БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И БИПОЛЯРНАЯ ПЛАСТИНА
FUEL CELL BATTERY AND BIPOLAR PLATE

Изобретение 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.
Известны конструкции батарей топливных элементов (CN 209947951, CN 110416568, RU 2267833, RU 2237317), включающие концевые пластины, биполярные пластины и мембраны, установленные между биполярными пластинами, при этом концевые пластины имеют отверстия для стягивания батареи шпильками.
К недостаткам известных конструкций можно отнести наличие периферийной зоны, в которой выполнены отверстия для стягивающих шпилек, в результате чего габаритные размеры изделия увеличиваются почти на 30%, а кроме того значительно увеличивается материалоемкость конструкции.
Известна батарея топливных элементов (CN 110828846), с периферийной зоной под стягивающие шпильки, выполненной в виде «ушек». Это конечно снижает материалоемкость конструкции, однако не уменьшает габаритов изделия в целом.
Вышеуказанные технические решения неприемлемы для малогабаритных батарей топливных элементов, которые используются в ограниченных пространствах, например, при производстве игрушек или в робототехнике. Если использовать батареи известных конструкций, то при заданных размерах внутреннего пространства, в котором батарея должна поместиться, основная часть площади пластин, составляющих батарею, будет приходиться на периферийную зону, предназначенную для скрепления пластин в батарею. При этом на долю активной зоны остается слишком малая площадь от всей поверхности пластины, что отрицательно скажется на ее мощностных характеристиках.
Одним из элементов батареи топливных элементов является биполярная пластина, которая также является предметом данного изобретения.
Известна биполярная пластина (RU 82501), используемая при создании батарей топливных элементов. Пластина включает, выполненный из электропроводного углеродсодержащего 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 топливо-подводящими каналами.
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, с центральной и периферийной областями. При этом центральная (активная) область содержит выступы, распределенные по ее поверхности, а периферийная область содержит отверстия для стягивающих шпилек (RU 2267833).
Основным недостатком известной пластины является наличие периферийной области. При таком выполнении пластина не сможет эффективно работать в малогабаритных батареях, 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 является оптимизация параметров устройства за счет снижения его общих габаритов при сохранении его удельных мощностных (на единицу объема и массы устройства) и эксплуатационных характеристик. Оптимизация параметров осуществляется, в частности, путем:
1) увеличения активной области биполярных пластин за счет создания определенной (предпочтительной) конфигурации проточных каналов для газа окислителя (кислородсодержащего агента);
2) использования определенной системы сборки (стяжки) батареи.
Технический результат достигается за счет того, что батарея топливных элементов включает две концевые пластины с зонами под стягивающие элементы, одну монополярную и не менее двух биполярных пластин с мембранно-электродными блоками, при этом зоны под стягивающие элементы представляют собой продольные (и поперечные) выемки по краям одной из плоскостей каждой концевой пластины.
Моно- и биполярные пластины выполнены с проточными каналами для газа-окислителя, образованными за счет размещения выступов по всей поверхности пластины, причем выступы на периферийных частях распределены равномерно в линейном порядке. В областях, прилегающих к сквозным отверстиям топливоподводящих каналов - по дугообразным линиям.
В качестве стягивающих элементов могут, например, использовать нерастяжимую нить, проволоку, скобы и др., что не увеличивает общие габариты батареи топливных элементов.
При этом концевые пластины могут быть изготовлены из твердого прочного материала, например, из металла или стеклотекстолита или пластика, а монополярная и биполярная пластины - из материала с низким удельным электрическим сопротивлением, например, из электропроводного углеродсодержащего материала или металла.
На одной из концевых пластин, а также в биполярных пластинах и мембранно-электродных блоках выполнены отверстия для подвода и отвода топливного газа.
Указанное выполнение и взаимное расположение элементов конструкции позволяет уменьшить габариты батареи при сохранении удельных мощностных (на единицу объема и массы устройства) и эксплуатационных характеристик конструкции батареи топливных элементов, собранной с использованием биполярных пластин.
Также, указанный 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. Проточный канал для топливного газа образован за счет размещения выступа по всему периметру анодной стороны пластинчатого элемента. 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 - хаотично (неравномерно), при этом все выступы на катодной стороне пластины имеют одинаковую высоту.
На противоположных концах катодной стороны пластины выполнены выступы - утолщения преимущественно прямоугольной формы с двумя скругленными углами, а в утолщениях выполнены кольцевые выемки под уплотнительные прокладки.
В выступе на анодной стороне предпочтительно выполнение выемки под прокладку.
Отличие монополярной пластины от биполярной состоит в том, что у монополярной пластины отсутствуют отверстия для подвода и отвода топливного газа, а соответственно отсутствует и топливный канал на «анодной» стороне.
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 обеспечить конкурентноспособные 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.
Заявленное изобретение проиллюстрировано графическими материалами.
На Фиг. 1 представлена батарея топливных элементов. Для наглядности элементы батареи разнесены вдоль ее оси.
На Фиг. 2 - общий вид БТЭ
На Фиг. 3- общий вид биполярной пластины
На Фиг. 4 представлена биполярная пластина - вид сверху (на катодную сторону);
На Фиг. 5 - вид Б (сбоку) на Фиг. 4;
На Фиг. 6 - разрез по В-В Фиг. 4;
На Фиг. 7 - биполярная пластина - вид снизу(на анодную сторону);
На Фиг. 8 представлена монополярная пластина - вид сверху (на анодную сторону);
На Фиг. 9 - разрез по С-С на Фиг. 8
Заявленная батарея топливных элементов включает две концевые пластины 1, монополярную пластину 2, не менее 2-х биполярных пластин 3, мембранно-электродные блоки 4, средства (на чертеже не показаны) для скрепления пластин в единую сборку (батарею), а также систему подачи/отвода топлива и кислородсодержащего агента. В БТЭ количество мембранно-электродных блоков 4 равно количеству биполярных пластин 3.
Концевые пластины выполнены с продольными выемками 5 под крепежные (стягивающие) элементы на одной из своих плоскостей. Причем выемки 5 могут быть выполнены вдоль всего края каждой из 4-х сторон плоскости концевой пластины. Другими словами, длина каждой выемки равна длине соответствующей стороны концевой пластины. При сборке батареи топливных элементов, плоскости концевых пластин с выемками располагают на наружную сторону батареи. Стягивающие элементы плотно наматывают вдоль выемок 5 концевых пластин, стягивая их между собой, а также расположенные между ними пластины (моно- и биполярные, с размещенными между ними мембранно-электродными блоками).
Стягивающие элементы в предпочтительном исполнении представляют собой скобы, проволоку или другой нитеобразный нерастяжимый материал.
Биполярная пластина включает, изготовленный из электропроводного углеродсодержащего материала или металла, пластинчатый элемент 6 с анодной стороной 7 и катодной стороной 8.
На анодной стороне 7 пластины по ее периметру выполнен выступ 9 с выемкой 10 под уплотнительную прокладку (на чертежах не показаны). Проточный канал 11 для прохождения топливного газа образован внутренними стенками выступа 9. Катодная сторона 8 выполнена с выступами 12, распределенными по всей ее поверхности, с образованием проточных каналов 13 для газа-окислителя. Таким образом, вся поверхность катодной стороны пластины с распределенными на ней определенным образом, выступами 12, будет являться активной областью биполярной пластины. Пластинчатый элемент 6 выполнен с выступами-утолщениями 14 расположенными на противолежащих (противоположных) концах его катодной стороны 8. Выступы 14 преимущественно имеют прямоугольную форму, при этом углы, расположенные ближе к центру пластины являются сглаженными (скругленными). В зоне утолщений 14 выполнены сквозные отверстия 15, являющиеся топливоподводящими каналами и кольцевые выемки 16 под уплотнительные прокладки (на чертежах не показаны).
Катодная сторона 8а монополярной пластины 2 также как и у биполярной пластины выполнена с выступами 12а, распределенными по всей ее поверхности, с образованием проточных каналов 13а для газа-окислителя. Таким образом, вся поверхность катодной стороны 8а монополярной пластины 2 с распределенными на ней определенным образом, выступами 12а, будет являться активной областью. Пластинчатый элемент 6а выполнен с выступами-утолщениями 14а расположенными на противолежащих (противоположных) концах его катодной стороны 8а. Выступы 14а повторяют форму выступов 14 биполярной пластины, т.е. преимущественно имеют прямоугольную форму, при этом углы, расположенные ближе к центру пластины являются сглаженными (скругленными). В зоне утолщений 14а выполнены кольцевые выемки 16а под уплотнительные прокладки (на чертежах не показаны).
Все выступы 12 и 12а на катодной стороне моно- и биполярных пластинах имеют одинаковую высоту. Высота утолщений 14 и 14а равна высоте выступов 12 и 12а.
Габаритные размеры моно- и биполярной пластин в образце составляют по длине 25-35 см и по ширине 15-25 см. Активная область пластин, используемых для изготовления батарей топливных элементов таких габаритов, была увеличена, т.к. с этим напрямую связана удельная мощность батареи, а также удобство и эффективность ее эксплуатации.
Моно- и биполярные пластины в образце изготавливаются из непроницаемого для водорода материала с низким удельным электрическим сопротивлением.
Порядок распределения выступов по поверхности катодной стороны 8 и 8а 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. Кроме того, такое распределение выступов обеспечивает необходимую герметизацию батареи топливных элементов при размещении уплотнительных прокладок в выемках 10.
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.
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.
Таким образом, выполнение БТЭ с предложенной организацией сборки элементов между собой (посредством нерастяжимых нитеобразных элементов, уложенных в выемки по краям концевых пластин), позволяет достичь максимального процента рабочей площади (активной зоны) биполярной пластины от общей ее площади. В связи с чем предложенная конструкция без потери мощностных показателей может быть использована в ограниченных пространствах под БТЭ.