БИПОЛЯРНАЯ ПЛАСТИНА ЩЕЛОЧНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение относится к областям электротехники и прямого преобразования химической энергии в электрическую, в частности, к конструкции биполярной пластины щелочного топливного элемента (ТЭ).
Известна конструкция биполярной пластины ТЭ, описанная в патенте США №6261710 (класс МПК Н01М 8/02, дата приоритета 25.11.1998 г.) [1]. Биполярная пластина ТЭ содержит верхнюю и нижнюю разделительные пластины, предназначенные для разделения полостей топлива, окислителя и хладагента, а также для равномерного распределения потоков этих компонентов по площади ТЭ и электрической коммутации элементов в батарее. В состав биполярной пластины ТЭ кроме разделительных пластин входит уплотняющая прокладка.
В соответствии с описанной в патенте конструкцией биполярной пластины ТЭ, разделительные пластины соприкасаются в центральной части биполярной пластины через полусферические выпуклости, выштампованные в нижней разделительной пластине, образуя центральную внутреннюю полость, в которую поступает хладагент. Поперечный размер центральной полости определяется максимальным размером выпуклостей. Через соприкосновение выпуклостей нижней разделительной пластины и боковых граней треугольных ребер верхней разделительной пластины осуществляется электрическая коммуникация. По каналам на внешних сторонах разделительных пластин в ТЭ поступают топливо и окислитель (воздух), а по внутренней полости - хладагент. По периферии разделительные пластины уплотняются прокладками.
Недостатки аналога заключаются в следующем. Биполярная пластина ТЭ состоит из трех отдельных деталей: двух разделительных пластин и уплотняющей прокладки.
Во-первых, это приводит к существенному увеличению уплотняемого периферийного периметра и, как следствие, осложняет обеспечение герметичности не только ТЭ, но и батареи топливных элементов.
Во-вторых, точечные электрические контакты приводят к повышенным потерям напряжения ТЭ, особенно при больших токах нагрузки.
Наконец, наличие в биполярной пластине трех отдельных деталей вместо одной усложняет и удорожает процесс сборки батареи топливных элементов.
Другая конструкция биполярной пластины ТЭ, принятая за прототип, описана в заявке на изобретение США №2004137309 (класс МПК Н01М 8/02, дата приоритета 18.11.2003 г.) [2]. Согласно заявленной конструкции биполярная пластина состоит из двух соприкасающихся металлических тонкостенных профилированных разделительных пластин.
Разделительные пластины вложены друг в друга. Наружные каналы разделительных пластин образуют анодную и катодную полости, а внутренние каналы - центральную полость. В центральной полости осуществляется риформинг топлива, для чего на внутреннюю поверхность нижней разделительной пластины нанесен слой катализатора. Риформированное топливо, содержащее водород, из центральной полости направляется в анодную полость. Реакция риформинга является эндотермической и для ее протекания требуется подвод тепла. Используется тепло, которое выделяется в ТЭ в реакции окисления топлива, оно через разделительные пластины поступает в центральную полость. Таким образом, центральная полость выполняет еще и функцию охлаждения ТЭ.
Недостатки прототипа также связаны с тем, что биполярная пластина ТЭ по данной заявке является конструкцией, состоящей из не скрепленных между собой разделительных пластин. Это обстоятельство, как и в описанном ранее аналоге, по-прежнему не позволяет радикально решить вопросы уплотнения и надежного электрического контакта разделительных пластин между собой. Последнее особенно важно при длительной эксплуатации, когда из-за постепенного окисления на поверхности металлических разделительных пластин нарастают плохо проводящие окисные слои.
Задачей заявляемой конструкции биполярной пластины щелочного ТЭ является создание герметичного, не нуждающегося в уплотняющих прокладках, неразъемного изделия из тонкостенных пластин с обеспечением надежной при длительной эксплуатации электрической коммутации.
Решение поставленной задачи заключается в том, что в известной конструкции биполярной пластины ТЭ, содержащей две тонкостенные металлические профилированные разделительные пластины, вложенные друг в друга, с каналами для подачи топлива, окислителя и хладагента, периферийные рамки, согласно заявляемого технического решения, между периферийными рамками установлены разделительные пластины, разделительные пластины выполнены таким образом, что верхняя пластина с внешними каналами для подачи топлива опирается на гребни и впадины нижней пластины с внешними каналами для подачи окислителя. Кроме того, разделительные пластины и периферийные рамки соединены между собой, например, спаяны коррозионно-стойким, высокопроводящим припоем. В периферийных рамках имеются каналы для подачи реагентов и хладагента.
В предложенной конструкции биполярной пластины щелочного ТЭ предпочтительно использовать сепаратные пластины, изготовленные, например, штамповкой, из листового металла толщиной от 0,1 до 0,35 мм.
Как показали эксперименты, при толщине большей 0,35 мм, биполярная пластина щелочного ТЭ не удовлетворяет конструктивным требованиям, а при толщине меньшей 0,1 мм, иногда возникают разрывы в местах наибольшего утонения.
На фигуре представлена заявляемая конструкция биполярной пластины щелочного ТЭ в разрезе, которая состоит из верхней (1) и нижней (2) разделительных пластин, а также периферийных рамок (3). Пластины и рамки соединены между собой. В периферийных рамках (3) организованы вертикальные каналы (4), образующие при сборке батареи ТЭ коллекторы подачи и отвода топлива, окислителя и хладагента, а также горизонтальные каналы (5), по которым топливо, окислитель и хладагент поступают соответственно в полости окислителя (6), топлива (7) и хладагента (8), образованные разделительными пластинами (2 и 3).
На фигуре показан разрез периферийной рамки (3), выполненный по каналу окислителя. Кроме этого, на фигуре представлены топливный электрод (9), окислительный электрод (10) и электролитосодержащие матрицы (11), каждая из которых имеет периферийную уплотнительную рамку (12).
Полость окислителя (6) организована между поверхностью нижней разделительной пластины (2) и окислительным электродом (10), поверх которого находится электролитосодержащая матрица (11). Полость топлива (7) организована между поверхностью верхней разделительной пластины (1) и топливным электродом (9), поверх которого также находится электролитосодержащая матрица (11). Между внутренними поверхностями верхней (1) и нижней (2) разделительных пластин образована полость хладагента (8).
Согласно заявляемого технического решения биполярная пластина щелочного ТЭ изготавливается из двух периферийных рамок и расположенных между ними двух разделительных пластин, полученных, например, штамповкой. Материал разделительных пластин, например, никель НП2 толщиной 0,1 мм, а периферийных рамок, например, никель НП2, толщиной 0,35 и 0,7 мм. Все детали спаяны между собой припоем, например, на основе серебра, обеспечивая прочность и герметичность изделия.
Работа ТЭ с предлагаемой биполярной пластиной щелочного ТЭ происходит следующим образом. Из вертикального канала (4) (в данном случае, из коллектора подачи окислителя) по горизонтальному каналу (5) окислитель поступает в каналы нижней разделительной пластины (2), образующие полость окислителя (6), и из нее - к окислительному электроду (10). Аналогичным образом топливо из соответствующего вертикального канала рамки через горизонтальные каналы поступает в верхние каналы верхней разделительной пластины (1), т.е. в полость топлива (7), и из нее к топливному электроду (9). При подключении внешней электрической нагрузки в результате протекания тока идут электродные реакции окисления топлива и восстановления окислителя. Выделяющееся при работе тепло снимается хладагентом, циркулирующим по полости хладагента (8), подача и отвод которого также организован аналогичным образом.
2
Были изготовлены биполярные пластины щелочных ТЭ заявляемой конструкции под электроды площадью 700 см. Все они соответствовали конструктивным требованиям. Герметичность полостей хладагента относительно полостей топлива и окислителя, всех трех полостей относительно внешней среды, а также батарей топливных элементов, собранных с использованием заявляемых биполярных пластин щелочных ТЭ соответствовала заложенным техническим требованиям. Полученные биполярные пластины щелочного ТЭ успешно эксплуатировались в батареях топливных элементов.
Использование заявляемой конструкции позволяет изготавливать многоэлементные герметичные батареи топливных элементов, способные длительное время надежно эксплуатироваться как при атмосферном давлении топлива, окислителя, так и при давлениях, значительно превышающих атмосферное, а также в вакууме. Все это позволяет применять их не только в традиционных областях, но также в космосе и подводных аппаратах.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США на изобретение №6 261 710 (класс МПК Н01М 8/02, дата приоритета 25.11.1998 г.)
2. Заявкае на изобретение США №2004137309 (класс МПК Н01М 8/02, дата приоритета 18.11.2003 г.)