ПЛАСТИНЫ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКОВ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
PLATES FOR DISTRIBUTION OF FLUID MEDIUM FLOWS IN FUEL CELLS

Настоящее изобретение относится к топливным элементам и, в частности, к пластинам для распределения потоков текучей среды, подходящим для использования в топливных элементах с твердым полимерным электролитом, в которых пластины служат каналами для подачи текучей среды к поверхностям электродов топливного элемента.
Обычные электрохимические топливные элементы преобразуют топливо и окислитель в электрическую энергию и продукты реакции. Типовая компоновка обычного топливного элемента 10 показана на фиг.1, где для большей ясности различные слои изображены в разобранном виде. Мембрана 11 из твердого полимера для переноса ионов вложена между анодом 12 и катодом 13. Обычно и анод 12, и катод 13 выполняют из электропроводного пористого материала, например пористого углерода, с которым связаны маленькие частички платины и/или иного катализатора на основе благородного металла. Анод 12 и катод 13 часто присоединяют непосредственно к соответствующим примыкающим поверхностям мембраны 11. Этот пакет в целом обычно именуют мембранно-электродным блоком или МЭБ (МЕА) 17.
Полимерная мембрана и пористые электродные слои вложены между анодной пластиной 14 для распределения потоков текучей среды и катодной пластиной 15 для распределения потоков текучей среды. Между анодной пластиной 14 для распределения потоков текучей среды и анодом 12 и аналогично между катодной пластиной 15 для распределения потоков текучей среды и катодом 13 могут быть вложены промежуточные защитные слои 18 и 19, именуемые здесь также диффузионными слоями. Эти защитные слои имеют пористую структуру и изготовлены таким образом, чтобы обеспечить эффективную диффузию газа к поверхностям анода и катода и от этих поверхностей, а также поддерживать распределение паров воды и жидкой воды.
Пластины 14, 15 для распределения потоков текучей среды выполнены из электропроводного непористого материала, позволяющего создать электрический контакт с соответствующими электродом анода 12 или электродом катода 13. В то же время пластины для распределения потоков текучей среды способствуют подаче и/или удалению топлива, окислителя и/или продуктов реакции, в виде газа или жидкости, к пористым электродам 12, 13 или от них. Это обычно осуществляется путем создания протоков в поверхности пластин для распределения потоков текучей среды, например канавок или каналов 16 в поверхности, обращенной к пористым электродам 12, 13.
Как изображено также на фиг.2(a), одна из традиционных конфигураций канала для распределения потока текучей среды представляет собой выполненную в поверхности анодной 14 (или катодной 15) пластины для распределения потоков текучей среды серпантинную структуру 20, имеющую впускное отверстие 21 и выпускное отверстие 22, как показано на фиг.2(a). Для обычной конструкции следует понимать, что серпантинная структура 20 содержит канал 16 в поверхности пластины 14 (или 15), а каждое отверстие 21 и 22 содержит проходящее сквозь пластину отверстие, так что текучая среда для подачи в серпантинную структуру 20 или удаления из нее может проходить сквозь толщу пакета пластин в направлении перпендикулярно плоскости пластин, как, в частности, показано стрелкой на разрезе А-А на фиг.2(b).
Как видно на фиг.3, в обычной батарее 30 топливных элементов пакеты пластин собраны в многослойную конструкцию. В такой конструкции соседние катодная и анодная пластины для распределения потоков текучей среды объединены обычным образом, так что образована одна биполярная пластина 31, имеющая анодные каналы 32 на одной стороне и катодные каналы на противоположной стороне, а каждая пластина примыкает к соответствующему мембранно-электродному блоку (МЭБ, (МЕА)) 34. Впускные отверстия 21 и выпускные отверстия 22 наложены одни на другие, так что образованы впускной и выпускной коллекторы для всей батареи. Различные элементы батареи показаны, для ясности, немного отдельно одни от других, хотя следует понимать, что в рамках настоящего изобретения эти элементы должны быть сжаты вместе с использованием уплотнительных прокладок.
В системе могут быть выполнены также другие коллекторные отверстия 23, 25 для связи топлива, окислителя, других газов или отходящих продуктов реакции с другими каналами в пластинах, как в примере, показанном на фиг.2(a).
Каналы 16 в пластинах 14, 15 для распределения потоков текучей среды могут быть открыты на обоих концах, т.е. каналы, проходящие между впуском 21 и выпуском 22, допускают непрерывный сквозной поток текучей среды. Такая конструкция с открытыми концами обычно используется для комбинированной подачи окислителя и удаления реагентов. В альтернативном варианте каналы 16 могут быть закрытыми на одном конце, т.е. каждый канал сообщается только с впуском 21 для подачи текучей среды, обеспечивая все 100% переноса газообразного материала в пористые электроды МЭБ и от электродов. Закрытый канал может быть обычно использован для подачи водородного топлива в МЭБ 11-13 в структуре гребенчатого типа.
Для обеспечения возможности получать от топливного элемента большую и стабильную мощность, обычно необходимо поддерживать высокое содержание воды в мембранно-электродном блоке и, в частности, в мембране.
В известных устройствах это обычно достигается путем увлажнения подаваемых в топливный элемент газов - топлива, воздуха или и топлива, и воздуха, поступающих через отверстия 21, 22 или 23 и каналы 16. Недостаток такого способа заключается в том, что для поддержания достаточного уровня увлажнения входящие потоки газов обычно нуждаются в подогреве и дополнительном оборудовании для введения паров воды в указанные потоки газов.
В известных устройствах такое дополнительное оборудование может быть реализовано несколькими способами. Применяется барботирование газообразных топлива или окислителя через колонны с подогретой водой перед поступлением в топливный элемент. В альтернативном варианте в качестве материала, переносящего воду, можно использовать проницаемые мембраны, вода переносится в поток газа из смежной камеры, содержащей жидкую воду. Аналогичным образом были применены фитили в качестве средства переноса воды из жидкого состояния в паровую фазу.
Дополнительное оборудование может быть выполнено отдельно от пакета топливных элементов или в качестве составной части пакета. В любом случае с этим связано увеличение размеров и сложности устройства в целом.
Альтернативным способом является подача воды непосредственно к мембране 11, 34, например непосредственно к поверхностям электродов или в каналы 16 биполярных пластин 31. Преимуществом такого способа является обеспечение не только подачи воды с целью поддержания высокого содержания воды в мембране, но и возможность охлаждения топливного элемента путем испарения воды и отведения скрытой теплоты парообразования.
Такое непосредственное удаление тепла, обеспечивающее извлечение энергии через поток отходящих газов, обладает явными преимуществами, обусловленными исключением промежуточных охлаждающих пластин в батарее топливных элементов.
В известных устройствах обычно используют режим охлаждения путем распределения теплообменных пластин между электрохимически активными пластинами для извлечения тепловой энергии, выделяемой вследствие резистивной и термодинамической неэффективности топливного элемента. Эти теплообменные или охлаждающие пластины используют рециркулирующий или, реже, односторонний поток текучей среды, уносящий тепло из пакета топливных элементов. Охлаждающие пластины в общем отличаются по конструкции от активных пластин и тем самым увеличивают сложность, габариты и стоимость батареи топливных элементов.
Сложность, с которой можно столкнуться при прямой подаче воды, заключается в необходимости вводить точно определенные количества воды в многочисленные каналы 16 в пластинах для распределения потоков текучей среды в пакете 30 топливных элементов. Обычно требуется подавать точно определенные количества воды во многие тысячи отдельных мест. Для достижения этой цели требуется сложная конструкция пластин 14, 15 или 31 для распределения потоков текучей среды, чего значительно труднее добиться и что увеличивает стоимость изготовления пластин.
При неравномерной подаче воды охлаждение может быть также распределено неравномерно, что приводит к образованию локализованных горячих мест, где вследствие перегрева могут возникнуть физические напряжения и ухудшение механических свойств мембраны 11 и в конечном итоге ее разрушение. Такой эффект наблюдается как при плохой (неравномерной) подаче по поверхности пластины, так и при неодинаковой подаче в каждый из отдельных элементов, составляющих пакет. Другими словами, могут возникнуть вариации температуры внутри топливного элемента или от элемента к элементу.
Как показано на фиг.4(a) и 4(b), в одном из известных решений вышеуказанных проблем обеспечивают ряд протоков для инжекции воды, проходящих между впуском 25 для воды и отдельными каналами 16 пластины 40а или 40b для распределения потоков текучей среды. Вообще говоря, протоки для инжекции воды выполняют с помощью мембранной или многослойной структуры, которая лежит на поверхности пластины 40а, 40b для распределения потоков текучей среды. Входы этих инжекционных протоков сообщаются с впускным коллектором 25 для воды, а выходы определяют заданные точки инжекции воды в каналы 16 пластины для распределения потоков текучей среды.
Многослойная структура в общем выполнена в виде двух слоев 41, 42 фольги, наложенных на пластину 40, положение этих слоев фольги показано штриховым контуром на фиг.4(a) и 4(b).
Фиг.4(a) иллюстрирует вид в плане пластины 40а для распределения потоков текучей среды с серпантинным каналом 16 и со слоями 41а, 42а фольги, первые края 43а, 44а которых совпадают с впускным коллектором 25 для воды, а вторые края 45а, 46а расположены в заданных точках 49 для инжекции воды в каналы 16 или рядом с этими точками.
Фиг.4(b) иллюстрирует вид в плане пластины 40b для распределения потоков текучей среды с двумя каналами 47, 48 встречно-гребенчатой конфигурации, каждый из которых сообщается с соответствующим коллектором 21, 22 и со слоями 4lb, 42b фольги, первые края 43b, 44b которых совпадают с впускным коллектором 25 для воды, а вторые края 45b, 46b расположены в заданных точках для инжекции воды в канал 47 или рядом с этими точками.
Слой фольги согласно вышеизложенному известному решению является дополнительным компонентом, вводимым в сборку топливного элемента. Этот компонент должен быть по необходимости тонким (обычно около 40 мкм), чтобы его можно было загерметизировать в области уплотнения топливного элемента. Протоки для инжекции воды, сформированные в слое фольги, обычно создают посредством травления. Для эффективной подачи охлаждающей воды в каждый из каналов на пластине для распределения потоков текучей среды вытравленные протоки должны иметь одинаковую глубину и сложную, воспроизводимую с высокой точностью конфигурацию. Сочетание указанных факторов ведет к увеличению стоимости и сложности топливного элемента и к потенциальным затруднениям контроля качества подобных точно спроектированных и изготавливаемых компонентов.
Целью настоящего изобретения является обеспечение распределения хладагента в топливном элементе с уменьшенной сложностью.
Первым объектом настоящего изобретения является пластина для распределения потоков текучей среды с целью использования в топливном элементе, причем пластина содержит первое множество каналов, выполненных в первой поверхности пластины и проходящих по этой поверхности в заданной конфигурации. Пластина имеет загнутую область вдоль бокового края, причем загнутая область содержит камеру и граничную область, продольная ось камеры, по существу, параллельна краю пластины, а граничная область содержит два смежных и обращенных один к другому участка первой поверхности.
Вторым объектом настоящего изобретения является способ изготовления пластины для распределения потоков текучей среды, предназначенной для использования в топливном элементе, включающий:
формирование первого множества каналов в первой поверхности пластины, причем каналы проходят по поверхности в заданной конфигурации,
формирование загнутой области вдоль бокового края пластины, причем загнутая область содержит камеру и граничную область,
продольная ось указанной камеры по существу параллельна краю пластины, а граничная область содержит два смежных и обращенных один к другому участка первой поверхности.
Варианты осуществления настоящего изобретения далее будут описаны на примерах и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 показывает схематичное сечение части известного топливного элемента;
фиг.2(а) и 2(b) соответственно показывают упрощенные вид в плане и разрез пластины для распределения потоков текучей среды в топливном элементе, изображенном на фиг.1;
фиг.3 показывает разрез известного пакета топливных элементов с биполярными пластинами;
фиг.4(a) иллюстрирует вид в плане пластины для распределения потоков текучей среды в топливном элементе с серпантинным каналом для потока текучей среды, контурно показано положение перекрытия фольги для распределения воды и покрывающей фольги;
фиг.4(b) иллюстрирует вид в плане пластины для распределения потоков текучей среды в топливном элементе с переплетенным каналом для текучей среды встречно-гребенчатой конфигурации, контурно показано положение перекрытия фольги для распределения воды и покрывающей фольги;
фиг.5(a) показывает вид в перспективе части пластины для распределения потоков текучей среды с каналами, выполненными в первой поверхности пластины;
фиг.5(b) показывает вид в перспективе части пластины для распределения потоков текучей среды (фиг.5а) после операции сгибания пластины;
фиг.6 показывает схематичное сечение согнутой пластины для распределения потоков текучей среды, изображенной на фиг.5;
фиг.7 показывает изометрическое изображение согнутой пластины для распределения потоков текучей среды;
фиг.8 показывает изометрическое изображение усеченной части согнутой пластины для распределения потоков текучей среды; и
фиг.9 показывает изометрическое изображение части частично собранного пакета топливных элементов, содержащего согнутую пластину для распределения потоков текучей среды.
Фиг.1-4 уже были описаны выше в связи с известными вариантами батарей топливных элементов и их компонентов.
На фиг.5(а) показана пластина 51а для распределения потоков текучей среды, имеющая множество каналов 53, выполненных в первой поверхности 57 пластины. На первой поверхности 57 выполнены первая 54а и вторая 54b загнутые поверхности. На одной или обеих загнутых поверхностях 54а, 54b может быть выполнена поверхностная текстура. Поверхностная текстура (функции которой будут рассмотрены позднее) может быть сформирована путем, например, абразивной обработки, травления или тиснения одной или обеих загнутых поверхностей 54а, 54b.
Пластина 51а для распределения потоков текучей среды, показанная на фиг.5(а), в результате выполнения операции сгибания превращается в согнутую пластину 51b для распределения потоков текучей среды, как показано на фиг.5(b), где теперь в пластине 5lb образована согнутая область 52. Согнутая область 52 содержит камеру 55, продольная ось которой параллельна краю 58 пластины 51b, и граничную область 56, образованную загнутыми поверхностями 54а, 54b, обращенными одна к другой и расположенными вплотную одна к другой. Граничная область образует соединение для текучей среды, проходящее от камеры к каналам 53 на первой поверхности 57. Газообразные топливо или окислитель могут поступать в каналы 53 через отверстия вдоль края пластины 51а для распределения потоков текучей среды напротив согнутой области. В соответствии с другим вариантом топливо или окислитель могут поступать через один или более элементов для распределения текучей среды в одном или более других компонентов, например в уплотнителе или в распределительном коллекторе, герметично присоединенном к поверхности 57.
Предпочтительно граничная область 56 проходит к каналам 53, так что хладагент, проходящий вдоль граничной области 56, выходит на выпускном краю 56а и входит в каналы 53, выполненные возле этого края. Выпускной край 56а может быть, необязательно выполнен таким образом, что хладагент выходит из граничной области прямо в каналы, например за счет того, что загнутая поверхность 54а частично накладывается на каналы 53 или на заданное число каналов при подходящей форме края 56а. Выпускной край 56а может, например, иметь зубчатую или иную форму, для того, чтобы способствовать образованию точек концентрации воды, соответствующих каналам 53. Например, такое профилирование может быть выполнено таким же, как и на краю 46b (фиг.4(b)) эквивалентной фольги. Другие компоненты, например диффузионный слой, расположенный рядом с поверхностью 57, могут выполнять функцию распределения хладагента от выпускного края 56а граничной области в каналы.
На фиг.6 показано сечение части пластины 51 для распределения потоков текучей среды в виде биполярной пластины, т.е. имеющей анодную сторону 60 и катодную сторону 69. В этом случае катодные каналы 53 (на фиг.6 не показаны) и анодные каналы 61 сформированы в пластине 51 способом пластического формования, например путем тиснения металлической пластины-заготовки. На сечении показан анодный канал 61 для протекания текучей среды, по которому протекает топливо, обозначенный стрелками 62. Поток окислителя вдоль катодной стороны 69 обозначен стрелками 63. Поток 62 топлива и поток 63 окислителя могут быть в открытых областях ячеек сжимаемого уплотнителя, как описано, например, в заявке Великобритании No. 0601986.3. Анодная сторона 60 и катодная сторона 69 герметично изолированы одна от другой посредством биполярной пластины 51 и уплотнителя 68. На анодной стороне 60 пластины 51 выполнен анодный диффузионный слой 66, а на катодной стороне 69 - катодный диффузионный слой 65. Мембранно-электродные блоки (МЭБ) 65 расположены с каждой стороны. Такую сборку повторяют с одинаковыми блоками для получения пакета топливных элементов.
Согнутая область 52 пластины 51 содержит камеру 55 и граничную область 56. В камере 55 показан хладагент 64, которым предпочтительно является вода. Хладагент 64 проходит из камеры через граничную область 56 и течет из граничной области на катодную сторону 69 вдоль выпускного края 56а граничной области в направлении, обозначенном стрелкой 70. Хладагент далее течет сквозь катодный диффузионный слой 65 и по каналам 53 для потока текучей среды на катодной стороне (показаны на фиг.5(а)). Охлаждение пластины 51 предпочтительно усиливается за счет испарения хладагента на катодной стороне 69. Затем хладагент покидает топливный элемент вместе с подаваемым окислителем и отходящим газом, унося тепло из топливного элемента.
Граничная область 56 предпочтительно содержит множество протоков, распределенных по одной или по обеим загнутым поверхностям 54а, 54b. Эти протоки могут быть изготовлены различными способами, одним из простейших среди которых является создание заданного уровня шероховатости поверхности на одной или на обеих поверхностях 54а, 54b для получения текстурированной поверхности. При соединении загнутых поверхностей 54а, 54b между вершинами элементов рельефа на этих поверхностях образуется сетка соединенных между собой протоков. Протоки предпочтительно имеют средний размер поперечного сечения (обычно около 25 мкм или меньше, а предпочтительнее около 5 мкм или меньше), который обеспечивает достаточное падение давления на граничной области, проходящей между камерой 55 и катодными каналами 53. Это позволяет добиться равномерного распределения хладагента между каналами 53, минимизируя падение давления вдоль длины камеры 55. Граничная область тем самым образует дозирующий интерфейс, создающий сопротивление потоку воды и противодавление для подачи воды и обеспечивающий равномерное распределение по ширине пластины 51.
Функция дозирующего интерфейса у граничной области 56 может быть в других вариантах реализована посредством тиснения, микротравления, пескоструйной обработки или иным подходящим способом формирования поверхности или путем абразивной обработки. Можно также вложить пористый материал между загнутыми поверхностями 54а, 54b, так что дозирующую функцию будет выполнять этот материал. Подходящим пористым материалом может быть бумага, ткань или вспененный политетрафторэтилен (ПТФЭ (PTFE)).
На фиг.7 показано изометрическое изображение части пластины 51 для распределения потоков текучей среды, на которой образована согнутая область 52, содержащая камеру 55 и граничную область 56. В первой поверхности 57 пластины 51 способом тиснения выполнены каналы 53. В согнутом крае 58 пластины 51 могут быть выполнены одно или более отверстий 71 для ввода жидкого хладагента в камеру 55, причем отверстие 71 проходит от наружной поверхности согнутой области 52 к камере 55.
На фиг.8 показан разрез пластины 51, изображенной на фиг.7, где анодный канал 61 показан на второй поверхности 59 пластины 51, соответствующей анодной стороне 60 на фиг.6.
Камеру 55 в согнутой области 52 предпочтительно герметизируют на обоих концах перед или во время сборки в пакет топливных элементов. Герметизацию можно осуществить, например, посредством заглушки из литого эластомерного компаунда, которая может быть выполнена в виде отдельного компонента. В другом варианте герметичное уплотнение может быть создано путем сплющивания боковых краев пластины 51 или посредством сжимающей деформации уплотнительной прокладки вокруг краев пластины 51.
На фиг.9 показано изометрическое изображение пластины 51 в частично собранном пакете топливных элементов 90. Биполярная пластина 51 для распределения потоков текучей среды изображена второй стороной 59 кверху, показывая каналы 61 на анодной стороне. Уплотнительная прокладка 91 окружает края пластины 51. Прокладка 91 содержит множество полостей, проходящих сквозь часть толщины прокладки, причем полости образуют области 92 открытых ячеек и области 93 закрытых ячеек. Уплотнительная прокладка может быть изготовлена в соответствии с заявкой Великобритании No. 0601986.3. Области 92 открытых ячеек содержат соединенные между собой полости, так что текучая среда может проходить по поверхности прокладки. Области 93 закрытых ячеек содержат полости, изолированные одна от другой, так что текучая среда не может протекать по поверхности уплотнительной прокладки. Боковой край 94 пластины 51 уплотнен областью 93 закрытых ячеек прокладки 91, что обеспечивает также герметизацию края согнутой области 52, содержащей камеру 55 и граничную область 56. Однако согнутый край 58 пластины 51 находится по меньшей мере частично в области 92 открытых ячеек уплотнительной прокладки, так что текучая среда может поступать к краю 58. Одно или более отверстий 71 (показаны на фиг.7 и 8) выполнены в согнутом крае 58, они позволяют направить хладагент в камеру 55 через область 92 открытых ячеек уплотнительной прокладки 91. В альтернативном варианте или в дополнение к этому хладагент может быть направлен к одному или обоим открытым концам камеры посредством соответствующей модификации расположения областей открытых и закрытых ячеек в уплотнительной прокладке 91.
Следует понимать, что ссылки на охлаждение катодной стороны пластины для распределения потоков текучей среды согласно настоящему изобретению не имеют целью ограничить изобретение только охлаждением катода. Пластины для распределения потоков текучей среды согласно настоящему изобретения могут также при соответствующей модификации иметь средства охлаждения анода.
Другие варианты осуществления предполагаются в рамках объема настоящего изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.