БИПОЛЯРНАЯ ПЛАСТИНА

Полезная модель относится к энергетической и электрохимической отраслям промышленности и может найти применение при производстве водородно-воздушных топливных элементов с мембранно-электродными блоками на основе протонообменных мембран.
Известна биполярная пластина, включающая, выполненный из графитсодержащего материала, пластинчатый элемент с катодной и анодной сторонами, проточными каналами для топливного газа и кислородсодержащего агента на анодной и катодной стороне, соответственно, а также с топливоподводящими каналами (RU 82501).
Конфигурацию проточных каналов (в виде продольных канавок, путь воздуха в которых неоптимальный) на катодной стороне пластины, а также слишком узкую активную область на анодной стороне пластины, можно отнести к недостаткам известной конструкции. Это выражается в конечном итоге в снижении удельных мощностных и эксплуатационных характеристик батареи топливных элементов, собранной с использованием данных биполярных пластин.
Известна также биполярная пластина, в которой центральная (активная) область содержит выступы, распределенные по ее поверхности (RU 2267833).
Основным недостатком известной пластины является наличие периферийной части. При таком выполнении пластина не сможет эффективно работать в малогабаритных стеках, поскольку площадь активной области будет слишком мала, что приведет к значительному снижению удельных мощностных характеристик (в пересчете на массу и объем) батареи топливных элементов, собранной с использованием данных биполярных пластин.
Техническим результатом заявленной полезной модели является улучшение ее мощностных и эксплуатационных характеристик, за счет увеличения площади активной области и создания оптимальной конфигурации проточных каналов для газа-окислителя (кислородсодержащего агента), при сохранении общих габаритов пластины.
Технический результат достигается за счет того, что биполярная пластина, включает пластинчатый элемент с анодной и катодной сторонами, проточными каналами для топливного газа и для газа-окислителя на анодной и катодной сторонах, соответственно. По краям пластинчатого элемента выполнены каналы для подвода и отвода топливного газа (далее топливоподводящие каналы) в виде сквозных отверстий. Проточные каналы для газа-окислителя на катодной стороне пластинчатого элемента образованы за счет размещения по всей ее поверхности отдельных выступов, причем выступы на периферийных частях катодной стороны распределены равномерно в линейном порядке, в областях, прилегающих к сквозным отверстиям топливоподводящих каналов - по дугообразным линиям, а в центральной части - хоатично (неравномерно), при этом все выступы на катодной стороне пластины имеют одинаковую высоту.
Биполярная пластина изготавливается из материала с низким удельным электрическим сопротивлением, например, из графитсодержащего материала или металла.
На противоположных концах катодной стороны пластины выполняются выступы-утолщения прямоугольной формы с двумя скругленными углами, а в утолщениях выполняются кольцевые выемки под уплотнительные прокладки.
На анодной стороне пластины по ее периметру выполнены два выступа с образованием между ними выемки под уплотнительную прокладку. Проточный канал для топливного газа на анодной стороне пластины образован стенками внутреннего выступа.
Ширина выступов, расположенных линейно по периферии катодной стороны пластины, равна не менее ширины выступов и выемки по периметру анодной стороны.
Предложенная совокупность существенных признаков позволяет решить задачу повышения удельных мощностных и эксплуатационных характеристик батареи топливных элементов, собранной с использованием данных биполярных пластин.
Указанное выполнение и взаимное расположение элементов конструкции, а именно определенная конфигурация проточных каналов для газа-окислителя, за счет оптимального, определенного экспериментальным путем и теоретическими расчетами, порядка распределения выступов по поверхности катодной стороны, позволяет значительно улучшить удельные мощностные и эксплуатационные характеристики конструкции батареи топливных элементов, собранной с использованием данных биполярных пластин.
Причем, распределение выступов по всей поверхности катодной стороны пластины, позволяет существенно увеличить размеры активной области, при сохранении общих габаритов пластины, что в конечном итоге также положительно сказывается на рабочих характеристиках пластины. Конструкция заявленной пластины специально разрабатывалась для малогабаритных батарей топливных элементов с воздушным охлаждением, используемых, например, в робототехнике. Батарея топливных элементов из пластин при указанном применении должна иметь малые габариты и максимально возможную при этом рабочую площадь пластин, поэтому в используемых пластинах периферийные области крайне нежелательны, поскольку их наличие сильно сужает размеры активной области, а, следовательно, отрицательно сказывается на рабочих характеристиках пластины и батареи топливных элементов.
Заявленная полезная модель проиллюстрирована графическими материалами.
На Фиг. 1 представлена биполярная пластина - вид сверху (на катодную сторону);
На Фиг. 2 - вид Б на Фиг. 1;
На Фиг. 3 - разрез по В-В Фиг. 1;
На Фиг. 4 - биполярная пластина - вид снизу (на анодную сторону);
На Фиг. 5 - общий вид биполярной пластины.
Заявленная биполярная пластина включает, изготовленный из графитсодержащего материала или металла, пластинчатый элемент 1 с анодной стороной 2 и катодной стороной 3.
На анодной стороне 2 пластины по ее периметру выполнены два выступа 4 и 5 с образованием между ними выемки 6 под уплотнительную прокладку (на чертежах не показаны). Проточный канал 7 для прохождения топливного газа образован стенками внутреннего выступа 5. Катодная сторона 3 выполнена с выступами 8, распределенными по всей ее поверхности, с образованием проточных каналов 9 для газа-окислителя. Таким образом, вся поверхность катодной стороны пластины с распределенными на ней определенным образом выступами 8, будет являться активной областью биполярной пластины. Пластинчатый элемент 1 выполнен с выступами-утолщениями 10 расположенными на противолежащих (противоположных) концах его катодной стороны 3. Выступы 10 преимущественно имеют прямоугольную форму, при этом углы, расположенные ближе к центру пластины, являются сглаженными (скругленными). В зоне утолщений 10 выполнены сквозные отверстия 11, являющиеся топливоподводящими каналами и кольцевые выемки 12 под уплотнительные прокладки (на чертежах не показаны). Все выступы 8 на катодной стороне имеют одинаковую высоту. Высота утолщений 10 равна высоте выступов 8.
Габаритные размеры биполярной пластины в образце составляют по длине 25-35 см и по ширине 15-25 см. Активная область биполярных пластин, используемых для изготовления батарей топливных элементов таких габаритов, была максимально увеличена, т.к. с этим напрямую связана мощность батареи, а также удобство и эффективность ее эксплуатации.
Биполярная пластина в образце изготавливается из графитсодержащего материала с низким удельным электрическим сопротивлением.
Порядок распределения выступов по поверхности катодной стороны 3 подбирался экспериментальным путем и с учетом теоретических расчетов.
На периферийных частях (по периметру пластины) выступы распределены равномерно в линейном порядке, что обеспечивает равномерное поступление газа-окислителя в активную область пластины и необходимую герметизацию батареи топливных элементов при использовании уплотнительных прокладок.
В областях, прилегающих к утолщениям прямоугольной формы с двумя скругленными углами (в зоне сквозных отверстий) выступы расположены по дугообразным линиям, а в центральной части катодной стороны пластины - хаотично, но с сохранением равномерного распределения выступов по площади центральной части.
Такое расположение выступов способствует максимальным завихрениям потока газа-окислителя в активной области, что обеспечивает эффективное пассивное охлаждение за счет естественной конвекции или активное охлаждение при подключении к батарее вентилятора.