БИПОЛЯРНАЯ ПЛАСТИНА ДЛЯ СТЕКОВ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
BIPOLAR PLATE FOR STACKS OF FUEL CELLS

Изобретение относится к электрохимической энергетике, в частности к компонентам топливных элементов (ТЭ) с жидкостным, испарительным (т.е. с фазовым переходом хладагента из жидкой фазы) или газовым охлаждением, использующим полимерную мембрану в качестве электролита, водород и кислород в качестве топлива и окислителя. Установки на ТЭ с биполярными пластинами данного типа могут быть использованы в автомобилестроении, авиастроении, судостроении, энергетической и электрохимической отраслях промышленности, а также для удовлетворения бытовых нужд при обеспечении различных объектов собственными автономными системами электропитания.
Из предшествующего уровня техники известно устройство по патенту RU 114808 от 25.10.2011. Оно характеризуется организацией прямых газовых каналов для топливного и окислительного газов, а также внедрением в них перфорированных сеток для лучшего распределения охлаждающей жидкости внутри биполярной пластины. Данное решение существенно усложняет конструкцию изделия и повышает общий вес и габариты стека ТЭ. Дополнительным лишним утяжелением конструкции также является наличие токовых коллекторов в виде сетчатых электропроводящих элементов. Отдельно стоит отметить относительно небольшие коллекторы для охлаждающей жидкости и ее неравномерное распределение по биполярной пластине из-за их расположения по углам пластины. Кроме того, к недостаткам конструкции можно отнести то, что отверстия под стягивающие шпильки расположены в непосредственной близости к мембранно-электродному блоку. Такое решение неизбежно приведет к локальным напряжениям при сборке и стяжке стека ТЭ. Кроме того, в данной конструкции биполярной пластины предполагается наличие дополнительных, избыточных центровочных отверстий. Помимо всего прочего, соотношение площади активной области к общей площади биполярной пластины составляет не более 44%, что негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках стека ТЭ.
Известен также топливный элемент, содержащий биполярные пластины (RU 2328060 от 23.11.2006). Среди основных недостатков описанного в патенте устройства можно также выделить относительно небольшие коллекторы для охлаждающей жидкости и ее неравномерное распределение по биполярной пластине из-за их расположения по углам пластины и неоптимальную сложную геометрию газовых каналов типа «змеевик». Данный тип газовых каналов существенно увеличивает степень усвоения окислительного и топливного газов и понижает стехиометрические коэффициенты, что положительно сказывается на рабочих показателях стека ТЭ, однако, такое решение влечет за собой проблемы, связанные с неэффективным отводом паров генерируемой в реакции окисления воды с катодной стороны ТЭ.
Известно также устройство по патенту RU 2262160 от 06.03.2002. Описанная в патенте биполярная пластина имеет прямые газовые каналы. Охлаждающая жидкость в стеке ТЭ проходит не через каждую биполярную пластину. Это существенно снижает эффективность охлаждающей системы стека ТЭ и приводит к сокращению его удельных мощностных характеристик и срока эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство по патенту CN 102969513, 03.12.2012. Существенным недостатком известного технического решения является предложение использовать прямые газовые распределительные каналы, для топливного и окислительного газов, что может привести к неэффективной работе стека топливного элемента. Данная геометрия каналов положительно сказывается на отводе водяных паров с катодной стороны ТЭ, однако при этом степень усвоения газовых реагентов сильно падает и приводит к увеличению стехиометрических коэффициентов топлива и окислителя. Кроме того, каналы для охлаждающей жидкости также выполнены прямыми, что значительно снижает эффективность охлаждения и в конечном итоге ухудшает эксплуатационные характеристики конструкции.
Таким образом, известные из предшествующего уровня техники устройства имеют достаточно сложные конструкции, предполагающие использование дополнительного оборудования для их изготовления. При этом конструкции известных устройств не обеспечивают необходимую эффективность их работы.
Техническим результатом предложенного решения является упрощение конструкции биполярной пластины и процесса ее изготовления при одновременном улучшении ее эксплуатационных характеристик.
Указанный технический результат достигается за счет того, что биполярная пластина состоит из двух одинаковых по размерам и конфигурации частей, в виде листовых элементов симметричных относительно своих центров, каждый их которых содержит активную область, систему газовых коллекторов и коллекторов для охлаждающего агента, а также распределительную зону охлаждающего агента, газовые распределительные зоны, области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной с перфорацией и области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной без перфорации. Активные области выполнены гофрированными с образованием на обеих сторонах каждого из листовых элементов системы продольных зигзагообразных распределительных каналов. Один из листовых элементов, составляющих биполярную пластину, установлен с поворотом по отношению к другому на угол 180° относительно своей продольной оси симметрии.
Охлаждение биполярной пластины топливного элемента может быть жидкостным, испарительным (т.е. с фазовым переходом хладагента из жидкой фазы) или газовым.
Части биполярной пластины, составляющие ее, представляют собой листовые пластинчатые элементы (далее - листовые элементы).
Листовые элементы предпочтительно выполняются из фольги.
На поверхностях распределительных зон и областей перехода (с перфорацией и без перфорации) выполнены конструкционные выступы. Причем выступы, выполненные в области газовой распределительной зоны, в отличие от выступов распределительной зоны охлаждающего агента и области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной, ориентированы по разные стороны пластинчатых листовых элементов биполярной пластины.
По контуру биполярной пластины выполнена сварка, например, лазерная. Этот сварной контур не дает газам смешиваться как с водой, так и между собой, а также препятствует утечкам наружу. Кроме того, сварным контуром также обрамлены распределительные газовые зоны и места для отверстий под шпильки.
Преимуществом заявленного технического решения является, в частности, то, что листовые элементы, из которых она изготовлена, имеют одинаковую форму и размеры, и каждый из них симметричен относительно своей центральной точки. Листовые элементы пластины взаимозаменяемы и унифицированы. Это значительно упрощает процесс изготовления биполярной пластины, поскольку при этом есть возможность изготавливать только один тип листового элемента и не требуется осуществлять дополнительных действий по изготовлению каких-либо дополнительных конструктивных элементов. Кроме того, исполнение активной области каждого из листовых элементов гофрированной, позволяет создать (организовать) не только достаточно протяженные (за счет зигзагообразной формы) газораспределительные каналы, но и одновременно позволяет (за счет той же гофрированной зигзагообразной формы поверхности активной области и симметрии относительно центральной точки) создать необходимую разветвленную систему каналов для пропускания охлаждающего агента. Коллекторы охлаждающего агента размещены на продольных сторонах каждого из листовых элементов биполярной пластины. Это позволяет организовать перекрестное направление потока охлаждающего агента по отношению к газовым потокам, что в свою очередь позволяет улучшить эксплуатационные характеристики конструкции.
Указанное выше расположение конструкционных выступов, обеспечивает дистанцирование листовых пластинчатых элементов, предотвращая их слипание, для свободного прохода в пространство между ними, соответственно, охлаждающего агента, топлива и окислителя.
Таким образом, представленная в формуле совокупность существенных признаков, позволяет не только упростить конструкцию за счет унификации составляющих ее элементов, а также определенной их конфигурации, но и одновременно за счет этих же признаков, обеспечить ее высокие эксплуатационные характеристики.
Заявленное техническое решение поясняется графическими материалами, где
на Фиг. 1 представлен общий чертеж одной из двух одинаковых составляющих частей биполярной пластины, в виде листового элемента, обладающего симметрией относительно своей центральной точки;
на Фиг. 2 представлен увеличенный трехмерный вид фрагмента одной из двух одинаковых составляющих частей (листовых элементов) биполярной пластины, содержащих газовые коллекторы и небольшую часть активной области;
на Фиг. 3 представлена та же область того же листового элемента с обратной стороны;
на Фиг. 4 представлен разрез биполярной пластины после ее компоновки из двух симметричных составляющих частей (листовых элементов), расположенных зеркально по отношению друг к другу,
на Фиг. 5 представлен вид на биполярную пластину в сборе, где видны распределительная зона охлаждающего агента, газовые распределительные зоны, а также области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной с перфорацией и области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной без перфорации;
на Фиг. 6 представлен вид с Фиг. 5 в увеличенном размере;
на Фиг. 7 представлена биполярная пластина с выполненными контурами лазерной сварки;
Заявленная биполярная пластина состоит из двух одинаковых частей 1, выполненных из листового металла, преимущественно из фольги (далее по тексту - листовые элементы 1), системы газовых коллекторов 2-5, размещенных попарно на противоположных поперечных сторонах листовых элементов 1, составляющих биполярную пластину. При этом на противоположных продольных сторонах каждого из листовых элементов 1 размещены коллекторы 6 охлаждающего агента. Центральная область каждого из листовых элементов 1, является активной областью 7 с системой продольных распределительных газовых каналов зигзагообразной формы. Зона 8 служит для распределения газа, поступившего из газового коллектора, к системе распределительных каналов активной области 7. Коллекторы 6 служат, соответственно, для подачи и отвода охлаждающего агента. Позицией 9 обозначена распределительная зона охлаждающего агента. Позициями 10 и 11 соответственно обозначены области перехода (сообщения) из газовых коллекторов в газовую распределительную зону (10 -область перехода, выполненная с перфорацией, 11- область перехода, выполненная без перфорации). В области перехода 10 из газового коллектора в газовую распределительную зону 8 имеются элементы перфорации, обозначенные позицией 12. На поверхностях распределительных зон 8, 9 и областей 10, 11 перехода (сообщения) (с перфорацией и без перфорации) выполнены конструкционные выступы 13. Газовые распределительные каналы 14 в активной области 7 образуются между наружными поверхностями (анодной для прохождения топливного газа и катодной для прохождения газа-окислителя) биполярной пластины и смежными с ними поверхностями мембран (на чертежах не показано) при сборке пластин в стек.
Области электрического контакта с электродом мембранно-электродного блока топливного элемента обозначены позицией 15, а контур лазерной сварки - позицией 16. Позицией 17 обозначены установочные (при сборке пластин в стек) отверстия под стягивающие шпильки.
Поскольку листовые элементы 1, абсолютно одинаковы по размерам и конфигурации и симметричны относительно своей центральной точки, то коллекторы подачи топлива и окислителя могут находиться как на одной поперечной стороне биполярной пластины, так и на противоположных ее сторонах, также как и выходные коллекторы. При этом вход и выход одного и того же реагента располагаются на диагонально-противоположных сторонах пластины.
Предложенная конструкция в сборе представляет собой двухслойную деталь, состоящую из двух одинаковых симметричных частей в виде металлических листовых элементов, (в предпочтительном варианте выполненных из фольги) имеющих рельефную (гофрированную) поверхность. Необходимая рельефная поверхность на каждом из листовых элементов биполярной пластины может быть выполнена путем штамповки металлической фольги толщиной от 50 до 150 мкм или в процессе гидроформования при высоком давлении. Возможные материалы пластины - стали различных марок, титан, конструкционные металлические сплавы и т.д. Также возможно применение антикоррозийного покрытия толщиной от 5 до 20 мкм.
Отличительной особенностью предложенной конструкции является то, что при изготовлении биполярной пластины используются два абсолютно одинаковых листовых (пластинчатых) элемента, симметричных относительно своих центров. Симметрия повышает унификацию и обеспечивает взаимозаменяемость конструкционных деталей, что сокращает затраты при производстве. При этом один из листовых элементов 1 биполярной пластины будет обеспечивать распределение по единичному мембранно-электродному блоку ТЭ газа-окислителя, а другой - топливного газа. Соответственно, первый пластинчатый элемент биполярной пластины будет называться катодным, а второй - анодным.
Если рассматривать пластину, изображенную на Фиг. 1 как анодную, то коллектор 2 будет служить для подвода топливного газа в активную область 7 с системой газовых распределительных каналов 14 через область 10 в газовую распределительную зону 8 сквозь перфорацию 12 в области 10. При этом отработанные газы будут проходить через выходной коллектор 4. В таком случае, коллекторы 3 и 5 будут использованы для входа и выхода (соответственно) по катодной пластине газа-окислителя. Стоит отметить, что при формировании биполярной пластины катодная пластина по отношению к анодной должна быть повернута на 180 градусов относительно своей продольной оси симметрии. Таким образом, с катодной стороны в области коллекторов 3 и 5 теперь будет переход из газового коллектора в газовую распределительную зону с перфорацией, а в области коллектора 2 и 4 - без перфорации. Между переходами из газового коллектора в газовую распределительную зону 8 располагается распределительная область 10, площадь которой составляет не менее 7% от общей площади системы газовых распределительных каналов (активной области 7). Данная область 10 необходима для равномерного предварительного распределения окислительного или топливного газа на пути из коллектора до активной области 7 с системой газовых распределительных каналов и образована за счет конструкционных выступов 13 полученных при штамповке или гидроформовании пластины. При сборке стека ТЭ данные конструкционные выступы предотвращают провисание единичного элемента биполярной пластины и таким образом создают рабочий объем для окислительного или топливного газа. Стоит отметить, что высота гофрирования системы газовых распределительных каналов и высота конструкционных выступов должна быть одинаковой и составлять от 0.2 до 2 мм, а выдержанный допуск при изготовлении деталей по данной величине не превышает 30 мкм.
На Фиг. 2 и 3. приближенно изображены части пластины (листовые элементы), содержащие коллекторы, распределительную зону, переходные области сообщения и часть активной области с газовыми каналами. При необходимости, можно «инвертировать» систему подачи газов и использовать коллектор 4 в качестве входа, а 2 - в качестве выхода, и также с коллекторами 3 и 5 по аналогии. Области 10 и 11 получаются путем штамповки или гидроформовании пластинчатых элементов 1 с организацией системы конструкционных выступов 13, предотвращающих слипание элементов 1 между собой.
Области 10 и 11 сообщения газового коллектора и газовой распределительной зоны 8 приближенно изображены на Фиг. 2 и 3 с противоположных сторон листовых элементов 1, а на Фиг. 4 и 5 изображена биполярная пластина в сборе.
Активная область 7 представляет собой систему газораспределительных каналов, полученных за счет организованных выступов и углублений. При этом углубление является газовым распределительным каналом 14, который выполнен в виде зиг-зага, ширина выступов и углублений лежит в пределах от 0,2 до 2 мм, а единичный сегмент зиг-зага может составлять от 0,5 до 5 см в зависимости от области применения конечной батареи топливных элементов или ее мощности. При этом стоит отметить, что соотношение площади перфорации в поз. 10 и общей площади (поз. 14 или 15) всей биполярной пластины должно составлять не менее 0,1.
При сборке биполярной пластины из двух симметричных пластинчатых элементов за счет их гофрированной поверхности и зигзагообразной геометрии газового канала формируется полость сложной трехмерной структуры (разветвленной конфигурации). Именно эта полость используется для распределения охлаждающего агента равномерно по всей площади биполярной пластины. В свою очередь, коллектор 6 обеспечивает подвод охлаждающего агента внутрь биполярной пластины.
Как видно на Фиг. 5 и 6, распределительная зона 9 и переходные области 10 и 11 представляют собой систему из обращенных внутрь сборки конструкционных выступов 13, полученных при штамповке или гидроформовании пластинчатых элементов 1, что предотвращает их сдавливание и чрезмерное деформирование при сборке стека ТЭ. При этом конструкционные выступы 13, выполненные на поверхности распределительной газовой зоны 8, обращены наружу сборки и предназначены для предотвращения деформации пластинчатых элементов в зоне 8 и обеспечения свободного прохода газов к активной области 7. Распределительная зона 9 охлаждающего агента необходима для его равномерного предварительного распределения на пути из коллектора 6 до внутренней полости, образованной обращенными друг к другу активными областями 7 пластинчатых элементов 1.
На Фиг. 7 изображен профиль, по которому применяется сварка, например, лазерная. С одной стороны, данный контур сварки 16 фиксирует два пластинчатых элемента 1 между собой при сборке биполярной пластины. С другой стороны, сквозные отверстия-коллекторы 2-5 и 6 обеспечивают свободное сквозное прохождение газов в стеке топливных элементов от одной биполярной пластины до другой, и именно контур лазерной сварки 16 предотвращает смешивание рабочих газов (окислителя с топливом) или их попадание в область с охлаждающей жидкостью или газом (или наоборот).
Сборка стека ТЭ упрощается за счет наличия в биполярных пластинах установочных отверстий 17 под стягивающие шпильки, имеющие диаметр от 3 до 10 мм, и используемые при позиционировании биполярных пластин и мембранно-электродных блоков друг относительно друга.