Биполярная холодильная камера топливного элемента
BIPOLAR FUEL CELL COLD STORE

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую, в частности к конструкции биполярной холодильной камеры топливного элемента (ТЭ; камера ТЭ), которую также называют биполярной пластиной.
Известны аналоги биполярных холодильных камер ТЭ состоящих из двух соединенных (пайкой или сваркой) тонколистовых пластин с активной областью, содержащей гофрированный рельеф на каждой пластине с образованием каналов снаружи для газов (топлива и окислителя) и внутри для охлаждающей среды, а также коллекторов для подачи газовых и охлаждающих сред в активную область биполярных холодильных камер ТЭ (см., например, патенты RU 2516245 от 29.11.2012; RU 2328060 от 23.11.2006).
Известна также конструкция биполярной холодильной камеры ТЭ (см. патент RU 2723294 от 30.12.2019), содержащая две одинаковые и соединенные сваркой, с предварительным разворотом на 180° друг относительно друга, металлические тонколистовые пластины. Последние содержат в средней части активную область прямоугольной формы с гофрированным рельефом в виде волнообразных параллельных каналов. На наружных сторонах пластин выполнены отверстия, образующие коллекторы при сборке камер ТЭ друг с другом, для подачи как газов (топлива и окислителя), так и охлаждающей среды. Между коллекторами и активной областью располагаются участки сообщения с перфорацией пластин для прохода газов к наружным гофрированным поверхностям и участки без перфорации для прохода охлаждающей среды в полость между пластин, сначала в распределительную зону, затем в активную область.
Указанная конструкция биполярной холодильной камеры ТЭ по патенту RU 2723294 является наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемого устройства и принят за прототип.
Недостатком технических решений аналога являются:
1. Расположение газовых коллекторов попарно на короткой стороне активной области камеры ТЭ, что не позволяет производить равномерное распределение газов непосредственно из коллекторов в каналы на всю ширину активной области, поэтому выполненные в аналоге промежуточные распределительные зоны с двух сторон значительно увеличивают габариты пластин камеры ТЭ, при этом не обеспечивается геометрическая равномерность раздачи газов по каналам, что снижает надежность работы камеры ТЭ при последующей ее сборке в батарею.
2. Отсутствие у пластин в активной области участков с каналами параллельными короткой стороне активной области, не позволяет разместить на ее длинных сторонах газовые коллекторы и избавиться у них от габаритных распределительных зон.
3. Отсутствие в полости для охлаждающей среды участков с разнообразной конфигурацией каналов и, при этом, параллельных друг другу по направлению движения охлаждающей среды, может снижать надежность прохождения охлаждающей среды в каналах.
4. Длина коллекторов охлаждающей среды равная длинной стороне активной области с дублированием функций раздающих коллекторов распределительными зонами такой же длины, неоправданно увеличивает габариты пластин камеры ТЭ и количество охлаждающей среды в коллекторе при эксплуатации.
5. Отсутствие точечной сварки пластин камеры ТЭ между собой на гофрированных участках в геометрически определенных пятнах контакта пластин, приводит к значительным электрическим контактным сопротивлениям в активной области при соединении камер ТЭ в батарею и, соответственно, к ухудшению ее характеристик.
6. Отсутствие конструктивных элементов в виде уплотнительных канавок для размещения прокладок, что необходимо для герметизации полостей газовых и охлаждающей среды как между собой, так и с внешней средой.
7. Отсутствие в коллекторах рамок, размещаемых между смежными уплотнительными канавками пластин, с организацией в рамках каналов из коллекторов в активную область, затрудняют реализацию уплотнения полостей газовых и охлаждающей среды между собой, что при соединении камер ТЭ в батарею снижает надежность ее работы.
8. Наличие между пластинами элементов из двух замкнутых воздушных полостей треугольной формы, при выполнении контурной сварки вокруг газовых распределительных зон, показывает нерациональность использования объема конструкции, что увеличивает ее габариты в целом.
Техническим результатом заявляемой конструкции биполярной холодильной камеры ТЭ, при устранении указанных недостатков, является уменьшение габаритных характеристик и повышение надежности.
Указанный результат достигается за счет того, что биполярная холодильная камера ТЭ с двумя одинаковыми, соединенными контурной сваркой с предварительным разворотом на 180°, металлическими тонколистовыми пластинами с прямоугольной активной областью, содержащей участок с гофрированным рельефом в виде волнообразных параллельных каналов, коллекторы для подачи и отвода как газов (топлива и окислителя), так и охлаждающей среды, участки сообщения между коллекторами и активной областью с перфорацией и без перфорации у газовых коллекторов и без перфорации у коллекторов с охлаждающей средой, распределительной зоной у последних, содержит следующие изменения:
1. Газовые коллекторы и между ними коллекторы охлаждающей среды расположены с двух сторон пластины рядом с прямоугольной активной областью, вдоль ее длинных сторон, причем газовые коллекторы, с участками сообщения с перфорацией, располагаются диагонально относительно активной области.
2. В активной области, напротив коллекторов с участками с перфорацией, выполняются гофрированные участки с прямолинейными каналами параллельными коротким сторонам активной области. Указанные прямолинейные каналы соединяются с волнообразными, расположенными вдоль длинной стороны активной области, с плавным переходом под прямым углом, с образованием единой системы параллельных каналов одинаковой длины. При этом площадь сечения для прохода газовых сред в активной области постоянна от коллектора до коллектора.
3. Внутренние каналы, для прохода охлаждающей среды между пластинами, образуются с тремя разновидностями участков. На одном участке прямые каналы одной пластины совпадают по направлению с прямыми каналами другой пластины. На втором участке прямые каналы одной пластины пересекают поперек волнообразные каналы другой пластины. На третьем участке волнообразные каналы обеих пластин совпадают по направлению и многократно пересекаются на участках между вершинами и впадинами в каждой волне. Все три вида каналов, для движения охлаждающей среды, параллельны как друг другу, так и короткой стороне активной области.
4. Коллекторы охлаждающей среды, располагаясь на длинной стороне активной области вместе с газовыми коллекторами, занимают там незначительную часть от длинной стороны активной области. При этом распределительные зоны охлаждающей среды, в каждой пластине камеры ТЭ, выполняются в активной области между волнообразным участком этой области, с одной стороны, и коллектором охлаждающей среды со смежным с ним газовым коллектором с участком без перфорации, с другой стороны.
5. В плоскости контакта поверхностей пластин в активной области выполняются волнообразные каналы таким образом, что гофры у вершин волн с одной стороны, примыкают к гофрам у впадин волн, с другой стороны. В месте контактов образуются пятна в виде двух сегментов с общей хордой. В указанных пятнах производится, выборочно, точечная сварка пластин между собой.
6. В каждой пластине, по ее наружному периметру, выполняется уплотнительная канавка. Она состоит (в поперечном сечении) из плоского донышка и двух гофр, образующих боковые стенки, при этом, донышки канавок без образования зазоров примыкают друг к другу у соединенных в камеру ТЭ пластин.
7. По внутренним периметрам отверстий у всех коллекторов в каждой пластине выполняются также уплотнительные канавки упомянутой выше конфигурации, но меньшей глубины, с обеспечением зазоров между донышками канавок у соединенных в камеру пластин. В этих зазорах размещаются прямоугольные рамки с прямоугольными коллекторными отверстиями. У этих рамок, со стороны активной области, ширина внедренной (размещенной/вставленной) в зазор части рамки больше ширины донышек канавок. В этой части рамок выполняются прорези чередующиеся с зубьями между прорезями. Прорези начинаются в полостях коллекторов и образуют каналы между коллекторами и участками сообщений, как с перфорацией у газовых сред, так и без перфорации у охлаждающей среды. 8. Контурная сварка пластин между собой выполняется по замкнутому наружному периметру пластин у внутренней стенки уплотнительной канавки, а также вокруг газовых коллекторов по замкнутому контуру. Сварные швы у газовых коллекторов выполняются, частично у наружной стенки уплотнительной канавки у коллекторов, частично между гофрами активной области и участками сообщений как с перфорацией, так и без нее. Участки сварных швов у наружных сторон газовых коллекторов могут совпадать со швами по наружному периметру пластин.
На фиг. 1 изображена тонколистовая металлическая пластина биполярной холодильной камеры ТЭ с гофрированным рельефом на ее поверхности.
На фиг. 2 изображена биполярная холодильная камера ТЭ из двух соединенных сваркой пластин с рамками в коллекторах.
На фиг. 3 (элемент А с фиг. 2) изображены пятна контактов пластин на участке с волнообразными каналами в виде двух сегментов с общей хордой.
На фиг. 4 (разрез Б-Б с фиг. 2, повернуто на 90°) изображен поперечный разрез газового коллектора с рамкой между пластинами.
На фиг. 5 (элемент В с фиг. 4) изображен фрагмент участка сообщения, с перфорацией, газового коллектора с активной областью и сварной шов между ними.
На фиг. 6 изображена рамка для газовых коллекторов.
На фиг. 7 изображена рамка для коллекторов охлаждающей среды.
На фиг. 8 изображена контурная сварка пластин между собой.
Биполярная холодильная камера ТЭ состоит из пластин 1 с прямоугольной активной областью, содержащей участок 4 с гофрированным рельефом в виде параллельных волнообразных каналов вдоль длинной стороны 2 активной области, участки 11 с гофрированным рельефом в виде параллельных прямых каналов вдоль короткой стороны 3 активной области. Каналы указанных участков 4 и 11 плавно соединены между собой под скругленным прямым углом. Напротив длинных сторон 2 активной области располагаются, друг против друга, отверстия, образующие коллекторы 5, 6, 7, 8, 9, 10 при сборке камеры ТЭ в батарею.
Коллекторы 9 и 10 охлаждающей среды располагаются соответственно между коллекторами 6 и 8, 5 и 7 газовых сред (водорода и воздуха), причем коллекторы с одноименным газом располагаются по диагонали относительно активной области. Вокруг указанных коллекторов, по замкнутым периметрам, выполняются уплотнительные канавки 19, состоящие в поперечном сечении из донышек 25 и двух гофр 26, образующих боковые стенки для донышек 25. При соединении пластин 1 в камеру ТЭ, между донышками 25 образуются зазоры для размещения рамок 21 для газовых коллекторов и 22 для коллекторов охлаждающей среды. У указанных рамок выполняются коллекторные отверстия: 31 для газов и 34 для охлаждающей среды, а со стороны активной области, где ширина внедренной части у рамок больше ширины донышек, выполняются прорези 32 с образованием зубьев 33. Прорези 32 образуют каналы 28 между коллекторами 5, 6, 7, 8, 9, 10 и участками сообщений 12, 13 для газовых коллекторов с перфорацией 27 и без нее, соответственно, участками сообщений 14 для коллекторов охлаждающей среды с распределительной зоной 20. В пластинах 1, по их наружным периметрам, выполняются уплотнительные канавки 18, состоящие в поперечном сечении из донышка 23 и двух гофр 24, образующих боковые стенки для донышек 23. Донышки 23 контактируют друг с другом без зазора у соединенных в камеру ТЭ пластин 1. Рамки 21 и 22 выполняются из тонколистового, преимущественно полимерного материала. Пластины 1 герметично соединяются между собой по наружному периметру контурным сварным швом 35, а также участками сварных швов 36 вокруг газовых коллекторов 5, 6, 7, 8, причем на участках 37 швы 35 и 36 могут совпадать. Перед сваркой, пластины 1 поворачиваются друг относительно друга на 180° вокруг продольной или поперечной оси. В полости охлаждающей среды, в активной области камеры ТЭ, образуются три разновидности участков 15, 16, 17 для движения охлаждающей среды, например, от коллектора 9 к коллектору 10 параллельно коротким сторонам 3 активной области. На участке 15 прямые каналы участка 11 одной пластины 1 совпадают с прямыми каналами участка 11 другой пластины 1. На участке 16 прямые каналы участка 11 одной пластины 1 пересекают поперек волнообразные каналы участка 4 другой пластины 1. На участке 17 волнообразные каналы участков 4 обеих пластин 1 совпадают по направлению и пересекаются многократно на участках 38 между вершинами 39 и впадинами 40 в каждой волне. На участке 17, в плоскости контакта поверхностей пластин 1, волнообразные каналы участков 4 выполняются так, что гофры у вершин 39 волн, с одной стороны, примыкают к впадинам 40 волн, с другой стороны. В указанных местах контакта образуются пятна 41 в виде двух сегментов с общей хордой. В этих пятнах 41 производится, выборочно, точечная сварка для устранения контактного электрического сопротивления между пластин 1.
Биполярная холодильная камера ТЭ может работать только в составе батареи, где должны чередоваться указанные камеры ТЭ с мембранно-электродными блоками (МЭБ) (на черт. не показаны). С одной стороны МЭБ образует с камерами ТЭ полости топлива (водорода) в каналах участков 4 и 11 активной области, с другой стороны - полости окислителя (воздуха), также в каналах участков 4 и 11 активной области. Уплотнения, как между полостями, так и с внешней средой, осуществляются при помощи прокладок (на черт. не показаны), размещаемых в уплотнительных канавках 18 и 19, при сжатии ТЭ в единый пакет в батарее. Пространственное положение камер ТЭ в батарее может быть вертикальным, где коллекторы находятся вверху и внизу, или горизонтальным. При вертикальном расположении камер ТЭ, вход водорода и вход воздуха производится через верхние коллекторы 5 и 7, а выход - через нижние коллекторы 6 и 8 соответственно. Это гарантирует удаление влаги, образующейся в каналах участков 4 и 11 активной области. При этом вход охлаждающей среды производится через нижние коллекторы 9, а выход - через верхние коллекторы 10, что гарантирует воздухоудаление в каналах полости охлаждающей среды. При горизонтальном расположении камер ТЭ вход и выход сред может быть с любой стороны расположения коллекторов. Движение газовой среды, например водорода, в пределах камеры ТЭ, начинается с входного коллектора 5, далее по каналам, образованными в прорезях между зубьями 33 рамки 21 и донышками 25, далее по участкам сообщений 12, 13 через перфорацию 27 попадает на наружную поверхность активной области в прямолинейные каналы участка 11, затем в волнообразные каналы участка 4, далее опять в прямолинейные каналы участка 11 и в обратном порядке попадает в выходной коллектор 6. Движение другой газовой среды, воздуха, начинается с входного коллектора 7 и заканчивается в выходном коллекторе 8. При этом конструкция/выполнение каналов между указанными коллекторами полностью совпадает с предыдущим описанием каналов для водорода, но с расположением каналов на обратной стороне камеры ТЭ. Движение охлаждающей среды начинается от входного коллектора 9, далее по каналам, образованными в прорезях между зубьями 33 рамки 22 и донышками 25, далее по участку сообщения 14, далее в распределительную зону 20, далее в активную область с тремя разновидностями участков 15, 16, 17. На двух участках 15 движение идет по прямолинейным каналам, образованными при совпадении прямых каналов участков 11 у пластин 1. На четырех участках 16 движение идет по каналам прямолинейным от, участков 11 у пластин 1, и пересекающими их волнообразным каналам, от участков 4 у пластин 1. На одном участке 17 движение идет по волнообразным каналам, от участков 4 у пластин 1, в местах многократного пересечения каналов на участках 38. Далее охлаждающая среда движется в обратной последовательности через распределительную зону 20 в выходной коллектор 10.
Предлагаемая биполярная холодильная камера топливного элемента позволяет достичь следующих результатов:
- уменьшить габариты, за счет расположения газовых коллекторов непосредственно у параллельных каналов активной области на всей протяженности расположения;
- уменьшить габариты, за счет размещения всех коллекторов только с двух сторон от активной области;
- повысить надежность в работе, за счет геометрически равномерного коллекторного распределения газовых сред (водорода и воздуха) как при входе в каналы активной области, так и при выходе из нее.
А также:
- повысить надежность в работе, за счет выполнения уплотнительных канавок для возможности уплотнений газовых и охлаждающей сред, как между собой, так и по отношению к внешней среде.
- повысить надежность в работе, за счет исключения электрических контактных сопротивлений.