RO129408A2 - Procedeu de realizare a plăcilor bipolare cu sistem de răcire de tip lichid inclus pentru ansamblurile de pile de combustibil pem - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de realizare a plăcilor bipolare, din materiale grafitice, cu circuit de răcire de tip lichid inclus, ce intră în componenţa ansamblurilor de pile de combustibil cu membrane polimerice schimbătoare de protoni PEM. Procedeul conform invenţiei constă în lipirea a două semiplăci (1, 2) ce au executate nişte canale (4, 5, 8) profilate pe nişte feţe (12, 13) superioare de lipit, cu ajutorul unui ciment (3) grafitic, care se depune în strat controlat, iar în urma aplicării unui tratament termic şi a unor forţe de compresiune, cimentul (3) grafitic realizează configuraţia de placă proiectată, cu sistem de răcire inclus.

Description

Invenția poate fi aplicata la realizarea ansamblurilor de pile de combustibil tip PEM de medie si mare putere, ce lucrează la densități mari de curent, cu placi bipolare din materiale grafitice, avand integrat un sistem de răcire maximizat din punct de vedere electric, termic si spațial.

Se cunosc soluții de realizare a plăcilor bipolare care conțin si circuit de răcire tip lichid. In brevetul de invenție US 5230966 sistemul de răcire este compus dintr-un ansamblu de 2 placi etanșate intre ele prin intermediul unei garnituri profilate situate intr-un canal ce cuprinde zona de circulație a lichidului de răcire. Același principiu se evidențiază si in cererea de brevet Nr. a 2010 00289.

Un dezavantaj al acestor soluții il reprezintă utilizarea suplimentara a elementelor de etanșare, pentru a căror deformare este necesara o forța de compresiune suplimentara, ce se adauga la aceea de deformare a elementelor de etanșare de la nivelul membranelor polimerice. In plus, realizarea profilelor pentru canalele de etanșare scade rigiditatea plăcilor formate (in special cele grafitice), duce la creșterea preturilor de producție si la creșterea probabilității de apariție a neetanseitatilor. Un alt dezavantaj il reprezintă numărul mai mare de subansambluri, ce mărește timpul necesar asamblării.

O alta soluție de realizare a plăcii bipolare este prezentata in brevetul RO 123422, in care realizarea comunicației intre canalul general de hidrogen respectiv oxigen si canalele zonei anodice respectiv catodice se face prin găuri executate in grosimea plăcii bipolare. Aceasta soluție, deși este aplicabila, se poate utiliza doar pentru ansambluri de mica putere, unde sunt implicate debite mici ale gazelor ce trec prin găurile din grosimea plăcii. Acest neajuns poate fi înlăturat doar prin marirea grosimii plăcilor de grafit ceea ce duce la următoarele dezavantaje:

- rezistente electrice crescute si volume mai mari ale produsului finit;

costuri materiale suplimentare;

Problema tehnica pe care o rezolva invenția prezintă următoarele aspecte:

Ο 1 2 - Ο Ο 6 8 4 - 2 6 -09- 2012 crearea unui ansamblu electro-termo conductor compact cu sau fara un profil pneumatic al gazelor de reacție stabilit pe suprafatele plăcilor si prin interiorul acestora;

o răcire eficienta si uniforma a pilelor din componenta ansamblului;

permite managementul energiei termice in exces si posibilitatea de utilizare a acesteia in sisteme integrate de cogenerare crescând eficienta sistemului;

oferă un număr minimal de componente ce intra in construcția ansamblului de pile;

Invenția se refera la o un procedeu de realizare a plăcilor bipolare grafitice utilizate in construcția ansamblurilor de pile de combustibil de tip PEM de medie si mare putere, ce conțin in interior un circuit in care un lichid de răcire (apa deionizata, etilen glicoli, etc) indeparteaza eficient energia termica in exces de la nivelul suprafeței active a membranei polimerice.

Soluția tehnica se realizează prin lipirea a doua semiplaci cu un ciment grafitic de compoziție proprie cu rol de adeziv si etansant avand proprietăți electrice si termice superioare semiplacilor, depus in strat controlat, situat la interfața superioara a semiplacilor de lipit.

Procedeul de realizare a plăcilor bipolare cu sistem de răcire de tip lichid inclus pentru ansamblurile de pile de combustibil PEM oferă posibilitatea obținerii următoarelor avantaje:

- maximizează eficienta energetica la nivelul fiecărui ansamblu de pile construit, prin:

a) micșorarea numărului de pile din componenta unui ansamblu de pile la aceeași putere data prin marirea suprafeței active electrocatalitice;

b) valoare minimala a rezistentei ohmice data de contactul dintre cele 2 semiplaci, datorita contactului electric intim realizat de lipirea cu un adeziv cu o conductivitate electrica superioara plăcii in sine;

- versatilitate crescută in stabilirea soluției tehnice pentru dimensionarea sistemului de răcire pentru un domeniu stabilit de putere termica si electrica;

- oferă posibilitatea reutilizarii plăcii bipolare, datorita duratei de viata net superioara a cimentului grafitic utilizat la realizarea acestora, in comparație cu durata de viata a membranelor polimerice si a garniturilor de etanșare, utilizate actual;

- soluție ieftina de obținere a plăcilor bipolare, prin utilizarea unui singur component pentru lipire si etanșare: ciment grafitic cu preț redus, depus in strat de grosime controlata prin metode clasice;

CV-2 Ο 1 2 - Ο Ο 6 8 4 - 2 6 -09- 2012

- versatilitate crescută in stabilirea soluției tehnice pentru alegerea sistemului de etanșare de la nivelul membranelor polimerice fie cu garnituri plane, cu inele tip O sau prin injecția in profile a unor materiale etansante;

- elimina utilizarea unor elemente de etanșare suplimentare pentru traseul de răcire, micșorând astfel forța axiala totala, necesara strângerii întregului ansamblu;

- reduce la minim suprafețele de contact necesare etansarii agentului de răcire, prin utilizarea cimentului grafit cu densitate mare si grad scăzut de permeabilitate si implicit creste raportul densității de energie raportat la volum si masa;

- creste rigiditatea plăcilor bipolare prin utilizarea cimentului grafitic de înalta duritate ca element adeziv/etansant, permițând si creșterea forțelor de compresiune de-alungul ansambului;

In continuare sunt prezentate figurile care prezintă:

fig 1. Secțiune transversala prin placa bipolara formata, cu ilustrarea stratului de ciment grafitic, a canalizatiei interne aferente sistemului de răcire si de distribuție a gazelor reactante;

fig 2. Reprezintă imaginea desfasurata a celor 2 semiplaci ce formează placa bipolara, precum si poziția de îmbinare;

In continuare este prezentat in mod detaliat obiectul invenției.

O pila de combustibil reprezintă un dispozitiv ce transforma energia chimica a unui combustibil (de regula hidrogenul) si a unui oxidant (de regula oxigenul pur sau concentrat in aer) in energie electrica de mare densitate, energie termica si apa. Elementul esențial al unei pile de combustibil il reprezintă membrana schimbătoare de protoni, ce reprezintă un polimer cu proprietăți protonice selective si 2 electrozi suprapusi pozițional de-o parte si de alta a polimerului.

In contact cu stratul de catalizator al anodului, hidrogenul alimentat se disociază in protoni si electroni; protonii traversează grosimea polimerului in timp ce electronii parcurg circuitul electric exterior, circuit ce se închide electric in zona catodului. Aici moleculele de oxigen reacționează cu protonii si electronii din circuitul exterior formând apa si energie termica.

Gazele reactante “spala” separat electrozii corespunzători unei pile, prin intermediul unor canalizatii de diferite configurații, realizate pe suprafețele laterale ale plăcilor de grafit.

Dat fiind faptul ca puterea generata de o pila singulara nu poate fi utilizata pentru acționările electrice uzuale, se impune constructiv legarea in serie (cea mai utilizata schema) sau

^-2012-00684-2 6 -09- 2(jj2

paralel a mai multor pile formând ansamblul de pile de combustibil. In cazul legării in serie a pilelor de combustibil se utilizează termenul de placa bipolara, ce reprezintă un ansamblul electro-termo-conductor din diferite materiale metalice sau grafitice, ce actioneaza ca distribuitor de gaz in zonele anodice si catodice alaturate, colectează si conduce curentul electric de la anod spre catodul alaturat.

In cazul in care ansamblurile de pile lucrează la densități mari de curent, se generează temperaturi ce devin periculoase ireversibil pentru membrana polimerica. De regula acestea rezista pana la 75-80°C, de aceea este necesara o răcire bine controlata in acest domeniu si o distribuție uniforma, la nivelul fiecărei suprafețe electrocatalitice a membranei polimerice.

Pentru a putea fi integrate in sisteme energetice eficiente, ansamblurile de pile de combustibil trebuie sa prezinte caracteristici energetice si constructive optimizate (densități de energie raportate la volumul si masa ansamblului de pile) de aceea plăcile bipolare prezintă o importanta deosebita: ocupa 90% din volumul unui ansamblu de pile si aproximativ 80% din masa acestuia, mai ales când sunt fabricate din materiale grafitice.

Se știe ca grafitul prezintă proprietăți anisotropice in structura sa, adica este caracterizat de valori diferite ale conductivității electrice si termice in structura cristalina, “in plan” si “prin plan”, cu valori mai mari fiind pentru conductia “in plan”. Ținând cont de aceste proprietăți specifice se evidențiază necesitatea utilizării unor placi bipolare cat mai subțiri, ale căror cai de curent sa fie cat mai scurte, utilizând conductia electro-termica cea mai favorabila. Pentru obținerea acestor deziderate sunt preferate sistemele de răcire de tip lichid, datorita proprietăților termice ale acestora care sunt cu cateva ordine mai mari fata de cele ale gazelor (căldură specifica, conductivitate termica);

Procedeul de realizare a plăcilor bipolare cu sistem de răcire de tip lichid inclus pentru ansamblurile de pile de combustibil PEM consta in următoarele proceduri:

pregătirea suprafețelor plane superioare de lipit (12) si (13) de pe semiplacile de lipire (1) si (2) prin îndepărtarea substanțelor in exces;

realizarea cimentului grafitic conform reteti proprii cu o vascozitate cuprinsa intre 1200cP is 70000cP dintr-un compus heterociclic si o pulbere grafitica cu granulatie cuprinsa intre 0.2pm si 58pm;

depunerea cimentului grafitic (3) pe suprafețele plane superioare de lipit (12) si (13) in grosime de 15-70pm, funcție de rugozitatea suprafețelor;

1/

CT2 0 1 2 - 0 0 8 8 4 -2 6 -09- 2072

suprapunerea semiplacilor (1) si (2) utilizând ghidajele montate in cele 4 găuri de centrare (14);

aplicarea unei forte de compresiune distribuita uniform pe suprafețele exterioare (15) si (16) intr-un domeniu de forte corespunsator ariei de contact si îndepărtarea cimentului in surplus din exteriorul plăcii;

aplicarea unui tratament termic întregului ansamblu pentru realizarea lipirii definitive si etansarii suprafețelor plane superioare de lipit in același timp cu formarea canalelor de răcire (8) canalele de distribuție (17) ale sistemului de răcire precum si a canalelelor interne de gaze (4) si (5) ce fac parte din sistemul de alimentare (9) si (10)

Claims (3)

1. REVENDICĂRI

   1. Procedeul de realizare a plăcilor bipolare cu sistem de răcire inclus, pentru pilele de combustibil tip PEM, caracterizat prin aceea ca realizarea plăcii bipolare se face prin lipirea definitiva, cu un ciment grafitic electroconductor de reteta proprie, a doua semiplaci (1) si (2) ce conțin zona anodica (6) si zona catodica (7) si canalizatii specifice (8) pentru agentul de răcire.
2. 2. Procedeul de realizare a plăcilor bipolare cu sistem de răcire inclus, pentru pilele de combustibil tip PEM conform revendicării 1, este caracterizat prin aceea ca placa bipolara se obține in urma tratamentului termic necesar întăririi cimentului grafitic (3) cu rol de adeziv si etansant localizat pe suprafețele plane superioare (12) si (13) de contact a semiplacilor (1) si (2);
3. 3. Procedeul de realizare a plăcilor bipolare cu sistem de răcire inclus, pentru pilele de combustibil tip PEM conform revendicării 1, caracterizat prin aceea ca înainte de a fi întărit in domeniul de temperatura 100-150°C, cimentul grafitic (3) reprezintă o emulsie cu o vascozitate cuprinsa intre 1200cP is 70000cP, ce conține un compus heterociclic si pulbere grafitica cu puritate crescută si granulatie intre 0.2pm si 58pm, depus cu precizie in grosime cuprinsa intre 15 si 70pm in funcție de rugozitatea suprafețelor.