RU2325012C1

RU2325012C1 - Method of manufacturing of fuel element with solid polymer electrolyte

Info

Publication number: RU2325012C1
Application number: RU2006140229/09A
Authority: RU
Inventors: Яков Аронович Гофман (RU); Яков Аронович Гофман; Александр Андреевич Гаврилов (RU); Александр Андреевич Гаврилов; Наталь Сергеевна Фоменко (RU); Наталья Сергеевна Фоменко; Евгений Андреевич Гаврилов (RU); Евгений Андреевич Гаврилов
Original assignee: Яков Аронович Гофман
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2008-05-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; fuel elements.

SUBSTANCE: anodic (11) and cathodic (12) electrode layers ate mounted on grid substrate, electrode layers within integrated metal structure include porous electrode carriers (3) and (3′), solid shunts (4) and (4') of porous electrode carriers (3) and (3′) and leads (5) and (5′) to drain current from electrode layer. For that purpose odd areas designed for electrode carriers (3) and (3′) are protected on grid substrate with thermoplastic film (2). Grid substrate surface uncovered with film is copper and nickel plated to produce solid shunts (4) and (4′), leads (5) and (5′). Back surface of electrode layers (11) and (12) is rough copper deposit plated and then nickel plated that is corrosion-resistant for solid polymer electrolyte contact. One surface of solid polymer electrolyte (9) has catalytic coating (10). Adhesive padding (8) is formed on the surface of shunts (4) and lead (5) of electrode layer (11). Gaps correlating to adhesive padding (8) are cut in film covering solid polymer electrolyte (9). Surfaces of electrode (12) carriers (3′) has catalytic coating (6) consisting of fine-dispersed metallic catalyst and fluorocarbon polymer. Layers (11), (9), (12) are integrated and exposed to thermal pressing. Rough surface of electrode layers at that penetrates the film of solid polymer electrolyte, and corresponding shunts and leads of electrode layers (11) and (12) are glued over (7). It results in fuel element (fig. 5), supplied with minor fuel elements (13) in number equal to electrode carriers (3) of electrode layer (12) and respectively to (3') of electrode layer (11).

EFFECT: high performance and reliability of fuel element, as well as reduction of specific quantity of metal and productivity improvement of integrated layer-built structure of fuel element.

10 dwg, 4 ex

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления топливных элементов, предназначенных для мощных мобильных энергетических установок, например электромобилей.The present invention relates to electrical engineering and can be used for the manufacture of fuel cells designed for powerful mobile power plants, such as electric vehicles.

Топливный элемент с твердым полимерным электролитом, предназначенный для питания мощных энергетических установок, должен генерировать сравнительно большие токи, например более 100А. При плотности генерируемого тока на поверхности твердого полимерного электролита, равной 50-100 мА/см², поверхность топливного элемента должна быть более 1000 см².A fuel cell with a solid polymer electrolyte, designed to power powerful power plants, must generate relatively high currents, for example, more than 100A. When the density of the generated current on the surface of the solid polymer electrolyte is equal to 50-100 mA / cm ^{2 the} surface of the fuel cell must be more than 1000 cm ² .

При больших электродах топливного элемента точки, удаленные от токоотводящих частей, работают при меньших плотностях тока. Вследствие этого топливный элемент генерирует меньше тока, чем можно было ожидать исходя из измеренной разности потенциалов на внешних краях электродов. Этот эффект существенно увеличивается, если токоотвод находится не по всему внешнему краю электрода, а лишь по его части.With large fuel cell electrodes, points remote from the collector parts operate at lower current densities. As a result, the fuel cell generates less current than could be expected from the measured potential difference at the outer edges of the electrodes. This effect is significantly increased if the collector is not located along the entire outer edge of the electrode, but only along its part.

Повышение выходных характеристик топливного элемента с большой поверхностью электродных слоев возможно при разделении электродного слоя топливного элемента на участки и обеспечении токоотводом каждого участка по всему периметру с последующим параллельным соединением токоотводов с помощью шины, отводящей ток от электродного слоя топливного элемента. При этом необходимо обеспечить прочную связь между слоями топливного элемента, при которой отпадает необходимость механического прижима слоев.An increase in the output characteristics of a fuel cell with a large surface of the electrode layers is possible by dividing the electrode layer of the fuel cell into sections and providing a current collector for each section along the entire perimeter, followed by parallel connection of the current collectors using a bus that draws current from the electrode layer of the fuel cell. In this case, it is necessary to provide a strong bond between the layers of the fuel cell, which eliminates the need for mechanical clamping of the layers.

Известна пластинчатая конструкция для топливного элемента, способ ее изготовления и топливный элемент с твердым электролитом [1]. В соответствии с известным способом на пористой подложке выполняют нижний электродный слой, на поверхности которого выделяют разрозненные электролитные зоны. На каждую электролитную зону укладывают твердый электролит. На места, свободные от твердого электролита, наносят газонепроницаемый слой. Затем формируют верхний электродный слой, для чего на поверхность твердого электролита укладывают пористую электродную основу. После этого сопрягают слои топливного элемента механическим прижимом и получают пластинчатую конструкцию, состоящую из нескольких разрозненных малых топливных элементов.Known plate design for a fuel cell, a method of its manufacture and a solid electrolyte fuel cell [1]. In accordance with the known method, a lower electrode layer is formed on a porous substrate, on the surface of which scattered electrolyte zones are isolated. A solid electrolyte is placed on each electrolyte zone. In places free of solid electrolyte, a gas-tight layer is applied. Then form the upper electrode layer, for which a porous electrode base is laid on the surface of the solid electrolyte. After that, the fuel cell layers are mated with a mechanical clamp and a plate structure is obtained consisting of several disparate small fuel cells.

К недостаткам способа следует отнести необходимость сопряжения слоев топливного элемента механическим прижимом. Способ малопроизводителен из-за необходимости раздельной укладки каждой электродной основы верхнего электродного слоя на разрозненные электролитные участки.The disadvantages of the method include the need to pair the layers of the fuel cell with a mechanical clamp. The method is inefficient due to the need for separate laying of each electrode base of the upper electrode layer on disparate electrolyte sections.

Известен способ изготовления электрода топливного элемента и его сопряжения с твердым полимерным электролитом [2], заключающийся в том, что сетчатые электроды изготавливают плетением сетки из тонкой проволоки. В качестве материала сетки могут быть использованы благородные и цветные металлы либо неблагородные с соответствующим покрытием. Катализатор заполняет ячейки сетки и контактирует с твердым полимерным электролитом. Для создания более прочного контакта сетки с катализатором и твердым полимерным электролитом используют термическое прессование при температуре 100-200°С и давлении 1-10 МПа. Для обеспечения подвода газа и отвода воды на поверхность катодного электродного слоя наносят фторопластовую пористую пленку.A known method of manufacturing a fuel cell electrode and its interface with a solid polymer electrolyte [2], which consists in the fact that the mesh electrodes are made by weaving a mesh of thin wire. Noble and non-ferrous metals or base metals with the appropriate coating can be used as the mesh material. The catalyst fills the mesh cells and is in contact with a solid polymer electrolyte. To create a more durable contact of the grid with the catalyst and solid polymer electrolyte, thermal pressing is used at a temperature of 100-200 ° C and a pressure of 1-10 MPa. To ensure gas supply and water drainage, a fluoroplastic porous film is applied to the surface of the cathode electrode layer.

К недостаткам способа следует отнести низкую надежность электрода из-за слабой прочности сцепления катализатора с гладкими нитями плетеной сетки.The disadvantages of the method include the low reliability of the electrode due to the weak adhesion of the catalyst to the smooth filaments of a woven mesh.

Кроме того, известен способ изготовления топливного элемента с твердым полимерным электролитом [3], в соответствии с которым изготавливают электродные основы катода и анода с односторонней рельефной поверхностью. На рельефной поверхности катодной электродной основы формируют каталитический слой путем нанесения суспензии, состоящей из мелкодисперсного металлического катализатора и порошка фторсодержащего полимера. Суспензию выравнивают. После сушки проводят термообработку при температуре плавления полимера. Затем с одной стороны твердого полимерного электролита наносят каталитический слой, предназначенный для сопряжения с анодным электродным слоем. Проводят сборку слоев топливного элемента, для чего на поверхность твердого полимерного электролита со стороны каталитического слоя укладывают анодную электродную основу, а другую его сторону сопрягают с каталитическим слоем катодной электродной основы. Полученную сборку спрессовывают, при этом рельефная поверхность электродных основ внедряется в твердый полимерный электролит. Способ принят за прототип.In addition, a known method of manufacturing a fuel cell with a solid polymer electrolyte [3], in accordance with which produce the electrode base of the cathode and anode with a one-sided embossed surface. A catalytic layer is formed on the relief surface of the cathode electrode base by applying a suspension consisting of a finely divided metal catalyst and a fluorine-containing polymer powder. The suspension is leveled. After drying, heat treatment is carried out at the melting temperature of the polymer. Then, on one side of the solid polymer electrolyte, a catalytic layer is applied to interface with the anode electrode layer. The layers of the fuel cell are assembled, for which an anode electrode base is laid on the surface of the solid polymer electrolyte from the side of the catalytic layer, and its other side is mated with the catalytic layer of the cathode electrode base. The resulting assembly is compressed, while the embossed surface of the electrode substrates is embedded in a solid polymer electrolyte. The method adopted for the prototype.

Однако в известном способе имеются недостатки, заключающиеся в том, что прочность сцепления, основанная на внедрении рельефной поверхности в твердый полимерный электролит, недостаточна для надежной работы в жестких условиях эксплуатации мощных мобильных энергетических установок. Кроме того, омические потери при прохождении генерируемого тока от центра большого электродного слоя к токоотводящей шине ухудшают выходные характеристики топливного элемента.However, in the known method, there are drawbacks in that the adhesion strength based on the incorporation of the embossed surface into the solid polymer electrolyte is insufficient for reliable operation in harsh operating conditions of powerful mobile power plants. In addition, ohmic losses during the passage of the generated current from the center of the large electrode layer to the collector bus line degrade the output characteristics of the fuel cell.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа изготовления топливного элемента с твердым полимерным электролитом с высокими выходными характеристиками и надежного в жестких условиях эксплуатации мощных мобильных энергетических установок.The objective of the invention is to develop a method of manufacturing a fuel cell with a solid polymer electrolyte with high output characteristics and reliable in harsh operating conditions of powerful mobile power plants.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе изготовления топливного элемента с твердым полимерным электролитом [3] на одной из поверхностей анодного и катодного электродных слоев создают шероховатую поверхность. Затем на шероховатую поверхность катодного слоя наносят каталитический слой в виде суспензии мелкодисперсного металлического катализатора, например платиновой черни и фторорганического полимера. После сушки суспензии проводят нагрев при температуре плавления полимера. На одну из сторон твердого полимерного электролита наносят каталитический слой. Проводят сборку слоев топливного элемента, для чего с двух сторон пленки твердого полимерного электролита укладывают электродные слои: катодный - со стороны нанесенного на его поверхность катализатора, а анодный - со стороны каталитического слоя на поверхности твердого полимерного электролита. Полученную сборку подвергают термическому прессованию при температуре 100-200°С и давлении 1-10 МПа. При этом шероховатая поверхность электродных слоев внедряется в пленку твердого полимерного электролита, отличающаяся тем, что на пористой металлической подложке изготавливают электродные слои катода и анода, состоящие из разрозненных пористых электродных основ, предназначенных для малых топливных элементов, сплошных токоотводов от электродных основ и шин, отводящих ток от электродного слоя, для чего на поверхности подложки выделяют разрозненные участки для электродных основ и запрессовывают в них термопластичный полимер, а на свободные места подложки электролитически осаждают металл высокой проводимости, например медь и никель, при этом заращивают поры подложки и получают сплошные токоотводы и шину толщиной, соответствующей величине отводимого тока, на оборотную сторону электродных слоев анода и катода электролитически осаждают медь с шероховатой поверхностью, а затем коррозионностойкий при контакте с твердым полимерным электролитом металл, например никель, на поверхности токоотводов и шины анодного электродного слоя формируют клеевую прокладку, в пленке твердого полимерного электролита образуют окна в соответствии с размером и расположением клеевой прокладки на поверхности токоотводов, склеивают токоотводы и шины анодного и катодного электродных слоев в процессе термического прессования сборки и получают топливный элемент с твердым полимерным электролитом, составленный из определенного числа малых топливных элементов.The problem is achieved in that in a known method of manufacturing a fuel cell with a solid polymer electrolyte [3] on one of the surfaces of the anode and cathode electrode layers create a rough surface. Then, on the rough surface of the cathode layer, a catalytic layer is applied in the form of a suspension of a finely divided metal catalyst, for example platinum black and organofluorine polymer. After drying the suspension, heating is carried out at the melting temperature of the polymer. A catalytic layer is applied to one side of the solid polymer electrolyte. The layers of the fuel cell are assembled, for which electrode layers are laid on both sides of the film of solid polymer electrolyte: the cathode layer is on the side of the catalyst deposited on its surface, and the anode layer is on the side of the catalyst layer on the surface of the solid polymer electrolyte. The resulting assembly is subjected to thermal pressing at a temperature of 100-200 ° C and a pressure of 1-10 MPa. In this case, the rough surface of the electrode layers is embedded in the film of a solid polymer electrolyte, characterized in that the electrode layers of the cathode and anode are made on a porous metal substrate, consisting of disparate porous electrode substrates intended for small fuel cells, solid down conductors from the electrode substrates and busbars, leading current from the electrode layer, for which isolated areas for electrode bases are isolated on the surface of the substrate and a thermoplastic polymer is pressed into them, and free the bottom of the substrate electrolytically precipitates a metal of high conductivity, for example, copper and nickel, while the pores of the substrate are overgrown and solid current conductors and a bus bar are obtained with a thickness corresponding to the amount of current flow, copper with a rough surface is electrolytically deposited on the back of the electrode layers of the anode and cathode, and then corrosion-resistant upon contact with a solid polymer electrolyte, a metal, for example nickel, forms an adhesive strip on the surface of the down conductors and the busbar of the anode electrode layer, in the film Each polymer electrolyte is formed by windows in accordance with the size and location of the adhesive strip on the surface of the down conductors, the down conductors and busbars of the anode and cathode electrode layers are glued together during the thermal pressing of the assembly and a fuel cell with a solid polymer electrolyte is made up of a certain number of small fuel cells.

Предлагаемый способ поясняется на фиг.1-5.The proposed method is illustrated in figures 1-5.

На фиг.1 показана пористая подложка, разделенная на участки, в которых запрессована термопластичная пленка.Figure 1 shows a porous substrate, divided into sections in which a thermoplastic film is pressed.

На фиг.2 показана подложка после заращивания пор электролитическим осадком в местах незащищенных термопластичной пленкой.Figure 2 shows the substrate after pore healing by electrolytic sediment in places unprotected by a thermoplastic film.

На фиг.3 показан анодный электродный слой после формирования клеевой прокладки и укладки твердого полимерного электролита.Figure 3 shows the anode electrode layer after the formation of the adhesive strip and the laying of a solid polymer electrolyte.

На фиг.4 показан катодный электродный слой после нанесения катализатора и пленки клея.Figure 4 shows the cathode electrode layer after applying the catalyst and the adhesive film.

На фиг.5 показан топливный элемент с твердым полимерным электролитом, составленный из определенного числа малых топливных элементов.5 shows a solid polymer electrolyte fuel cell made up of a certain number of small fuel cells.

В соответствии с заявленным способом в качестве пористой металлической подложки (фиг.1) применяются тонкие металлические сетки с микронными отверстиями, изготовленные плетением проволоки из никеля или нержавеющей стали толщиной 25-30 мкм, размер ячеек в сетке 35-40 мкм. Пористую подложку 1 укладывают на металлическую технологическую матрицу. В качестве матрицы применяют металлы, которые используют для гальванопластических матриц, например, из нержавеющей стали, титана или алюминиевого сплава. Перед использованием гальванопластической матрицы на ее поверхность наносят разделительный слой в виде оксидных пленок. Разделительный слой обеспечивает возможность механического отделения электролитического осадка от матрицы [4]. Затем на поверхности пористой подложки 1 изготавливают анодный и катодный электродные слои. Для чего термопластичной пленкой 2 защищают участки на подложке 1, которые необходимо сохранить пористыми. Они предназначены для электродных основ 3. Термопластичная пленка 2 может быть функциональной, т.е. являться составной частью электродного слоя, например пористая пленка фторопласта, которая на поверхности катода используется для отвода продукта электрохимического процесса - воды, а также может быть технологической, которая после формирования электродного слоя удаляется. В качестве технологической пленки применяют термопластичные полимеры, например полистирол, у которого низкая температура плавления и он хорошо растворим в органических растворителях. Для нанесения пленки на поверхность подложки 1 используют металлический трафарет - шаблон, который изготавливают, например, из нержавеющей стали [5]. Количество и размер окон в трафарете соответствует количеству и размеру электродных основ 3, представленных на фиг.1. Трафарет механически прижимают к подложке 1, расположенной на технологической матрице, например, с помощью магнита. После чего в окна вносят мелкодисперсный полимер в виде пасты с последующей сушкой и запрессовывают при температуре плавления полимера, либо в окна трафарета помещают пленку термопластичного полимера и запрессовывают ее при температуре его плавления. После отделения трафарета от подложки 1 на свободные от термопластичной пленки места подложки 1 электролитического осаждают медь из раствора с большой рассеивающей способностью, например из раствора состава, г/л: медь сернокислая - 250, серная кислота - 70, плотность тока 4-6 А/дм², температура 20±2°С. Медь осаждают до достижения необходимой толщины токоотвода 4, которая может быть в пределах 100-130 мкм, в течение 60-80 минут. Осаждение медного осадка происходит как на поверхности технологической гальванопластической матрицы, прижатой к сетке 1, так и на нитях сетки. В результате ячейки сетки зарастают электролитическим осадком и образуются сплошные токоотводы 4 и шина 5 (фиг.2). Затем на медный осадок электролитически осаждают металл коррозионностойкий во влажной среде, например никель толщиной 6-9 мкм из раствора состава, г/л: никель сульфат 140-200, никель хлорид 30-40, борная кислота 25-40, натрий сульфат 60-80, температура 24-55°С, плотность тока 1-2 А/дм². Продолжительность никелирования - 30-40 минут [4].In accordance with the claimed method, as a porous metal substrate (Fig. 1) thin metal meshes with micron holes are used, made by weaving wire of nickel or stainless steel with a thickness of 25-30 microns, the mesh size in the mesh is 35-40 microns. The porous substrate 1 is laid on a metal process matrix. As the matrix, metals are used that are used for electroforming matrices, for example, stainless steel, titanium or aluminum alloy. Before using the galvanoplastic matrix, a separation layer in the form of oxide films is applied to its surface. The separation layer allows mechanical separation of the electrolytic precipitate from the matrix [4]. Then, on the surface of the porous substrate 1, anode and cathode electrode layers are made. Why thermoplastic film 2 protect the areas on the substrate 1, which must be kept porous. They are intended for electrode bases 3. Thermoplastic film 2 can be functional, i.e. be an integral part of the electrode layer, for example, a porous fluoroplastic film that is used on the cathode surface to remove the product of the electrochemical process - water, and can also be technological, which is removed after the formation of the electrode layer. As a process film, thermoplastic polymers, for example polystyrene, are used, which have a low melting point and are readily soluble in organic solvents. To apply the film to the surface of the substrate 1, a metal stencil is used — a template that is made, for example, of stainless steel [5]. The number and size of the windows in the stencil corresponds to the number and size of the electrode bases 3 shown in Fig.1. The stencil is mechanically pressed against the substrate 1 located on the technological matrix, for example, using a magnet. After that, finely dispersed polymer in the form of a paste is introduced into the windows, followed by drying and pressed at the melting temperature of the polymer, or a film of thermoplastic polymer is placed in the windows of the stencil and pressed into it at its melting temperature. After separation of the stencil from the substrate 1 on the places of the electrolytic substrate 1 free from the thermoplastic film, copper is precipitated from a solution with a high scattering ability, for example, from a solution of the composition, g / l: copper sulfate - 250, sulfuric acid - 70, current density 4-6 A / dm ² , temperature 20 ± 2 ° С. Copper is deposited until the required thickness of the collector 4 is reached, which may be in the range of 100-130 μm, within 60-80 minutes. The deposition of copper precipitate occurs both on the surface of the technological galvanoplastic matrix pressed to the grid 1, and on the threads of the grid. As a result, the grid cells are overgrown with electrolytic sediment and solid down conductors 4 and bus 5 are formed (Fig. 2). Then, a corrosion-resistant metal in a humid environment is deposited electrolytically on a copper precipitate, for example, nickel 6–9 μm thick from a solution of the composition, g / l: nickel sulfate 140–200, nickel chloride 30–40, boric acid 25–40, sodium sulfate 60–80 , temperature 24-55 ° С, current density 1-2 A / dm ² . The duration of nickel plating is 30-40 minutes [4].

Затем отделяют металлическую технологическую матрицу и на поверхность электродного слоя электролитически осаждают шероховатый осадок меди из электролита состава, в г/л: сернокислая медь 35-45, серная кислота 180-220 при температуре 22-26°С, плотность тока 6 А/дм², режим осаждения импульсный: время осаждения 0,5 мин, время паузы 0,025 мкм [5]. Осаждение меди проводят в течение 5-7 минут до достижения на поверхности шероховатости с Ra равной 1,25-2,5 мкм. После чего осаждают металл коррозионностойкий при контакте с твердым полимерным электролитом, например никель толщиной 8-10 мкм. Коррозионностойкий слой никеля осаждают из сульфатного электролита никелирования состава, г/л: сульфат никеля 80-100, борная кислота 10-15, никель хлористый 25-30, натрий сульфат 60-80, температура 18-20°С, плотность тока 2-4 А/дм², в течение 30 минут [6]. В результате получают электродный слой (фиг.2), в котором в единой металлической конструкции находятся тонкие пористые электродные основы 3, расположенные в горизонтальных и вертикальных рядах. Сплошной токоотвод 4, который соединяет пористые электродные основы 3, а так же шину 5, предназначенную для отвода тока от электродного слоя топливного элемента. Заявленным способом можно изготавливать электродные слои топливного элемента с различным числом электродных основ 3, а следовательно, применять электродные слои для изготовления топливных элементов, включающих различное количество малых топливных элементов. Так, например, для топливного элемента, предназначенного для питания электромобиля мощностью 25 кВт, напряжением 240 В, с величиной рабочего тока равной 104А, при плотности генерируемого тока твердым полимерным электролитом 0,1 А/см² поверхность топливного элемента равна 1040 см². Если поверхность малого топливного элемента равна 12 см² (5×2,4 см), то число малых топливных элементов в составе пластинчатой конструкции топливного элемента равно 86. Восемьдесят шесть основ 3 можно расположить в электродном слое, например в шести горизонтальных и четырнадцати вертикальных рядах. Расстояние между рядами электродных основ 3 соответствует ширине токоотвода 4. Толщина токоотвода 4 может быть определена по методике, основанной на допустимой величине плотности тока в осадках, полученных гальванохимическим методом [7]. По этой методике необходимая толщина токоотвода может быть определена исходя из значения допустимой плотности тока для проводников, полученных электролитическим осаждением меди. Так, для сплошных медных проводников допустимая плотность тока равна 20-25 А/мм². Число токоотводов от электродных основ 3 определяется числом горизонтальных и вертикальных рядов. Для отвода тока от шести горизонтальных рядов электродных основ 3 применяют шесть токоотводов 4, которые соединяют параллельно к шине 5. Шесть токоотводов имеют токовую нагрузку 104А, а один токоотвод имеет нагрузку 17,3А. Тогда при ширине токоотвода 10 мм его толщина равна 100-120 мкм. При такой толщине осадка он выступает над сеткой и охватывает по периметру фторопластовую пленку 2. При этом увеличивает прчность связи пленки 2 с электродным слоем.Then, the metal technological matrix is separated and a rough copper deposit from the electrolyte of the composition is electrolytically deposited onto the surface of the electrode layer, in g / l: copper sulfate 35-45, sulfuric acid 180-220 at a temperature of 22-26 ° С, current density 6 A / dm ² Pulse deposition mode: deposition time 0.5 min, pause time 0.025 μm [5]. Copper deposition is carried out for 5-7 minutes until a surface roughness with Ra of 1.25-2.5 microns is reached. Then the corrosion-resistant metal is deposited upon contact with a solid polymer electrolyte, for example, nickel with a thickness of 8-10 microns. The corrosion-resistant nickel layer is precipitated from a nickel sulfate electrolyte with the composition, g / l: nickel sulfate 80-100, boric acid 10-15, nickel chloride 25-30, sodium sulfate 60-80, temperature 18-20 ° С, current density 2-4 A / DM ² within 30 minutes [6]. The result is an electrode layer (figure 2), in which in a single metal structure there are thin porous electrode bases 3 located in horizontal and vertical rows. A solid down conductor 4, which connects the porous electrode base 3, as well as a bus 5, designed to divert current from the electrode layer of the fuel cell. The claimed method can produce electrode layers of a fuel cell with a different number of electrode bases 3, and therefore, apply electrode layers for the manufacture of fuel cells, including a different number of small fuel cells. So, for example, for a fuel cell designed to power an electric vehicle with a power of 25 kW, a voltage of 240 V, with a working current of 104A, with a current density of solid polymer electrolyte of 0.1 A / cm ^{2, the} surface of the fuel cell is 1040 cm ² . If the surface of the small fuel cell is 12 cm ² (5 × 2.4 cm), then the number of small fuel cells in the plate structure of the fuel cell is 86. Eighty-six bases 3 can be arranged in the electrode layer, for example, in six horizontal and fourteen vertical rows . The distance between the rows of electrode bases 3 corresponds to the width of the collector 4. The thickness of the collector 4 can be determined by the method based on the permissible value of the current density in the sediments obtained by the galvanochemical method [7]. Using this technique, the required thickness of the collector can be determined based on the value of the permissible current density for conductors obtained by electrolytic deposition of copper. So, for solid copper conductors, the permissible current density is 20-25 A / mm ² . The number of down conductors from the electrode bases 3 is determined by the number of horizontal and vertical rows. To drain the current from six horizontal rows of electrode bases 3, six down conductors 4 are used, which are connected in parallel to the bus 5. Six down conductors have a current load of 104A, and one down conductor has a load of 17.3A. Then, with a collector width of 10 mm, its thickness is 100-120 microns. With such a thickness of the precipitate, it protrudes above the grid and covers the perimeter of the fluoroplastic film 2. In this case, the bond strength of the film 2 with the electrode layer increases.

Толщина электродных пористых основ 3 определяется плотностью генерируемого тока на твердом полимерном электролите и величиной поверхности электродной основы. Следует отметить, что уровень техники позволяет изготавливать твердый полимерный электролит с плотностью генерируемого тока от 0,005 до 1 А/см² и более [8].The thickness of the electrode porous substrates 3 is determined by the density of the generated current on the solid polymer electrolyte and the surface area of the electrode base. It should be noted that the prior art makes it possible to produce a solid polymer electrolyte with a generated current density of 0.005 to 1 A / cm ² or more [8].

При поверхности электродной основы равной 12 см² и плотности генерируемого тока 0,1 А/см² толщина никелевой сетки равна 35-40 мкм.When the surface of the electrode base is equal to 12 cm ² and the density of the generated current is 0.1 A / cm ^{2, the} thickness of the nickel mesh is 35-40 μm.

В соответствии с предложенным способом толщину никелевой сетки еще увеличивают на 8-10 мкм в процессе электролитического наращивания никеля на шероховатую поверхностью. Поэтому при изготовлении топливных элементов для мощных энергетических установок по предложенному способу можно применять тонкие сетки, например, толщиной 35-40 мкм. Поскольку тонкие пористые электродные основы 3 занимают 70-80% поверхности электродного слоя, то существенно уменьшается металлоемкость топливного элемента и соответственно повышается удельная его мощность. Единство в металлической конструкции тонких пористых электродных основ 3, сплошных токоотводов 4 и шины 5 минимизирует омические потери. При этом повышаются выходные характеристики топливного элемента. К отличительной особенности предложенного способа следует также отнести создание топливного элемента с прочной связью между его слоями. Это достигается за счет склеивания токоотводов 4 и 4' электродных слоев, а так же шин 5 и 5' анода и катода с помощью клеевой прокладки 8 (фиг.5). При этом обеспечиваются не только надежность за счет прочных связей слоев пластичной конструкции топливного элемента, но и надежная газонепроницаемость конструкции.In accordance with the proposed method, the thickness of the Nickel mesh is still increased by 8-10 microns in the process of electrolytic build-up of Nickel on a rough surface. Therefore, in the manufacture of fuel cells for powerful power plants according to the proposed method, thin meshes, for example, with a thickness of 35-40 microns, can be used. Since thin porous electrode bases 3 occupy 70-80% of the surface of the electrode layer, the metal consumption of the fuel cell is significantly reduced and, accordingly, its specific power is increased. The unity in the metal structure of thin porous electrode substrates 3, solid down conductors 4 and bus 5 minimizes ohmic losses. This increases the output characteristics of the fuel cell. A distinctive feature of the proposed method should also include the creation of a fuel cell with a strong bond between its layers. This is achieved by gluing down conductors 4 and 4 'of the electrode layers, as well as tires 5 and 5' of the anode and cathode using adhesive strip 8 (figure 5). At the same time, not only reliability is ensured due to the strong bonds between the layers of the plastic structure of the fuel cell, but also reliable gas impermeability of the structure.

К клеевой прокладке предъявляются следующие требования: она должна иметь высокую водостойкость, хорошие электрические характеристики, теплостойкость и морозостойкость. Таким требованиям удовлетворяют, например, термореактивные клеи на основе кремнийорганических смол, например, марки ВК-2 и ИП-9, а так же клеи на основе фенолформальдегидных смол, модернизированных алкооксисиланом и поливинилацеталем, например, марки ВС-10Т и ВС-350 [9].The following requirements are imposed on the adhesive strip: it must have high water resistance, good electrical characteristics, heat resistance and frost resistance. Such requirements are met, for example, by thermosetting adhesives based on organosilicon resins, for example, VK-2 and IP-9 grades, as well as adhesives based on phenol-formaldehyde resins upgraded with alkoxysilane and polyvinyl acetal, for example, grades VS-10T and VS-350 [9 ].

В пластинчатой конструкции топливного элемента (фиг.5) между электродными слоями 11 и 12 образуют монолитный диэлектрический слой, состоящий их пленки твердого полимерного электролита 9 и клеевой пленки 8. Это достигается тем, что в пленке твердого полимерного электролита 9 механически создают окна, которые соответствуют размерам клеевой прокладки 8. Клеевую прокладку 8 формируют на поверхности анодного электронного слоя 11 (фиг.3). Для чего на токоотводы, расположенные в горизонтальных рядах, а также на шину наносят пленку термореактивного клея 7. Если толщина пленки твердого полимерного электролита 9 больше 100 мкм, то на поверхность токоотводов и шины укладывают стеклоткань, пропитанную клеем, и нагревают до температуры отверждения клея, затем на поверхность отвержденного клея наносят тонкий слой термореактивного клея и проводят открытую выдержку. Затем укладывают пленку твердого полимерного электролита 9 таким образом, чтобы клеевая прокладка 8 входила в окна пленки твердого полимерного электролита 9. На токоотводы горизонтальных рядов катодного электродного слоя 12 (фиг.4) наносят клеевую пленку 7 и проводят открытую выдержку. Укладывают электродные слои с двух сторон твердого полимерного электролита таким образом, чтобы каталитические слои 6 на электродных основах 3' и 10 на твердом полимерном электролите 9 были соответственно совмещены и завершают сборку слоев пластической конструкции. Предложенный способ позволяет обеспечить точное совмещение электродных основ 3 и 3', принадлежащих к анодному и катодному слоям. После сопряжения электродных слоев 3 и 3' с двух сторон полимерного электролита 9 образуются малые топливные элементы 13, число которых в пластинчатой конструкции соответствует числу электродных основ 3 (фиг.5).In the plate design of the fuel cell (Fig. 5), a monolithic dielectric layer is formed between the electrode layers 11 and 12, consisting of a film of solid polymer electrolyte 9 and an adhesive film 8. This is achieved by the fact that in the film of a solid polymer electrolyte 9 mechanically create windows that correspond to the size of the adhesive strip 8. The adhesive strip 8 is formed on the surface of the anode electronic layer 11 (figure 3). For this purpose, a film of thermosetting adhesive 7 is applied to the down conductors in horizontal rows, as well as to the bus. If the film thickness of the solid polymer electrolyte 9 is more than 100 μm, then the fiberglass impregnated with glue is laid on the surface of the down conductors and the bus and heated to the curing temperature of the adhesive, then a thin layer of thermosetting adhesive is applied to the surface of the cured adhesive and open exposure is carried out. Then, a film of solid polymer electrolyte 9 is laid so that the adhesive strip 8 enters the windows of the film of solid polymer electrolyte 9. An adhesive film 7 is applied to the down conductors of the horizontal rows of the cathode electrode layer 12 (Fig. 4) and open exposure is carried out. Lay the electrode layers on both sides of the solid polymer electrolyte so that the catalytic layers 6 on the electrode bases 3 'and 10 on the solid polymer electrolyte 9 are respectively aligned and complete the assembly of the layers of the plastic structure. The proposed method allows for accurate alignment of the electrode bases 3 and 3 'belonging to the anode and cathode layers. After pairing the electrode layers 3 and 3 'on both sides of the polymer electrolyte 9, small fuel cells 13 are formed, the number of which in the plate structure corresponds to the number of electrode bases 3 (Fig. 5).

Сборку подвергают термическому прессованию при температуре отверждения термореактивного клея, например при 150±5°С и давлении 1-2 МПа. При этом происходит внедрение шероховатой поверхности электродных слоев в пленку твердого полимерного электролита, а так же склеивание токоотводов и шин анодного и катодного электродных слоев.The assembly is subjected to thermal pressing at a curing temperature of thermosetting adhesive, for example, at 150 ± 5 ° C and a pressure of 1-2 MPa. In this case, the rough surface of the electrode layers is introduced into the film of the solid polymer electrolyte, as well as the bonding of the collectors and busbars of the anode and cathode electrode layers.

Способ реализуется следующим образом:The method is implemented as follows:

Пример 1. Изготавливают топливный элемент с твердым полимерным электролитом, предназначенный для питания электромобиля мощностью 25 кВт, напряжением 240 В и рабочим током 104А. Пластинчатая конструкция топливного элемента составлена из малых топливных элементов, каждый из которых имеет поверхность 12 см² (5×2,4 см). Плотность генерируемого тока на каталитической поверхности твердого полимерного электролитного слоя равна 0,1 А/см². Для генерации тока 104А необходима поверхность топливного элемента в 1040 см, которая может быть реализована 86 малыми топливными элементами с поверхностью 12 см² каждый.Example 1. Make a fuel cell with a solid polymer electrolyte, designed to power an electric vehicle with a capacity of 25 kW, a voltage of 240 V and a working current of 104A. The plate design of the fuel cell is composed of small fuel cells, each of which has a surface of 12 cm ² (5 × 2.4 cm). The density of the generated current on the catalytic surface of the solid polymer electrolyte layer is 0.1 A / cm ² . To generate a current 104A, a fuel cell surface of 1040 cm is required, which can be realized with 86 small fuel cells with a surface of 12 cm ² each.

Малые топливные элементы можно расположить в пластинчатой конструкции топливного элемента в шести горизонтальных и четырнадцати вертикальных рядах. Если расстояние между рядами равно 10 мм, а ширина шины равна 40 мм, то ширина топливного элемента составляет 400 мм, а длина - 486 мм.Small fuel cells can be arranged in a plate-like structure of the fuel cell in six horizontal and fourteen vertical rows. If the row spacing is 10 mm and the tire width is 40 mm, then the width of the fuel cell is 400 mm and the length is 486 mm.

В качестве материала подложки 1 применяют никелевую сетку размером 400×486 мм, изготовленную по ГОСТ6613-86, номер 004, плетенную из проволоки толщиной 0.03 мм с размером ячеек 0,04 мм. В качестве экранирующей пластины применяют гальванопластическую матрицу из алюминиевого сплава Д16Т толщиной 0,3 мм. Сетку укладывают на матрицу. После чего на поверхность сетки укладывают трафарет-шаблон из электротехнической стали, например, марки Э-44, толщиной 0,2-0,3 мм. Трафарет-шаблон имеет окна размером, соответствующим размерам электродных основ (5×2,4 см).As the substrate material 1, a nickel mesh 400 × 486 mm in size, made according to GOST6613-86, number 004, braided from 0.03 mm thick wire with a mesh size of 0.04 mm, is used. As a shielding plate, a galvanoplastic matrix of aluminum alloy D16T with a thickness of 0.3 mm is used. The grid is laid on the matrix. After that, a stencil-template of electrical steel, for example, grade E-44, with a thickness of 0.2-0.3 mm, is laid on the surface of the mesh. The stencil-template has windows the size corresponding to the sizes of the electrode bases (5 × 2.4 cm).

Число окон и их размещение в горизонтальных и вертикальных рядах трафарета соответствует числу и расположению электродных основ 3 в электродных слоях 11 и 12. В окна рамки вносят термопластичный полимер в виде пастообразной массы, которая изготавливается из порошка полимера. Для катодного электродного слоя в окна вносят массу, состоящую, например, из порошка смеси окиси алюминия и 30% суспензии фторопласта марки Д4ДМ в соотношении 5:3. Пасту наносят методом намазки. Сушат при 50°С, затем запрессовывают пасту в ячейки сетки при температуре плавления фторопласта 300-350°С и давлении 1,5-2,5 МПа. В результате получают пленку 2, которая защищает пористую структуру электродных основ 3 в процессе электролитического осаждения металла при изготовлении токоотводов 4 и шины 5. Для анодного электродного слоя применяют пастообразную массу на основе полистирола. Затем изготавливают анодный и катодный электродные слои по единой технологии. На свободные от пленки 2 участки подложки 1 электролитически осаждают медь толщиной 100 мкм. После чего электролитически осаждают никель толщиной 10-12 мкм. Отделяют гальванопластическую матрицу путем отслаивания. Затем на поверхность электродного слоя электролитически осаждают шероховатый электролитический осадок меди в импульсном режиме до достижения шероховатости Ra равной 2,5 мкм. После чего электролитически осаждают никель толщиной 8-10 мкм.The number of windows and their placement in the horizontal and vertical rows of the stencil corresponds to the number and location of the electrode bases 3 in the electrode layers 11 and 12. A thermoplastic polymer in the form of a paste-like mass, which is made of polymer powder, is introduced into the frame windows. For the cathode electrode layer, a mass is introduced into the windows, consisting, for example, of a powder of a mixture of aluminum oxide and a 30% suspension of fluoroplastic grade D4DM in a ratio of 5: 3. The paste is applied by spreading. It is dried at 50 ° C, then the paste is pressed into the mesh cells at a fluoroplastic melting point of 300-350 ° C and a pressure of 1.5-2.5 MPa. The result is a film 2, which protects the porous structure of the electrode bases 3 during the electrolytic deposition of metal in the manufacture of down conductors 4 and bus 5. For the anode electrode layer, a polystyrene-based paste is used. Then the anode and cathode electrode layers are made according to a single technology. On free from the film 2 sections of the substrate 1, electrolytic copper is deposited with a thickness of 100 μm. After that, nickel 10-12 microns thick is electrolytically deposited. The electroforming matrix is separated by peeling. Then, on the surface of the electrode layer, a rough electrolytic copper deposit is precipitated electrolytically in a pulsed mode until a roughness Ra of 2.5 μm is reached. After that, nickel with a thickness of 8-10 microns is electrolytically deposited.

Из фторопластовой пленки 2 катодного электродного слоя удаляют порообразователь путем выщелачивания в растворе 10% едкого натрия. Из ячеек основ 3 анодного электродного слоя удаляют полистирол при нагреве до температуры 110-120°С и продувкой горячим воздухом с температурой 85-90°С. После чего следует промывка в органическом растворителе. Затем электродные слои 11 и 12 и пленку твердого полимерного электролита 9 подготавливают к сборке слоистой конструкции топливного элемента.The pore former is removed from the fluoroplastic film 2 of the cathode electrode layer by leaching 10% sodium hydroxide solution. Polystyrene is removed from the cells of the bases 3 of the anode electrode layer by heating to a temperature of 110-120 ° C and blowing with hot air at a temperature of 85-90 ° C. Then followed by washing in an organic solvent. Then, the electrode layers 11 and 12 and the film of the solid polymer electrolyte 9 are prepared for assembling the layered structure of the fuel cell.

На поверхности анодного электродного слоя 11 формируют клеевую прокладку 8. для чего на токоотводы 4 горизонтальных рядов укладывают пропитанную клеем стеклоткань Э-27 толщиной 27 мкм и запрессовывают при давлении 0,5-1 МПа и температуре отверждения клея. В пленке твердого полимерного электролита 9 вырезают окна, которые по размерам и расположению соответствуют клеевой прокладке 8. Пленку 9 укладывают на анодный электродный слой со стороны ее каталитического слоя 10. На электродные основы 3 катодного электродного слоя 12 наносят каталитический слой 6 на основе платиновой черни и суспензии фторопласта. После сушки проводят нагрев при температуре плавления фторопласта. После чего на поверхность токоотводов 4 горизонтальных рядов наносят клеевую пленку 7 и проводят открытую выдержку, а затем катодный электродный слой укладывают на поверхность пленки 9. Полученную слоистую конструкцию топливного элемента подвергают термическому прессованию при температуре 140±5°С и давлении 1-2 МПа. При этом шероховатая поверхность электродных основ 3 и 3' (фиг.5) внедряют в пленку полимерного электролита 9. Токоотводы 4 и 4' и шины 5 и 5' электродных слоев 11 и 12 склеивают между собой. Получают топливный элемент с твердым полимерным электролитом. Размером 400×484×0,5 мм. Из определенного числа полученных топливных элементов можно образовать блок топливного элемента, реализующего мощность 25 кВт и напряжение 240 В.An adhesive strip 8 is formed on the surface of the anode electrode layer 11. For this purpose, E-27 fiberglass impregnated with glue with a thickness of 27 μm is laid on down conductors of 4 horizontal rows and pressed at a pressure of 0.5-1 MPa and the curing temperature of the adhesive. In the film of solid polymer electrolyte 9, windows are cut which correspond in size and location to the adhesive strip 8. The film 9 is laid on the anode electrode layer from the side of its catalytic layer 10. A catalytic layer 6 based on platinum black is applied to the electrode bases 3 of the cathode electrode layer 12 and fluoroplastic suspension. After drying, heating is carried out at the melting point of the fluoroplastic. Then, an adhesive film 7 is applied to the surface of the down conductors 4 of the horizontal rows and open exposure is carried out, and then the cathode electrode layer is laid on the surface of the film 9. The resulting laminated fuel cell structure is thermally pressed at a temperature of 140 ± 5 ° C and a pressure of 1-2 MPa. In this case, the rough surface of the electrode bases 3 and 3 '(Fig. 5) is embedded in the polymer electrolyte film 9. The collectors 4 and 4' and the busbars 5 and 5 'of the electrode layers 11 and 12 are glued together. A solid polymer electrolyte fuel cell is obtained. Size 400 × 484 × 0.5 mm. From a certain number of fuel cells obtained, it is possible to form a fuel cell block that implements a power of 25 kW and a voltage of 240 V.

Пример 2. Топливный элемент с твердым полимерным электролитом, изготовленный по технологии примера 1, имеет тонкое коррозионностойкое покрытие на катодном электродном слое из серебра, а на анодном электродном слое - из платины. Серебро электролитически осаждают, например, из раствора, г/л: серебро хлорид - 40, калий ферроцианид - 200, калий карбонат - 20, плотность тока 1-1,5 А/дм², температура 60-80°С, толщина осадка 1-1,5 мкм.Example 2. A fuel cell with a solid polymer electrolyte made according to the technology of example 1 has a thin corrosion-resistant coating on the cathode electrode layer of silver, and on the anode electrode layer of platinum. Silver is electrolytically precipitated, for example, from a solution, g / l: silver chloride - 40, potassium ferrocyanide - 200, potassium carbonate - 20, current density 1-1.5 A / dm ² , temperature 60-80 ° С, sediment thickness 1 -1.5 microns.

Платину электролитически осаждают, например, из раствора, г/л: платинохлористоводородная кислота - 6, натрий фосфат двухзамещенный - 100, аммоний фосфат двухзамещенный - 20, плотность тока 0,5 А/дм², температура 70-80°С, толщина 0,3-0,5 мкм [10].The platinum is deposited electrolytically, e.g., from the solution, g / l: chloroplatinic acid - 6, sodium phosphate disubstituted - 100, disubstituted ammonium phosphate - 20, current density 0.5 A / dm ^2, temperature 70-80 ° C, the thickness of 0, 3-0.5 μm [10].

Пример 3. Топливный элемент с твердым полимерным электролитом, изготовленный по технологии примера 1, имеет в качестве подложки 1 сетку из нержавеющей стали, марки 12Х18Н10Т, с микронными отверстиями и следующими характеристиками: размер ячейки - 0,04 мм, диаметр проволоки - 0,03 м, вес 1 кв.м. - 0,165 кг.Example 3. A fuel cell with a solid polymer electrolyte made according to the technology of Example 1 has as its substrate 1 a grid of stainless steel, grade 12X18H10T, with micron holes and the following characteristics: mesh size - 0.04 mm, wire diameter - 0.03 m, weight 1 sq.m. - 0.165 kg.

Для использования сетки из нержавеющей стали ее никелируют. Для чего проводят электрохимическое обезжиривание в растворе, г/л: едкий натрий - 20-40, при температуре 50-60°С, плотность анодного тока 6-8 А/дм², продолжительность - 10-15 с. Затем активируют в водном растворе соляной кислоты (1:1) и никелируют в растворе, г/л: сульфат никеля - 200, хлорид никеля - 180, борная кислота - 30, плотность тока 3-5 А/дм². температура 18-25°С, толщина покрытия 4-5 мкм [10].To use a stainless steel mesh, it is nickel-plated. Why electrochemical degreasing is carried out in solution, g / l: sodium hydroxide - 20-40, at a temperature of 50-60 ° C, anode current density of 6-8 A / dm ² , duration - 10-15 s. Then it is activated in an aqueous solution of hydrochloric acid (1: 1) and nickelized in solution, g / l: nickel sulfate - 200, nickel chloride - 180, boric acid - 30, current density 3-5 A / dm ² . temperature 18-25 ° C, coating thickness 4-5 microns [10].

Пример 4. Топливный элемент с твердым полимерным электролитом изготавливают по технологии примера 1. Он предназначен для питания мобильных транспортных средств типа скутера или электрокара. Мощность топливного элемента - 5 кВт, напряжение - 127 В, рабочий ток - 39,3А.Example 4. A fuel cell with a solid polymer electrolyte is made according to the technology of example 1. It is designed to power mobile vehicles such as a scooter or electric car. The power of the fuel cell is 5 kW, the voltage is 127 V, the operating current is 39.3A.

Пластинчатая конструкция топливного элемента составлена из малых топливных элементов, каждый из которых имеет размер 12 см² (5×2,4 см). Плотность генерируемого тока на поверхности твердого полимерного электролита равна 100 мА/см². Для генерации тока в 39,3А необходима суммарная поверхность всех малых топливных элементов, равная 390 см², что соответствует 32 малым топливным элементам с поверхностью 12 см². Малые топливные элементы располагают в пластинчатой конструкции в пяти горизонтальных и шести вертикальных рядах. Между смежными рядами малых топливных элементов расположены сплошные токоотводы шириной 8 мм. Ширина шины для отвода тока от электродного слоя равна 30 мм. Тогда ширина пластинчатой конструкции топливного элемента равна 230 мм, длина - 300 мм толщина - 0,5 мм. Размер топливного элемента с твердым полимерным электролитом равен 300×230×0,5 мм.The plate design of the fuel cell is composed of small fuel cells, each of which has a size of 12 cm ² (5 × 2.4 cm). The density of the generated current on the surface of the solid polymer electrolyte is 100 mA / cm ² . To generate a current of 39.3 A, the total surface of all small fuel cells equal to 390 cm ² is required, which corresponds to 32 small fuel cells with a surface of 12 cm ² . Small fuel cells are arranged in a plate structure in five horizontal and six vertical rows. Between adjacent rows of small fuel cells are solid down conductors 8 mm wide. The width of the bus to drain current from the electrode layer is 30 mm. Then the width of the plate structure of the fuel cell is 230 mm, the length is 300 mm, the thickness is 0.5 mm. The size of the solid polymer electrolyte fuel cell is 300 × 230 × 0.5 mm.

Из определенного числа полученных топливных элементов можно образовать блок топливного элемента, реализующего мощность 5 кВт и напряжение 127 В.From a certain number of fuel cells obtained, it is possible to form a fuel cell block that implements a power of 5 kW and a voltage of 127 V.

Техническим результатом является повышение надежности топливного элемента с твердым полимерным электролитом, предназначенного для мощных мобильных энергетических установок, улучшение его выходных характеристик, уменьшение металлоемкости, а также повышение производительности при сборке слоистой конструкции топливного элемента.The technical result is to increase the reliability of the fuel cell with a solid polymer electrolyte, designed for powerful mobile power plants, improve its output characteristics, reduce metal consumption, as well as increase productivity in the assembly of the layered structure of the fuel cell.

Для достижения указанного технического результата, в соответствии с предложенным способом изготавливают электродные слои топливного элемента, у которых в единой металлической конструкции находятся тонкие пористые электродные основы, сплошные токоотводы от них и шины для отвода тока от электродных основ. Такая металлическая конструкция электродного слоя обеспечивает минимизацию омических потерь и улучшение выходных характеристик топливного элемента. Кроме того, она позволяет проводить склеивание токоотводов и шин анодного и катодного электродных слоев в процессе сборки слоистой конструкции. За счет чего повышается надежность топливного элемента, особенно при работе в жестких условиях эксплуатации при вибрационных и ударных нагрузках. При большом числе разрозненных электродных основ в составе электродного слоя возможна одновременная укладка и сопряжение всех электродных основ анодного и катодного электродных слоев за одну технологическую операцию, что повышает производительность способа. Так как тонкие электродные основы малых топливных элементов занимают до 80% поверхности электродного слоя, то снижается металлоемкость топливного элемента.To achieve the specified technical result, in accordance with the proposed method, electrode layers of a fuel cell are manufactured in which thin porous electrode substrates, continuous down conductors from them and busbars for conducting current from the electrode bases are in a single metal structure. Such a metal construction of the electrode layer minimizes ohmic losses and improves the output characteristics of the fuel cell. In addition, it allows the bonding of down conductors and busbars of the anode and cathode electrode layers during the assembly of the layered structure. Due to this, the reliability of the fuel cell is increased, especially when working in harsh operating conditions with vibration and shock loads. With a large number of disparate electrode bases in the electrode layer, it is possible to simultaneously lay and pair all electrode bases of the anode and cathode electrode layers in one technological operation, which increases the productivity of the method. Since the thin electrode bases of small fuel cells occupy up to 80% of the surface of the electrode layer, the metal consumption of the fuel cell is reduced.

Таким образом, предложенное решение обеспечивает получение технического результата: повышение выходных характеристик и эксплуатационной надежности, уменьшение металлоемкости топливного элемента с твердым полимерным электролитом, увеличение производительности при сборке слоистой конструкции топливного элемента, составленного из большого числа малых топливных элементов.Thus, the proposed solution provides a technical result: an increase in output characteristics and operational reliability, a decrease in the metal consumption of a fuel cell with a solid polymer electrolyte, and an increase in productivity during the assembly of a layered structure of a fuel cell composed of a large number of small fuel cells.

Источники информацииInformation sources

1. Патент ЕР 1261059 от 27.11.2002. Пластинчатая конструкция для топливного элемента. Способ ее изготовления и топливный элемент с твердым электролитом.1. Patent EP 1261059 from 11.27.2002. Plate design for fuel cell. A method for its manufacture and a solid electrolyte fuel cell.

2. Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф. Электрохимические генераторы. М.: Энергоиздат, 1982, стр.302-305.2. Lidorenko N.S., Muchnik G.F. Electrochemical generators. M .: Energoizdat, 1982, pp. 302-305.

3. Патент JP 3256649 от 12.02.2002. Способ изготовления топливного элемента с твердым полимерным электролитом и сам топливный элемент. Прототип.3. JP patent 3256649 dated 12.02.2002. A method of manufacturing a solid polymer electrolyte fuel cell and the fuel cell itself. Prototype.

4. Гальванотехника. М.: Металлургиздат, 1987, стр.571-573.4. Electroplating. M.: Metallurgizdat, 1987, pp. 571-573.

5. Монтаж на поверхности. М.: Стандарты, 1991, стр.33-34.5. Surface mounting. M .: Standards, 1991, pp. 33-34.

6. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. Том 1, М.: Машиностроение, 1985, стр.91, 106.6. Electroplating in mechanical engineering. Directory. Volume 1, M.: Mechanical Engineering, 1985, p. 91, 106.

7. Аренков А.Б. Печатные и пленочные элементы радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1971, стр.21.7. Arenkov A.B. Printed and film elements of electronic equipment. L .: Energy, 1971, p. 21.

8. Топливные элементы и энергоустановки на их основе. Тезисы докладов. Обнинск.: Физико-энергетический институт, 2000, стр.19.8. Fuel cells and power plants based on them. Abstracts of reports. Obninsk .: Physics and Energy Institute, 2000, p. 19.

9. Справочник по электрохимическим материалам. Том 1. М.: Энергия. 1974, стр.317.9. Handbook of electrochemical materials. Volume 1. M.: Energy. 1974, p. 317.

10. Справочник по электрохимии. Л.: Химия, 19812, стр.282, 284.10. Handbook of electrochemistry. L .: Chemistry, 19812, p. 282, 284.

Claims

A method of manufacturing a solid polymer electrolyte fuel cell, comprising creating a rough surface on one of the surfaces of the anodic and cathodic electrode layers, then applying a catalytic layer in the form of a suspension of a finely dispersed metal catalyst, for example platinum black, and a fluorine-containing polymer on the rough surface of the cathode layer, after drying the suspension conduct heating at the melting temperature of the polymer, on one side of the solid polymer electrolyte is applied a catalytic layer, after which the layers of the fuel cell are assembled, for which electrode layers are laid on both sides of the solid electrolyte film: the cathode layer is on the side of the catalyst deposited on its surface, and the anode layer is on the side of the catalytic layer on the surface of the solid polymer electrolyte, the assembly is subjected to thermal pressing at a temperature 100-200 ° C and a pressure of 1-10 MPa, while the rough surface of the electrode layers is embedded in a film of solid polymer electrolyte, characterized in that on a porous metal the electrode substrate, the electrode layers of the cathode and anode are made, consisting of disparate porous electrode substrates intended for small fuel cells, continuous down conductors from the electrode substrates and busbars that divert current from the electrode layer, for which separate sections for the electrode substrates are isolated on the surface of the substrate and pressed into they are a thermoplastic polymer, and high-conductivity metal, such as copper and nickel, is electrolytically deposited on the free spots of the substrate, while the pores of the substrate are healed and solid down conductors and a busbar with a thickness corresponding to the amount of current to be removed, copper with a rough surface is electrolytically deposited on the reverse side of the electrode layers of the anode and cathode, and then a metal, for example nickel, which is unstable when in contact with a solid polymer electrolyte, forms an adhesive on the surface of the down conductors and busbars of the anode electrode layer gasket, windows form in the film of solid polymer electrolyte in accordance with the size and location of the adhesive gasket on the surface of the collectors, glue the collector water and tires of the anode and cathode electrode layers in the process of thermal pressing of the assembly and receive a fuel cell with a solid polymer electrolyte, composed of a certain number of small fuel cells.