Биполярная пластина топливного элемента круглой формы
BIPOLAR PLATE OF FUEL ROUND-SHAPED CELL

Заявляемое техническое решение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую, в частности к конструкции биполярной пластины топливного элемента (ТЭ).
Известны многочисленные варианты конструкции ТЭ, в которых применены биполярные пластины прямоугольной формы.
Одним из аналогов подобных биполярных пластин является ТЭ с протонообменной мембраной, описанный в патенте РФ на изобретение №2231172 (класс МПК Н01М 8/10, Н01М 8/02, дата приоритета 17.11.1999, дата публикации 20.06.2004) [1]. Данная биполярная пластина содержит верхнюю и нижнюю разделительные тонколистовые металлические пластины, в которых выштампованы прямолинейные каналы с треугольным профилем. Каналы предназначены для подачи и отвода топлива, окислителя и хладагента.
При соприкосновении разделительных пластин в процессе сборки между ними образуется внутренняя полость хладагента, а внешние каналы формируют полости топлива и окислителя. В состав биполярной пластины также входит периферийная уплотняющая прокладка.
Недостатками аналога являются повышенные масса, габариты и периметр уплотнения, которые характерны для биполярных пластин с прямоугольной формой. Известно, что среди всех плоских фигур с фиксированным значением площади поверхности только круг имеет минимальное значение периметра. Только круглые биполярные пластины, а следовательно, и батарея топливных элементов на их основе могут обладать наименьшими массой и габаритами.
Известна конструкция круглой биполярной пластины топливного элемента по патенту РФ на изобретение №2516245 (кл. МПК Н01М 8/02, Н01М 2/40, дата приоритета 29.11.2012, дата публикации 20.05.2014) [2].
Биполярная пластина ТЭ круглой формы содержит соединенные между собой разделительные пластины с каналами для циркуляции топлива, окислителя и хладагента и с оппозитным расположением входа и выхода окислителя, топлива и хладагента. Разделительные пластины выполнены таким образом, что образуют среднюю зону, в которой каналы расположены по эвольвентам окружности, ограничивающей центральную зону. Длина окружности, по которой строятся эвольвенты, равна произведению числа каналов на шаг, а шаг каналов равномерен по длине окружности. Центральную зону, в которую входят внутренние концы эвольвентных каналов и ребра каналов которой на пластинах расположены таким образом, что при сборке они пересекаются, образуя плоские центральные коллекторы. Периферийную кольцевую зону, состоящую из пересекающихся каналов и конических выступов, через которую организован подвод и отвод реагентов и хладагента к наружным концам соответствующих эвольвентных каналов. Причем разделительные пластины по периферии и периферийный уплотнительный кант имеют совпадающие по периферии отверстия, которые при сборке батареи топливных элементов образуют коллекторные каналы для подвода через горизонтальные каналы окислителя, топлива и теплоносителя в периферийную кольцевую зону разделительных пластин и далее в соответствующие полости и отвода из них.
Недостатком данной конструкции биполярной пластины ТЭ является то, что величины потоков окислителя, топлива и хладагента не выравнены по всей протяженности каналов и по всей площади биполярной пластины. За счет эвольвентной конфигурации каналов повышено гидравлическое сопротивление в каналах окислителя, топлива и хладагента, так как такая конфигурация каналов увеличивает протяженность пограничных слоев.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и поэтому принятым за прототип является круглая батарея топливных элементов, конструкция которой описана в патенте РФ на изобретение №2355072 (классы МПК Н01М 8/10, Н01М 8/02, дата приоритета 03.10.2007, дата публикации 11.05.2009) [3].
Согласно изобретению батарея топливных элементов содержит круглые (в плане) комплектующие детали, в частности биполярные пластины с каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и жидкого хладагента. Каждая биполярная сборка состоит из примыкающих друг к другу катодной, средней и анодной металлической пластин. Катодная и анодная пластины снабжены каналами для подвода катодного газа к воздушному и анодного газа к водородному электродам мембрано-электродных сборок, а средняя пластина снабжена каналами для протока жидкого хладагента между катодной и анодной пластинами. Каналы катодной пластины имеют в плане форму спиралей, каналы анодной пластины - форму полуокружностей и каналы средней пластины - форму дугообразных прорезей. Катодный газ в ТЭ подается через отверстия, расположенные в центре биполярной сборки, а отводится с периферии. Подача и отвод анодного газа и хладагента осуществляются с периферии. Входы и выходы катодного и анодного газов, а также хладагента (текучих рабочих сред) расположены оппозитно.
Недостатки заявленного в прототипе технического решения заключаются в следующем.
Во-первых, каналы катодной полости организованы таким образом, что они существенно отличаются по длине. Неодинаковая длина создает различное гидравлическое сопротивление каналов потоку окислителя, что приводит к неравномерному распределению токообразующей реакции по площади ТЭ. Это обстоятельство снижает эффективность ТЭ и ухудшает коррозионную обстановку в них, что, в свою очередь, уменьшает ресурс их работы.
Во-вторых, изолированные друг от друга каналы рабочих сред из-за их вытянутости в тангенциальном направлении являются длинными и поэтому обладают значительным гидравлическим сопротивлением, для преодоления которого в системе обеспечения электрохимического генератора (ЭХГ) требуются побудители расхода этих сред, что приводит к повышению массы, габаритов, энергопотребления и снижению КПД.
В-третьих, прототипу присуща большая протяженность пограничного (заторможенного) слоя в потоках текучих рабочих сред, характеризующегося низкими значениями коэффициентов тепломассообмена. Толщина пограничных слоев около стенок каналов при ламинарном режиме течения рабочих сред (а именно такой режим течения практически всегда реализуется в каналах ТЭ) по мере удаления от входа в канал постепенно увеличивается до тех пор, пока эти слои не заполнят все поперечное сечение канала.
Протяженность этого начального участка нарастания толщины пограничных слоев зависит от значений диаметра канала и числа Рейнольдса. Например, по оценкам, выполненным для прототипа в случае каналов топлива (водорода), соответствующая длина начального участка не превышает 20 мм. Таким образом, основная часть площади ТЭ прототипа работает в наихудших условиях тепломассообмена, снижая эффективность ТЭ и ухудшая теплоотвод из него.
Задачами заявляемой конструкции биполярной пластины топливного элемента круглой формы являются выравнивание величин потоков топлива, окислителя и хладагента (рабочих сред) по площади биполярной пластины, снижение гидравлического сопротивления каналов топлива, окислителя и хладагента и уменьшение протяженности пограничных слоев.
Решение поставленных задач заключается в том, что в известной конструкции биполярной пластины ТЭ круглой формы, состоящей из катодной и анодной металлических разделительных пластин с каналами, являющимися впадинами между выполненными штамповкой выступами, с оппозитным расположением входов и выходов каналов рабочих сред, согласно заявляемой конструкции площадь биполярной пластины ТЭ разделена на краевую и центральную зоны. Краевая зона разделена сплошной перегородкой на две части входную и выходную с разрывом в центральной зоне, за счет чего и организовано оппозитное расположение входа и выхода рабочих сред. Обе части краевой зоны содержат прямолинейные радиальные каналы. Прямолинейные радиальные каналы во входной и выходной частях краевой зоны образуют кольцевые группы каналов, которые в свою очередь отделены друг от друга сплошными кольцевыми каналами, расположенными тангенциально по отношению к прямолинейным радиальным каналам. Прямолинейные радиальные каналы в кольцевых группах каналов являются впадинами между выступами, выполненными штамповкой в тонколистовых разделительных пластинах. Выступы могут быть выполнены, например, трапециевидной формы и, например, со скругленными торцами. Расположение прямолинейных радиальных каналов и торцов выступов в соседних кольцевых группах каналов такое, что напротив прямолинейных радиальных каналов одной кольцевой группы находятся торцы выступов другой кольцевой группы каналов.
Длина прямолинейных радиальных каналов не превышает длины начального участка для пограничных слоев, рассчитанной по формуле Шиллера
нач
где L - длина начального участка, м;
d - гидравлический диаметр канала, м;
- число Рейнольдса;
3
ρ - плотность рабочей среды, кг/м;
u - скорость течения рабочей среды, м/с;
η - динамическая вязкость рабочей среды, Па⋅с.
Перемешивание и усреднение потоков рабочих сред, поступающих в центральную зону (входная часть центральной зоны) и выходящих из нее (выходная часть центральной зоны), обеспечено за счет большого количества каналов, находящихся в ней.
С целью достижения наиболее рационального покрытия центральной зоны каналами длина каналов в центральной зоне составляет от 0,2 до 0,8 длины прямолинейных радиальных каналов краевой зоны и они расположены таким образом, что с их помощью организовано направление потока рабочих сред от входа центральной зоны к выходу из нее.
Каналы центральной зоны с длиной менее 0,2 длины прямолинейных радиальных каналов трудно изготовить технологически. Кроме того, это может привести к прогибу электродов в центральной зоне при сборке биэлектрода, а в каналах центральной зоны с длиной более 0,8 длины прямолинейных радиальных каналов происходит повышение гидравлического сопротивления во входной и выходной частях центральной зоны.
С целью достижения минимальных гидравлических потерь изменение длины каналов центральной части соответствует изменению числа Рейнольдса в этой зоне: минимальное значение числа Рейнольдса получается на входе и выходе из центральной зоны, а максимальное значение числа Рейнольдса достигается на границе между входной и выходной частями центральной зоны.
Заявляемая конструкция биполярной пластины топливного элемента круглой формы иллюстрируется следующими чертежами:
- фиг. 1 - общий вид заявляемой конструкции биполярной пластины топливного элемента круглой формы;
- фиг. 2 - фрагмент увеличенного участка заявляемого технического решения (вид А);
- фиг. 3 - фрагмент взаимного расположения прямолинейных радиальных трапециевидных выступов и образованных ими каналов в соседних кольцевых группах каналов;
- фиг. 4 - фрагмент взаимного расположения прямолинейных радиальных каналов и каналов входной части центральной зоны;
- фиг. 5 - топливный элемент с биполярной пластиной заявляемой конструкции в разрезе.
Биполярная пластина ТЭ круглой формы (фиг. 1) содержит кант (1), на одной половине которого выполнены входные коллекторные окна (2), а на другой - выходные коллекторные окна (3) для потоков рабочих сред (топлива, окислителя и хладагента). Две зоны: краевую зону, основную по площади, разделенную сплошной перегородкой (4) на входную часть (5) краевой зоны и выходную часть (6) краевой зоны, и центральную зону (7) из двух частей - входной части центральной зоны (8) и выходной части центральной зоны (9).
Краевая зона состоит из прямолинейных радиальных каналов (10), а центральная зона (7) из каналов, расположенных таким образом, что они позволяют осуществить перемешивание и усреднение потоков рабочих сред, поступающих в центральную зону и выходящих из нее.
Прямолинейные радиальные каналы (10) входной (5) части и выходной (6) краевой зоны сгруппированы в кольцевые группы каналов (11), например семь кольцевых групп каналов, которые отделены друг от друга кольцеобразными сплошными каналами (12), расположенными к прямолинейным радиальным каналам (10) тангенциально.
Оппозитность входа и выхода потока рабочей среды обеспечивает сплошная перегородка (4).
На фиг. 1 показаны только каналы одной рабочей среды, например топлива, и только на одной половине биполярной пластины заявляемой конструкции. Точно так же организованы поток рабочей среды и на другой половине, а также потоки других рабочих сред.
На фиг. 2 показан увеличенный фрагмент участка заявляемого технического решения (вид А), где кольцеобразные сплошные каналы (12), расположенные тангенциально по отношению к прямолинейным радиальным каналам (10), разделяют их на кольцевые группы каналов (11), а сплошная перегородка (4) обеспечивает оппозитность входа и выхода потока рабочей среды. Рабочая среда по прямолинейным радиальным каналам (10) последней кольцевой группы каналов (11) достигает входной части (8) центральной зоны (7).
На фиг. 3 показано взаимное расположение прямолинейных радиальных, например, трапециевидных выступов (13) и прямолинейных радиальных каналов (10) в соседних кольцевых группах каналов (11). На чертеже видно, что прямолинейные радиальные каналы (10) образованы соседними прямолинейными радиальными выступами (13), а взаимное расположение прямолинейных радиальных каналов (10) и прямолинейных радиальных выступов (13) в соседних кольцевых группах каналов (11) такое, что напротив торцов прямолинейных радиальных выступов одной кольцевой группы каналов расположены прямолинейные радиальные каналы другой кольцевой группы каналов.
Стрелками на фиг. 3 обозначено движение потока рабочей среды по прямолинейным радиальным каналам (10), образованным соседними прямолинейными радиальными трапециевидными выступами (13), в кольцевых группах каналов (11).
Увеличенный фрагмент взаимного расположения прямолинейных радиальных каналов (10) последней кольцевой группы каналов (11) и каналов (14) входной части (8) центральной зоны (7) показан на фиг. 4. Входная (8) и выходная (9) части центральной зоны (7) состоят из большого числа каналов, образованных выступами (15), причем длина каналов в центральной зоне составляет от 0,2 до 0,8 длины прямолинейных радиальных каналов (10) краевой зоны.
Стрелками обозначено направление движения потока рабочей среды во входную часть (8) центральной зоны (7) из прямолинейных радиальных каналов (10) последней кольцевой группы каналов (11).
Аналогично взаимно расположены каналы выходной части (9) центральной зоны (7) и прямолинейные радиальные каналы прилегающей к ней кольцевой группы каналов.
Топливный элемент, содержащий заявляемую конструкцию биполярной пластины круглой формы, показан на фиг. 5. Он содержит биполярную пластину (16) с полостями топлива (17), окислителя (18) и хладагента (19), топливный электрод (20), окислительный электрод (21) и электролитную матрицу (22).
Работа топливного элемента с заявляемой конструкцией биполярной пластины круглой формы происходит следующим образом. На фиг. 3 показано направление движения рабочей среды, например топлива. Поскольку краевая зона биполярной пластины разделена сплошной перегородкой (4) на две части, то топливо из входных коллекторных окон (2) поступает в прямолинейные радиальные каналы (10) первой от его входа кольцевой группы каналов (11) входной части краевой зоны (5) и выходит в первый от входа кольцеобразный сплошной канал (12).
Топливо проходит по прямолинейным радиальным каналам (10) данной кольцевой группы каналов (11) и поскольку стенки прямолинейных радиальных, например, трапециевидных выступов (13), образующих эти каналы, имеют определенную длину, то при достижении потока топлива концов прямолинейных радиальных каналов (10) соответствующий пограничный слой разрушается, что способствует снижению гидравлического сопротивления потока. Соударение выходящего из прямолинейных радиальных каналов (10) потока топлива с торцами прямолинейных радиальных, например, трапециевидных выступов (13) второй (последующей) кольцевой группы каналов (11), образующих прямолинейные радиальные каналы (10) второй кольцевой группы каналов (11), и смешение потоков топлива, поступивших из других соседних прямолинейных радиальных каналов (10), в кольцеобразном сплошном канале (12) способствует выравниванию гидравлического сопротивления, концентрации топлива и примесей, содержащихся в нем. Эта ситуация многократно повторяется по мере продвижения потока топлива по входной части краевой зоны (5) биполярной пластины к входной части (8) центральной зоны (7).
Поток топлива, достигая последней кольцевой группы каналов (11), проходит через прямолинейные радиальные каналы (10) и поступает во входную часть (8) центральной зоны (7) (фиг. 4), проходит ее и через выходную часть (9) центральной зоны (7) поступает в первую, от этой части центральной зоны (7), кольцевую группу каналов (11). 3атем, проходя через все остальные кольцевые группы каналов (11) и кольцеобразные сплошные каналы (12) выходной части краевой зоны (6) биполярной пластины, поступает в выходные коллекторные окна (3), расположенные на канте (1).
Аналогичным образом перемещаются потоки окислителя и хладагента.
Наличие в заявляемом техническом решении системы чередующихся кольцевых групп прямолинейных радиальных каналов и расположение их таким образом, что выходы из прямолинейных радиальных каналов одной кольцевой группы каналов расположены против торцевых стенок прямолинейных радиальных выступов, образующих прямолинейные радиальные каналы следующей кольцевой группы каналов, позволяет обеспечить равномерное распределение потоков и концентраций текучих рабочих сред по площади ТЭ и достичь существенного уменьшения толщины пограничных слоев.
Таким образом, заявляемая конструкция биполярной пластины топливного элемента круглой формы обеспечивает повышение эффективности ТЭ, а также ресурса его работоспособности.
2
3
Были изготовлены никелевые биполярные пластины щелочных ТЭ круглой формы заявляемой конструкции площадью 700 см. Пластины соответствовали конструктивным и техническим требованиям заявляемого технического решения. С использованием заявляемых биполярных пластин ТЭ была изготовлена и испытана 32-элементная батарея матричных топливных элементов. Гидравлическое сопротивление батареи составило ≈2,5 кПа при расходе азота 20 нм/час. Такое гидравлическое сопротивление водородно-кислородного ЭХГ, в котором синтезируемая вода удаляется испарением в поток циркулирующего водорода, позволяет использовать вместо массивного энергоемкого компрессора-побудителя расхода водорода легкий не потребляющий электроэнергии струйный насос, а также уменьшить массу, габариты и энергопотребление побудителей расхода хладагента и окислителя.
Батарея была испытана при следующих условиях: температура 100°С, давление водорода, кислорода и хладагента 4,2 ата, концентрация гидроксида калия в электролите 8,2 моль/л. Вольт-амперная характеристика усредненного ТЭ батареи приведена в таблице 1.
Использование биполярной пластины топливного элемента круглой формы заявляемой конструкции позволяет изготавливать высокоэффективные батареи топливных элементов с низким гидравлическим сопротивлением трасс водорода, кислорода и хладагента. Последнее, в свою очередь, резко снижает энергопотребление, массу и габариты соответствующих побудителей расходов в системе обеспечения ЭХГ. Применение батареи с биполярными пластинами заявляемой конструкции, прежде всего, ориентировано на области техники, в которых предъявляются высокие требования к массогабаритным характеристикам изделия, например космическая и авиационная техника, подводные аппараты.
Источники информации
1. Патент РФ №2231172 «Батарея топливных элементов с мембраной из полимерного электролита».
2. Патент РФ №2355072 «Батарея топливных элементов».
3. Патент РФ №2516245 «Биполярная пластина топливного элемента круглой формы».
4. Прандтль Л. «Гидроаэромеханика». - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000 г. - 576 с.