RU2383087C2 - Пластина для топливного элемента - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к пластине топливного элемента с ионообменной мембраной, предназначенного для установки на автомобиле. Согласно изобретению пластина для топливного элемента содержит каналы (2-5) подачи, соединенные с впускным отверстием (2а), выполненным в центре одной из сторон пластины, и каналы (6-9) удаления, в которых циркулируют соответственно поток реагентной текучей среды с относительно высокой концентрацией и поток реагентной текучей среды с относительно низкой концентрацией. Каналы подачи и/или удаления выполнены на пластине симметрично, при этом каналы подачи и удаления имеют аналогичные фрактальные конфигурации, выполненные комплементарно относительно друг друга для получения сети взаимосвязанных каналов. Техническим результатом является высокая эффективность и надежность топливного элемента. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Объектом настоящего изобретения является пластина для топливного элемента, а именно для топливного элемента с ионообменной мембраной (РЕМ), предназначенного для установки на автомобиле.

Топливные элементы типа РЕМ обычно содержат стопку двухполюсных пластин и ионообменных мембран, при этом мембраны образованы твердым электролитом, выполненным, например, из полимерных материалов.

На своих сторонах, находящихся в контакте с мембранами, двухполюсные пластины содержат канавки, образующие вместе с указанными мембранами распределительные каналы или подводы, обеспечивающие циркуляцию газов в контакте с мембранами.

Анодные газы циркулируют с одной стороны мембраны, а катодные газы циркулируют с противоположной стороны. Реакции окисления-восстановления анодных и катодных газов происходят по обе стороны мембраны с ионным обменом через эту мембрану, при этом электроны переносятся двухполюсными пластинами. Таким образом, получают электрическую энергию, которую используют, в частности, для приведения в движение автомобиля.

Когда газы циркулируют в каналах от входа к выходу, происходит постепенное расходование реагентов. Концентрация реагентов в потоке, циркулирующем в каналах, таким образом, постепенно уменьшается. Это уменьшение количества реагентов, главным образом происходящее вблизи выходов распределительных каналов, может привести к неравномерному распределению реагентов на активной обменной поверхности мембраны. Это не позволяет достичь удовлетворительной работы топливного элемента.

Таким образом, для достижения более высокой эффективности и надежности топливного элемента желательно обеспечить равномерное распределение анодных и катодных реагентов на активных зонах мембран.

Для получения лучшего распределения реагентов уже были предложены разные решения. Так, в патенте US 4988583 описана двухполюсная пластина, содержащая на одной из своих сторон только один канал распределения текучих сред, выполненный от одного края пластины к противоположному краю и состоящий из множества сплошных извилин, выполненных в виде бустрофедона. Извилины выполнены на стороне пластины таким образом, чтобы распределяться на большей части указанной стороны.

В патенте US 5641586 описана двухполюсная пластина, содержащая множество входных каналов и множество выходных каналов для текучих сред, выполненных, пересекаясь друг с другом, при этом текучие среды циркулируют от входных каналов к выходным каналам, проходя через слой диффузии газов.

Из документов US-B1-6616327 и US-B1-6333019 известно также выполнение каналов подачи и/или удаления текучих сред, в частности, для топливного элемента, содержащего стопку пластин, причем входные и выходные участки выполнены на каждой из пластин таким образом, чтобы получить каналы циркуляции текучих сред со ступенчатой фрактальной конфигурацией.

Из документов US-A-2004/0023100 и US-A-2004/0076405 известна также двухполюсная пластина, содержащая каналы подачи/или удаления текучих сред, содержащие основную ветвь и последовательные вспомогательные ответвления, имеющие меньшее сечение по сравнению с указанным основным каналом и выполненные таким образом, чтобы получить каналы с фрактальной конфигурацией.

Каналы или подводы подачи/или удаления текучих сред, описанные в этих документах, не позволяют существенно улучшить распределение реагентов и обеспечить равномерное распределение реагентов на мембране.

В связи с этим задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка при помощи создания пластины для топливного элемента, позволяющей равномерно распределять текучие среды, и повысить, таким образом, надежность работы указанного элемента.

Согласно изобретению пластина для топливного элемента, в частности топливного элемента с ионообменной мембраной, содержит каналы подачи, соединенные с впускным отверстием, выполненным в центре одной из сторон пластины, и каналы удаления, в которых циркулируют соответственно поток реагентной среды с относительно высокой концентрацией и поток реагентной среды с относительно низкой концентрацией.

Каналы подачи и/или удаления выполнены на пластине симметрично, при этом каналы подачи и удаления имеют аналогичные фрактальные конфигурации, выполненные комплементарно относительно друг друга для получения сети взаимосвязанных каналов.

При таком расположении можно получить более равномерное распределение реагентов на двухполюсной пластине.

Действительно, выполнение каналов подачи с фрактальной геометрией симметричной структуры в комбинации с выполнением впускного отверстия в центре одной стороны пластины обеспечивает распределение текучей среды по всей пластине с идентичной циркуляцией и с идентичным расходом потока в различных зонах пластины.

Кроме того, выполнение на одной пластине каналов подачи и удаления, имеющих аналогичные фрактальные конфигурации и выполненных комплементарно для получения сети взаимосвязанных каналов, позволяет не только получить идентичный расход потока для подачи и удаления на пластине, но также каналы удаления, которые окружены каналами подачи, находясь вблизи них, что позволяет получить расположение каналов циркуляции, в которых текучая среда с меньшим содержанием реагента оказывается вблизи каналов циркуляции, в которых текучая среда имеет более высокое содержание реагента.

Предпочтительно каналы подачи и удаления содержат, по меньшей мере, две оси симметрии.

Предпочтительно каналы подачи и удаления содержат главные магистрали, при этом каждая главная магистраль содержит множество последовательных вспомогательных ответвлений, выполненных симметрично по отношению к указанной магистрали.

Симметричная структура вспомогательных ответвлений позволяет обеспечить идентичный расход потока для каждой соответствующей главной магистрали.

В варианте выполнения длина и сечения последовательных вспомогательных ответвлений всякий раз являются идентичными, начиная от точки разветвления, для каждой соответствующей магистрали подачи.

Таким образом, скорость и потеря нагрузки каждый раз являются одинаковыми в разных зонах пластины, независимо от циркулирующего потока, и получают равномерное распределение и/или равномерное удаление реагентов, обеспечивающие оптимальную работу элемента.

Главные магистрали каналов подачи соединены с впускным отверстием и предпочтительно могут быть выполнены в количестве четырех между указанным отверстием и углами пластины.

Предпочтительно главные магистрали каналов удаления выходят на каждую из боковых сторон пластины.

В предпочтительном варианте выполнения соотношения сечений между непосредственно последовательными участками главной магистрали идентичны между собой.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего подробного описания вариантов выполнения, представленных в качестве не ограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 и 2 - пример выполнения каналов циркуляции реагентной среды на пластине для топливного элемента.

Фиг.3 - детальный вид фиг.2.

Фиг.4 - вид второго примера выполнения каналов циркуляции реагентной среды на пластине для топливного элемента.

Далее со ссылками на фиг.1-4 следует описание различных вариантов выполнения каналов циркуляции реагентной среды для пластины топливного элемента.

Пластина топливного элемента содержит определенное количество канавок, которые ограничивают между собой и вместе с ионообменной мембраной множество каналов, в которых циркулирует реагентная среда.

Показанная на фиг.1 пластина 1 в целом имеет квадратную форму. Пластина может быть двухполюсной пластиной или однополюсной пластиной. Она содержит множество каналов циркуляции и удаления, выполненных в виде канавок на одной стороне указанной пластины.

Пластина 1 может быть разделена на четыре идентичные зоны, ограниченные двумя прямыми линиями, перпендикулярными к боковым сторонам. Прямые линии и диагонали пластины образуют оси симметрии с точки зрения планиметрии.

Первый канал 2 подачи выполнен на пластине в квадратной зоне 1а, находящейся вверху справа на фиг.1 и 2. Первый канал 2 подачи содержит главную магистраль С₁, выполненную прямолинейной, начиная от впускного отверстия 2а, выполненного в центре стороны пластины 1, до зоны, соседней с верхней правой вершиной пластины 1. Указанная главная магистраль C₁ содержит множество участков С_1,0-C_5,0, выполненных, таким образом, на половине диагонали пластины 1. Участок C_1,0 соединен с впускным отверстием 2а, участок C_5,0 выполнен до зоны, соседней с верхней правой вершиной. В данном случае участки С_1,0-C_5,0 имеют постоянную глубину и ширину, постепенно уменьшающуюся от участка к участку.

Как показано на фиг.3, на которой более детально показан канал 2 подачи в зоне 1а, первый участок C_1,0 главной магистрали C₁ канала 2 подачи содержит множество прямолинейных последовательных вспомогательных ответвлений. В данном примере участок C_1,0 главной магистрали C₁ делится на шестнадцать вспомогательных ответвлений, обозначенных от С_1,1 до С_16,1, выполненных перпендикулярно по отношению к указанной главной магистрали таким образом, чтобы сохранять постоянное расстояние между двумя непосредственно последовательными вспомогательными ответвлениями.

Вспомогательные ответвления C_1,1-C_8,1 находятся с левой стороны квадратной зоны 1а, если рассматривать участок С_1,0, при этом вспомогательные ответвления С_9,1-C_16,1 являются соответственно симметричными с ответвлениями C_1,1-C_8,1 по отношению к указанному участку С_1,0.

Ответвления С_1,1 и С_9,1 являются симметричными по отношению к ответвлениям С_3,1 и С_11,1, если рассматривать ответвления С_2,1 и С_10,1. Вспомогательные ответвления C_2,1 и С_10,1 имеют длину и сечения, по существу превышающие длину и сечения ответвлений C_1,1 и С_9,1.

Каждое из вспомогательных ответвлений C_2,1 и С_10,1 делится, в свою очередь, на три деривационных последовательных вспомогательных ответвления, обозначенные соответственно С_1,2, С_2,2, С_3,2, С_1,0, С_2,10 и С_3,10. Деривационные ответвления С_1,2, С_3,2, С_1,10 и С_3,10 перпендикулярны к ответвлениям С_2,1 и С_10,1. Ответвления С_2,2 и С_2,10 имеют соответственно такое же направление, что и ответвления С_2,1 и С_10,1. Деривационные ответвления вспомогательного ответвления симметричны по отношению к деривационным ответвлениям другого ответвления, если рассматривать участок C_1,0. Последовательные вспомогательные ответвления С_1,2, С_2,2, С_3,2, С_1,10, С_2,10 и С_3,10 имеют значения длины и сечения, идентичные со значениями длины и сечениями вспомогательных ответвлений С_1,1 и С_9,1.

Расстояние между двумя непосредственно смежными вспомогательными ответвлениями участка С_1,0 по существу равно расстоянию между точкой соединения главной магистрали С_1,0 и вспомогательного ответвления С_2,1 и точкой разветвления главной магистрали С_2,1 с последовательными деривационными вспомогательными ответвлениями С_1,2, С_2,2 и С_3,2.

Вспомогательные ответвления C_5,1 и С_13,1, С_6,1 и С_14,1, С_7,1 и С_15,1 соответственно симметричны по отношению к вспомогательным ответвлениям С_3,1 и С_11,1, С_2,1 и С_10,1, С_1,1 и C_9,1, если рассматривать ответвления С_4,1 и С_12,1. Аналогично ответвлениям С_2,1 и С_10,1 вспомогательные ответвления С_6,1 и С_14,1 делятся на три последовательных деривационных ответвления.

Ответвления и C_4,1 и С_12,1 делятся, каждое на своем конце, опять на три последовательных вспомогательных ответвления, расположенные под углом 45° относительно друг друга и имеющие размеры, идентичные с ответвлением С_2,1. Каждое из указанных последовательных вспомогательных ответвлений опять делится на три ответвления с размерами, идентичными размерам ответвления С_1,2. Кроме того, ответвление С_4,1 содержит два дополнительных последовательных вспомогательных ответвления, полученные поворотом ответвлений С_3,1 и С_11,1, если рассматривать точку соединения участка C_1,0 и ответвления С_4,1. Последовательные вспомогательные ответвления, отходящие от ответвления С_12,1, симметричны с ответвлениями, отходящими от ответвления С_4,1, по отношению к участку C_1,0.

Участок C_1,0 магистрали C₁, вспомогательные ответвления С_1,1-С_7,1 и С_9,1-С_15,1, а также их последовательные вспомогательные ответвления образуют, таким образом, первую подсеть каналов подачи в зоне 1а.

Вспомогательное ответвление C_8,1 выполнено от главной магистрали C_1,0 до зоны, соседней с левой верхней вершиной квадратной зоны 1а. Вспомогательные ответвления С_8,1 и С_16,1 содержат множество последовательных ответвлений, симметричных по отношению к указанному соответствующему вспомогательному ответвлению и по отношению к магистрали C_1,0.

Последовательные вспомогательные ответвления вспомогательного ответвления C_8,1 получают поворотом на 90° по часовой стрелке, - если рассматривать точку соединения M₁ главной магистрали C_1,0 и вспомогательного ответвления C_8,1, - ответвлений C_5,1, С_13,1, C_7,1, C_15,1, а также С_6,1 и С_14,1 и их соответствующих последовательных вспомогательных ответвлений. Таким образом, вспомогательные ответвления, отходящие от ответвления C_16,1, получают поворотом на 90° в тригонометрическом направлении, если рассматривать точку соединения M₁ и вышеуказанные ответвления.

Каждое из ответвлений C_8,1 и C_16,1 на своем конце опять делится на три вспомогательных ответвления, расположенных под углом 45° относительно друг друга, при этом каждое из указанных ответвлений имеет геометрическую структуру и размеры, идентичные с ответвлением C_4,1, и содержит соответствующие последовательные вспомогательные ответвления, расположенные аналогично. Таким образом, ответвления C_8,1 и C_16,1, а также их деривационные последовательные вспомогательные ответвления образуют вторую и третью подсети каналов подачи, идентичные между собой.

Участки С_2,0-С_5,0 главной магистрали C₁ соединены с множеством вспомогательных ответвлений и деривационных вспомогательных ответвлений, образуя четвертую подсеть каналов подачи, которую можно получить из второй подсети поворотом на 90° по часовой стрелке.

Чтобы обеспечить идеальную равномерность распределения текучей среды, дополнительно предусматривают, чтобы сечение участка C_n,0 главной магистрали С₁, где n может быть равно 2, 3, 4 или 5, составляло одну треть от сечения участка C_n-1,0. Таким образом, понятно, что потери нагрузки в потоке текучей среды, начиная от точки соединения M₁, являются строго одинаковыми для каждой из второй, третьей и четвертой подсетей.

Для этого, как было указано выше, предпочтительно предусмотрели также, чтобы расстояние между двумя непосредственно смежными вспомогательными ответвлениями главной магистрали C₁ было по существу равно расстоянию между двумя непосредственно смежными последовательными вспомогательными ответвлениями соответствующего вспомогательного ответвления.

Если вернуться к фиг.1 и 2, то видно, что пластина 1 содержит также второй, третий и четвертый каналы подачи, обозначенные 3-5, выполненные в квадратных зонах 1b-1d указанной пластины, начиная от впускного отверстия 2а до зоны, соседней с противоположной вершиной соответствующей квадратной зоны. Указанные зоны 1b-1d соответственно находятся вверху слева, внизу слева и внизу справа. Каждый из этих каналов подачи тоже содержит главную магистраль и множество вспомогательных ответвлений (позициями не обозначены).

Второй, третий и четвертый каналы 3-5 подачи получают соответственно из первого канала 2 путем поворота в тригонометрическом направлении с центром на впускном отверстии 2а на 90°, 180° и 270°.

Таким образом, каналы 2-5 подачи являются попарно симметричными по отношению к прямым, перпендикулярным к боковым сторонам пластины 1, ограничивающим зоны 1а-1d. Прохождение текучей среды через каналы происходит исключительно равномерно и идентично в этих разных зонах.

Сеть каналов подачи, образованная каналами 2-5, обладает, таким образом, геометрическим свойством внутреннего подобия, при этом любая часть указанной сети имеет внешний вид, по существу идентичный ее общему внешнему виду. Таким образом, сеть имеет фрактальную конфигурацию. Разумеется, свойство инвариантности при изменении масштаба ограничивается технической возможностью сверления для получения вспомогательных ответвлений малого диаметра.

Пластина 1 содержит также главные каналы удаления, в данном случае в количестве четырех, обозначенные позициями 6-9, выполненные соответственно от середины верхнего края и от середины правого бокового края в направлении впускного отверстия 2а и имеющие постепенно уменьшающуюся ширину. Каналы 6-9 удаления имеют геометрическую структуру, аналогичную каналам 3-5 подачи, но имеют размеры, уменьшенные в соотношении

. Каналы 6-9 имеют аналогичную фрактальную конфигурацию, и меняются только значения длины и сечения.

Каналы 7-9 удаления можно получить из первого канала 6 соответственно поворотом в тригонометрическом направлении с центром на впускном отверстии 2а на 90°, 180° и 270°. Последовательные ответвления канала удаления расположены в двух последовательных квадратных зонах пластины 1. Каналы 6-9 удаления являются попарно симметричными по отношению к диагоналям пластины 1.

Пластина 1 содержит также вспомогательные каналы удаления в каждой из квадратных зон 1а-1d, образующие геометрические рисунки, идентичные с каналами 6-9 удаления. В квадратной зоне 1а пластина 1 содержит первую совокупность каналов удаления (не обозначены), выполненных от верхнего края указанной зоны. Эти вспомогательные каналы можно получить из вспомогательных ответвлений магистрали 7 удаления, расположенных в квадратной зоне 1а, поворотом на 90° в тригонометрическим направлении с центром в точке соединения M₁.

В зоне 1а пластина 1 содержит также вторую совокупность вспомогательных каналов удаления, выполненных от правого края этой зоны. Эти каналы получают из каналов удаления первой совокупности путем поворота на 90° в часовой стрелке, если рассматривать точку соединения M₁.

Аналогично, квадратные зоны 1b-1d тоже содержат первую и вторую совокупности вспомогательных каналов удаления. В зоне 1с вспомогательные каналы удаления получены симметрично вспомогательным каналам зоны 1а, если рассматривать диагональ пластины, проходящую через нижнюю правую вершину и через верхнюю левую вершину. В зонах 1b и 1d вспомогательные каналы удаления соответственно получены симметрично каналам зон 1а и 1с, если рассматривать вертикальную прямую, перпендикулярную к верхнему и нижнему краям зон 1а и 1d, ограничивающим зоны 1b и 1с.

Таким образом, расположение главных каналов 6-9 удаления и вспомогательных каналов удаления по отношению к расположению каналов 2-5 подачи в сочетании с фрактальной геометрической конфигурацией позволяет, таким образом, получить равномерное распределение и удаление текучей среды на всей пластине 1 при идентичных потерях нагрузки. Таким образом, средний путь элемента реагентного газа от его входа на пластину и до его выхода из пластины является по существу одинаковым, в частности, что касается длины и потерь нагрузки, независимо от его прокладки, для обеспечения равномерного распределения на поверхности.

Кроме того, расположение каналов удаления, в которых проходит текучая среда с относительно более низким содержанием реагента после прохождения через канал диффузии газов элемента, вблизи каналов подачи, в которых текучая среда имеет относительно более высокое содержание реагента, тоже способствует оптимальной работе элемента.

Вариант выполнения, показанный на фиг.4, отличается тем, что каналы 2-5 подачи, главные каналы 6-9 удаления и вспомогательные каналы удаления имеют постоянную ширину и переменную глубину, сохраняя, тем не менее, соотношения сечений, идентичные соотношениям, указанным для предыдущего варианта выполнения, чтобы получить равномерное распределение и удаление на пластине.

Claims (8)

1. Пластина для топливного элемента с ионообменной мембраной, характеризующаяся тем, что содержит каналы (2-5) подачи, соединенные с впускным отверстием (2а), выполненным в центре одной из сторон пластины, и каналы (6-9) удаления, в которых циркулируют соответственно поток реагентной текучей среды с относительно высокой концентрацией и поток реагентной текучей среды с относительно низкой концентрацией, при этом каналы подачи и/или удаления выполнены на пластине симметрично, причем каналы подачи и удаления имеют аналогичные фрактальные конфигурации, выполненные комплементарно относительно друг друга для получения сети взаимосвязанных каналов.

2. Пластина по п.1, в которой каналы подачи и удаления имеют, по меньшей мере, две оси симметрии.

3. Пластина по п.1, в которой каналы подачи и удаления включают в себя главные магистрали, при этом каждая главная магистраль содержит множество последовательных вспомогательных ответвлений, выполненных симметрично по отношению к указанной магистрали.

4. Пластина по п.3, в которой длина и сечения последовательных вспомогательных ответвлений всякий раз являются идентичными, начиная от точки разветвления, для каждой соответствующей магистрали подачи.

5. Пластина по п.3, в которой главные магистрали каналов подачи соединены с впускным отверстием (2а).

6. Пластина по п.3, которая содержит четыре главные магистрали, выполненные между впускным отверстием (2а) и углами пластины.

7. Пластина по п.3, в которой главные магистрали каналов удаления выходят на каждую из боковых сторон пластины.

8. Пластина по п.3, в которой соотношения сечений между соседними последовательными участками (C_1,0-C_5,0) главной магистрали (C₁) идентичны между собой.

Images