ионов 20 кэВ, дозе имплантации 10см и температуре обрабатываемого изделия 300°С±10°С.
На следующем участке 230…300 нм наблюдается резкое падение концентрации углерода из-за недостаточности энергии для большинства ионов проникать на такую глубину. Участок, отстоящий от поверхности более чем на 300 нм, характеризуется работой оборудования САМЕСА IMS4F за пределами достоверных измерений концентрации примеси. Это говорит о практическом отсутствии углерода на таких глубинах при ионной имплантации с вышеуказанными энергией ионов и температурой образца.
Полученные после метода ионной имплантации титановые биполярные пластины были исследованы на электрические характеристики.
2
На фиг.3 представлены кривые плотности мощности для топливных элементов с биполярными пластинами из титана без обработки и с титаном легированным углеродом. Абсолютные значения мощности отнесены к площади активной поверхности мембранно-электродного блока, составляющей 2,16 см. Из графиков следует, что легирование углеродом приводит к улучшению удельных характеристик топливных элементов. Результаты исследования полученных образцов методом импедансной спектроскопии говорят о том, что легирование основания ионами углерода уменьшает суммарное омическое сопротивление биполярной пластины по сравнению с титаном без покрытий примерно в 1,4 раза за счет уменьшения контактных потерь.
Опытные образцы топливных элементов с биполярными пластинами предложенной конструкции были изготовлены с использованием упомянутых стендов и опробованы на специализированном оборудовании. Проведенные испытания подтвердили основные тактико-технические характеристики топливных элементов, в которых использованы предложенные биполярные пластины. Испытания также подтвердили технико-экономическую эффективность предложенного технического решения.