RU2496186C1 - Fuel element and battery of fuel elements - Google Patents

Fuel element and battery of fuel elements Download PDF

Info

Publication number
RU2496186C1
RU2496186C1 RU2012115647/07A RU2012115647A RU2496186C1 RU 2496186 C1 RU2496186 C1 RU 2496186C1 RU 2012115647/07 A RU2012115647/07 A RU 2012115647/07A RU 2012115647 A RU2012115647 A RU 2012115647A RU 2496186 C1 RU2496186 C1 RU 2496186C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
membrane
elastic
gas
plate
Prior art date
Application number
RU2012115647/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Алексеевич Нечитайлов
Надежда Викторовна Глебова
Дарья Владимировна Кошкина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2012115647/07A priority Critical patent/RU2496186C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2496186C1 publication Critical patent/RU2496186C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: fuel element (1) includes membrane-electrode assembly (2), to which anode adjacent is elastic plated dielectric gasket from inert material (12), also the first and the second gasket seals (5), (8). In the central part of elastic plated dielectric gasket (12) there made is a hole for passing of anode gas (hydrogen) to membrane-electrode assembly (2). To elastic plated dielectric gasket (12) adjacent is a plate (14) with gas-distributing channels (15) and branch tubes 16, 17 for input and output of anode gas. Battery of fuel elements includes at least two membrane-electrode assemblies (2).
EFFECT: increasing efficiency of energy conversion due to reduction of losses per electric resistance, increasing stability of electrical resistance in time.
6 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к устройствам непосредственного преобразования химической энергии водородосодержащего топлива в электрическую энергию.The invention relates to the field of electrochemical energy, and in particular to devices for the direct conversion of chemical energy of hydrogen-containing fuel into electrical energy.

Одной из сильных сторон электрохимических преобразователей энергии, к которым относятся и топливные элементы (ТЭ), является их высокая энергоэффективность. За счет прямого преобразования энергии они имеют высокий КПД, который теоретически может достигать 100%, однако эффективность преобразования энергии в ТЭ зависит от многих факторов, и в том числе в значительной мере зависит от оптимального выполнения конструкции изделия. Весьма существенным фактором, определяющим общий КПД устройства, являются тепловые потери при токосъеме с электродов. Уменьшение потерь энергии, связанных с конструкцией ТЭ, в настоящее время является актуальной задачей.One of the strengths of electrochemical energy converters, which include fuel cells (FCs), is their high energy efficiency. Due to direct energy conversion, they have a high efficiency, which theoretically can reach 100%, however, the efficiency of energy conversion in fuel cells depends on many factors, and to a large extent depends on the optimal design of the product. A very significant factor determining the overall efficiency of the device is the heat loss during current collection from the electrodes. Reducing the energy losses associated with the design of fuel cells is currently an urgent task.

Известен топливный элемент (см. заявка EP 2417663, МПК H01M 8/02, H01M 8/24, опубликована 15.02.2012), включающий мебрано-электродный блок, содержащий протонпроводящую мембрану, к которой примыкают соответственно анодный газодиффузионный слой и катодный газодиффузионный слой. К анодному газодиффузионному слою и катодному газодиффузионному слою примыкают соответственно анодная и катодная сепаратные пластины. По периферии мембрано-электродного блока расположена упругая герметизирующая прокладка.A fuel cell is known (see application EP 2417663, IPC H01M 8/02, H01M 8/24, published 02/15/2012), including a furniture-electrode block containing a proton-conducting membrane, to which are adjacent an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer. Anode and cathode separate plates are adjacent to the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer, respectively. An elastic sealing gasket is located on the periphery of the membrane-electrode block.

Такая конструкция известного ТЭ позволяет стабилизировать его работу, что ограничивает область применения известного ТЭ. Кроме того, такая конструкция не обеспечивает стабильное низкое электрическое сопротивление во время работы ТЭ.This design of the known TE makes it possible to stabilize its operation, which limits the scope of the known TE. In addition, this design does not provide a stable low electrical resistance during operation of the fuel cell.

Известна батарея топливных элементов (см. патент RU 2387053, МПК H01M 8/10, H01M 8/24, опубликован 209.04.2010), включающая два ТЭ, каждый из которых включает анодный электрод с анодным газодиффузионным слоем, катодный электрод с катодным газодиффузионным слоем и протонпроводящую мембрану, расположенную между катодным и анодным диффузионными слоями. ТЭ обращены друг к другу анодными электродами, между которыми по всему периметру проложена диэлектрическая прокладка, образующая камеру для топлива.A known fuel cell battery (see patent RU 2387053, IPC H01M 8/10, H01M 8/24, published on April 20, 2010) includes two FCs, each of which includes an anode electrode with an anode gas diffusion layer, a cathode electrode with a cathode gas diffusion layer, and proton conducting membrane located between the cathode and anode diffusion layers. FCs face each other with anode electrodes, between which a dielectric gasket is laid around the entire perimeter, forming a chamber for fuel.

Известная батарея топливных элементов имеет уменьшенную толщину и увеличенную удельную мощность за счет миниатюризации конструкции и взаимного расположения ее частей. Однако стабильность токосъема в процессе работы устройства не обеспечивается.The known fuel cell battery has a reduced thickness and increased specific power due to miniaturization of the structure and the relative position of its parts. However, the stability of the current collection during operation of the device is not provided.

Известен топливный элемент (см. патент RU 2328060, МПК H01M 8/00, опубликован 27.06.2008), включающий анодный электрод, катодный электрод, расположенная между электродами протонпроводящая мембрана, анодный и катодный газодиффузионные слои, токовые коллекторы, по меньшей мере, из 2-х металлических сеток. Протонпроводящая мембрана с электродами, анодный и катодный газодиффузионные слои посредством полимерной рамки объединены в единую интегральную мембранно-электродную сборку.A fuel cell is known (see patent RU 2328060, IPC H01M 8/00, published June 27, 2008), including an anode electrode, a cathode electrode, a proton conducting membrane located between the electrodes, an anode and cathode gas diffusion layers, current collectors of at least 2 metal grids. The proton-conducting membrane with electrodes, the anodic and cathodic gas diffusion layers are combined into a single integral membrane-electrode assembly by means of a polymer frame.

Известный ТЭ сложен в изготовлении и не предотвращает деградацию электрических контактов в процессе эксплуатации.Known FC is difficult to manufacture and does not prevent the degradation of electrical contacts during operation.

Известна батарея топливных элементов (см. RU 2328060, МПК H01M 8/00, опубликован 27.06.2008), состоящая, по меньшей мере, из 2-х топливных элементов, каждый из которых включает анодный электрод, катодный электрод, расположенную между электродами протонпроводящую мембрану водородный и кислородный (воздушный) газодиффузионные коллекторы, токовые коллекторы из металлических сеток и, биполярную охлаждающую пластину, для разделения смежных топливных элементов, выполненную в виде тонкого пластинчатого теплообменника с рамкой и металлической сеткой внутри рамки, отличающаяся тем, что топливные элементы выполнены по любому из пп.1-7, рамка биполярной охлаждающей пластины снабжена каналами и отверстиями для подвода и распределения реагентов (водорода, кислорода, воздуха) по водородной и кислородной камерам ТЭ и удаления продуктов реакции, а боковые стенки, примыкающие к водородной и кислородной камерам топливных элементов, снабжены отверстиями для сообщения коллекторных систем батареи по водороду и кислороду (воздуху) с соответствующей газовой камерой ТЭ.A known fuel cell battery (see RU 2328060, IPC H01M 8/00, published June 27, 2008), consisting of at least 2 fuel cells, each of which includes an anode electrode, a cathode electrode located between the electrodes of the proton-conducting membrane hydrogen and oxygen (air) gas diffusion collectors, current collectors made of metal grids and a bipolar cooling plate for separating adjacent fuel elements made in the form of a thin plate heat exchanger with a frame and a metal mesh inside Amki, characterized in that the fuel cells are made according to any one of claims 1 to 7, the frame of the bipolar cooling plate is equipped with channels and holes for supplying and distributing reagents (hydrogen, oxygen, air) through the hydrogen and oxygen chambers of the fuel cell and removing reaction products, and the side walls adjacent to the hydrogen and oxygen chambers of the fuel cells are provided with openings for communicating the collector systems of the battery through hydrogen and oxygen (air) with the corresponding gas chamber of the fuel cell.

Известная батарея ТЭ сложна в изготовлении и не предотвращает деградацию электрических контактов в процессе эксплуатации.The known TE battery is difficult to manufacture and does not prevent the degradation of electrical contacts during operation.

Известен топливный элемент (см. заявка US 20120034542, МПК H01M 8/00, опубликована 09.02.2012), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. ТЭ включает мембранно-электродную сборку, содержащую протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем. К анодному газодиффузионному слою и катодному газодиффузионному слою примыкают соответственно анодная и катодная торцовые пластины. По периферии мембрано-электродной расположена рамка, одна относительно упругая прокладка и другая менее упругая прокладка.A known fuel cell (see application US 20120034542, IPC H01M 8/00, published 09.02.2012), coinciding with this technical solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype. The FC includes a membrane-electrode assembly containing a proton-conducting membrane located between the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer. To the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are adjacent anode and cathode end plates, respectively. A frame is located along the periphery of the membrane-electrode, one relatively elastic gasket and another less elastic gasket.

Такая конструкция известного ТЭ позволяет стабилизировать его работу в основном при невысоких давлениях, что ограничивает область применения известного ТЭ. Кроме того, такая конструкция не обеспечивает стабильное низкое электрическое сопротивление во время работы ТЭ, так как сжатие элементов ТЭ происходит лишь по его периферии.This design of the known TE makes it possible to stabilize its operation mainly at low pressures, which limits the scope of the known TE. In addition, this design does not provide a stable low electrical resistance during operation of the fuel cell, since the compression of the elements of the fuel cell occurs only along its periphery.

Известна батарея топливных элементов (см. патент RU 70051, МПК H01M 8/00, H01M 16/00, опубликован 10.01.2008), совпадающая с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Батарея-прототип содержит, по крайней мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами и ограничивающие общую топливную камеру, торцевые пластины, каналы для подвода анодного и катодного газов, токовые выводы и средства для герметизации и соединения указанных элементов. Батарея также содержит газораспределительную сборку, которая включает диэлектрическую пластину с газораспределительными каналами и укрепленными на ее противоположных сторонах анодными металлическими пластинами, снабженными окнами для подвода анодного газа к мембранно-электродным сборкам. Мембранно-электродные сборки герметично скреплены с газораспределительной сборкой посредством торцевых пластин, снабженных по периферии и в центре отверстиями, в которые пропущены винты для стяжки батареи, и окнами для подвода катодного газа к катодам мембранно-электродных сборок.A known fuel cell battery (see patent RU 70051, IPC H01M 8/00, H01M 16/00, published January 10, 2008), which coincides with this technical solution for the largest number of essential features and adopted as a prototype. The prototype battery contains at least two membrane-electrode assemblies directed to each other by anodes and limiting the common fuel chamber, end plates, channels for supplying anode and cathode gases, current leads and means for sealing and connecting these elements. The battery also contains a gas distribution assembly, which includes a dielectric plate with gas distribution channels and anode metal plates fixed on its opposite sides, provided with windows for supplying anode gas to the membrane-electrode assemblies. Membrane-electrode assemblies are hermetically sealed to the gas distribution assembly by means of end plates provided with peripheral and central holes with holes for screws to tighten the battery and windows for supplying cathode gas to the cathodes of the membrane-electrode assemblies.

Стяжка конструкции батареи производится большим количеством винтов, в том числе и по центру конструкции. Центральный винт требует наличия соответствующего отверстия в конструкции и мембранно-электродном блоке, что ухудшает газоизолирующие свойства и может привести к сообщению анодного и катодного пространств, что, в свою очередь, приводит к ухудшению электрических характеристик источника питания. Кроме того, такое решение увеличивает сложность изготовления конструкции и добавляет лишний вес. Наличие центрального винта способствует сохранению электрического контакта в основном по центру батареи, что не так эффективно в случае усадки конструктивных составляющих батареи.The coupler of the battery structure is produced by a large number of screws, including the center of the structure. The central screw requires an appropriate hole in the structure and the membrane-electrode block, which degrades the gas-insulating properties and can lead to communication of the anode and cathode spaces, which, in turn, leads to a deterioration in the electrical characteristics of the power source. In addition, this solution increases the complexity of manufacturing the design and adds extra weight. The presence of a central screw helps to maintain electrical contact mainly in the center of the battery, which is not so effective in case of shrinkage of the structural components of the battery.

Задачей настоящего технического решения является создание конструкции топливного элемента и батареи топливных элементов, обладающих повышенной эффективностью преобразования энергии, за счет уменьшения потерь на электросопротивление токосъемных контактов, и увеличенной стабильностью этого сопротивления во времени при сохранении массогабаритных параметров, трудозатрат на его изготовление и стоимостных характеристик.The objective of this technical solution is to create a design of a fuel cell and a fuel cell battery with increased energy conversion efficiency by reducing losses on the electrical resistance of current-collecting contacts, and increased stability of this resistance over time while maintaining weight and size parameters, labor costs for its manufacture and cost characteristics.

Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.The problem is solved by a group of inventions, united by a single inventive concept.

В части топливного элемента задача решается тем, что топливный элемент включает мембранно-электродную сборку, пластину с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа, расположенную со стороны анода мембранно-электродной сборки, средства для стяжки топливного элемента, средства для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродной сборки и токовые выводы. Мембранно-электродная сборка содержит протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем, к которым примыкают соответственно анод и катод, выполненный в виде электропроводящей пластины с окнами для подвода катодного газа. Новым является размещение между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом упругой пластинчатой диэлектрической прокладки из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.In terms of the fuel cell, the problem is solved in that the fuel cell includes a membrane-electrode assembly, a plate with gas distribution channels for supplying and removing anode gas located on the anode side of the membrane-electrode assembly, means for tightening the fuel cell, means for sealing in the form of elastic gaskets in the peripheral part of the membrane-electrode assembly and current leads. The membrane-electrode assembly contains a proton-conducting membrane located between the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer, to which the anode and cathode are adjacent, made in the form of an electrically conductive plate with windows for supplying the cathode gas. A new one is the placement between a plate with gas distribution channels for supplying and discharging anode gas and the anode of an elastic plate dielectric strip made of a chemically inert material with a central hole for the passage of the anode gas, the elastic modulus of which is greater than the elastic modulus of the anode and cathode gas diffusion layers.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка с центральным отверстием для прохода анодного газа, которая имеет модуль упругости больше модуля упругости газодиффузионных слоев, компенсирует их продавливание, за счет постоянного поджатия, тем самым поддерживает постоянной площадь поверхности электрических контактов между анодом и анодным газодиффузионным слоем, а также между катодом и катодным газодиффузионным слоем, а, следовательно, и сопротивление между ними.An elastic plate-like dielectric gasket with a central hole for the passage of the anode gas, which has an elastic modulus greater than the elastic modulus of the gas diffusion layers, compensates for their bursting by constant compression, thereby maintaining a constant surface area of the electrical contacts between the anode and the anode gas diffusion layer, and also between the cathode and the cathode gas diffusion layer, and, consequently, the resistance between them.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины.The elastic plate-like dielectric gasket may be made of silicone or other resilient plate-like dielectric chemically inert material, for example rubber.

Топливный элемент может быть выполнен квадратной, прямоугольной, круглой или любой другой формы, а средства для стяжки топливного элемента могут быть выполнены в виде защелок, заклепок, скобок, винтов или болтов с гайками, пропущенными через отверстия в периферийных частях топливного элемента. Стяжка конструкции может производиться посредством клеевого соединения по периметру предварительно сжатой конструкции.The fuel element may be square, rectangular, round or any other shape, and means for tightening the fuel element may be in the form of latches, rivets, brackets, screws or bolts with nuts passing through holes in the peripheral parts of the fuel element. Screed construction can be done by gluing along the perimeter of the pre-compressed structure.

В части батареи топливных элементов задача решается тем, что батарея топливных элементов включает, по меньшей мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами, между которыми размещена пластина с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа. С внешней стороны каждой мембранно-электродной сборки катоды выполнены в виде пластины с окнами для подвода катодного газа, снабженные средствами для стяжки батареи. Батарея топливных элементов снабжена также средствами для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродных сборок и токовыми выводами. Новым является размещение между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом каждой мембранно-электродной сборки упругой пластинчатой диэлектрической прокладки из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.In terms of the fuel cell battery, the problem is solved in that the fuel cell battery includes at least two membrane-electrode assemblies directed to each other by anodes, between which there is a plate with gas distribution channels for supplying and discharging anode gas. On the outside of each membrane-electrode assembly, the cathodes are made in the form of a plate with windows for supplying cathode gas, equipped with means for tightening the battery. The battery of fuel cells is also equipped with means for sealing in the form of elastic gaskets in the peripheral part of the membrane-electrode assemblies and current leads. A new one is the placement between the plate with gas distribution channels for supplying and discharging the anode gas and the anode of each membrane-electrode assembly of an elastic plate-like dielectric strip made of a chemically inert material with a central hole for the passage of the anode gas, the elastic modulus of which is greater than the elastic modulus of the anode and cathode gas diffusion layers.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины.The elastic plate-like dielectric gasket may be made of silicone or other resilient plate-like dielectric chemically inert material, for example rubber.

Батарея топливных элементов может быть выполнена квадратной, прямоугольной, круглой или любой другой формы, а средства для стяжки топливного элемента могут быть выполнены в виде защелок, заклепок, скобок, винтов или болтов с гайками, пропущенными через отверстия в периферийных частях топливного элемента. Стяжка конструкции может производиться посредством клеевого соединения по периметру предварительно сжатой конструкции.The fuel cell battery may be square, rectangular, round or any other shape, and the means for tightening the fuel cell may be in the form of latches, rivets, brackets, screws or bolts with nuts passing through holes in the peripheral parts of the fuel cell. Screed construction can be done by gluing along the perimeter of the pre-compressed structure.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка на протяжении работы или хранения батареи топливных элементов за счет своих упругих свойств постоянно поджимает сборку, чем обеспечивает хороший электрический контакт.The elastic plate-like dielectric gasket constantly runs over the assembly due to its elastic properties during operation or storage of the fuel cell battery, which ensures good electrical contact.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:The present invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 изображен вид сбоку на топливный элемент по настоящему изобретению;figure 1 shows a side view of the fuel cell of the present invention;

на фиг.2 показан поперечный разрез по А-А топливного элемента, изображенного на фиг.1;figure 2 shows a cross section along aa of the fuel cell depicted in figure 1;

на фиг.3 изображен вид спереди на упругую пластинчатую диэлектрическую прокладку;figure 3 shows a front view of an elastic plate dielectric gasket;

на фиг.4 показан вид сбоку на упругую пластинчатую диэлектрическую прокладку, изображенную на фиг.3;figure 4 shows a side view of the elastic plate dielectric gasket shown in figure 3;

на фиг.5 показана в аксонометрии мембранно-электродная сборка, разделенная для наглядности на отдельные элементы;figure 5 shows a perspective view of a membrane-electrode assembly, divided for clarity into separate elements;

на фиг.6 изображен вид сбоку на батарею топливных элементов по настоящему изобретению;6 is a side view of a fuel cell battery of the present invention;

на фиг.7 показан поперечный разрез по Б-Б батареи топливных элементов, изображенной на фиг.5;in Fig.7 shows a cross section along BB of the battery of fuel cells shown in Fig.5;

на фиг.8 изображен в увеличенном масштабе узел I из фиг.6;on Fig depicted on an enlarged scale the node I of Fig.6;

на фиг.9 приведена зависимость электрического сопротивления от времени батареи топливных элементов (●- батарея топливных элементов по настоящему изобретению; ■ - батарея топливных элементов без упругих пластинчатых прокладок.figure 9 shows the dependence of electrical resistance on time of the battery of fuel cells (● - battery of fuel cells of the present invention; ■ - battery of fuel cells without elastic plate gaskets.

Топливный элемент 1 по настоящему изобретению (см. фиг.1-фиг.4) содержит мембранно-электродную сборку 2, состоящую из: анода 3 (см. фиг.5), например, из алюминиевой фольги, с токовым выводом 4 в виде продолжения пластины анода 3; первой упругой диэлектрической прокладки 5 в виде рамки, из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины; анодного газодиффузионного слоя 6, например, из углеродной пористой бумаги или ткани, размещенного в проеме первой упругой диэлектрической прокладки 5; протонпроводящей мембраны 7 с анодным и катодным каталитическими слоями, например на основе мембраны типа Nation или МФ4-СК и катализатора на основе платины или других металлов, размещенной между первой упругой диэлектрической прокладкой 5 и второй упругой диэлектрической прокладкой 8 в виде рамки, из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины; катодного газодиффузионного слоя 9, например, из углеродной пористой бумаги или ткани, размещенного в проеме второй упругой диэлектрической прокладки 8; катода в виде пластины 10 с окнами И для подвода катодного газа (воздуха). К аноду 3 в топливном элементе 1 примыкает упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка 12. Упругая пластинчатая прокладка 12 может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины. В центральной области прокладки 12 выполнено отверстие 13 для прохода анодного газа (водорода) к мембранно-электродной сборке 2. К упругой пластинчатой прокладке 12 примыкает пластина 14 с газораспределительными каналами 15 и патрубками 16, 17 для подвода и отвода анодного газа. Средства для стяжки топливного элемента 1 выполнены, например, в виде пропущенных через отверстия 18 в периферийных участках перечисленных выше компонентов топливного элемента 1 винтов 19 с гайками 20. Могут быть использованы и другие виды средств для стяжки топливного элемента 1, такие как, например, винты, скобки, защелки или клеевое соединение.The fuel cell 1 of the present invention (see figure 1-figure 4) contains a membrane-electrode assembly 2, consisting of: anode 3 (see figure 5), for example, of aluminum foil, with a current output 4 in the form of a continuation plate anode 3; the first elastic dielectric strip 5 in the form of a frame made of silicone or another elastic plate-like dielectric chemically inert material, for example rubber; the anode gas diffusion layer 6, for example, of carbon porous paper or fabric, placed in the opening of the first elastic dielectric strip 5; proton-conducting membrane 7 with anodic and cathodic catalytic layers, for example, based on a Nation or MF4-SK type membrane and a catalyst based on platinum or other metals, placed between the first elastic dielectric strip 5 and the second elastic dielectric strip 8 in the form of a frame, made of silicone or other an elastic plate-like dielectric chemically inert material, for example rubber; a cathode gas diffusion layer 9, for example, of carbon porous paper or fabric, placed in the opening of the second elastic dielectric strip 8; the cathode in the form of a plate 10 with AND windows for supplying cathode gas (air). An elastic plate dielectric gasket 12 is adjacent to the anode 3 in the fuel cell 1. The elastic plate gasket 12 may be made of silicone or another elastic plate dielectric chemically inert material, for example rubber. In the central region of the gasket 12, a hole 13 is made for the passage of the anode gas (hydrogen) to the membrane-electrode assembly 2. A plate 14 with gas distribution channels 15 and nozzles 16, 17 for supplying and discharging the anode gas is adjacent to the elastic plate gasket 12. Means for tightening the fuel element 1 are made, for example, in the form of screws 19 with nuts 20 passed through the holes 18 in the peripheral sections of the above components of the fuel element 1, and other types of means for tightening the fuel element 1 can be used, such as, for example, screws , brackets, latches or adhesive bonding.

Батарея 21 топливных элементов (см. фиг.6-фиг.8) включает, по меньшей мере, две мембранно-электродные сборки 2 с катодами в виде пластин 10 с окнами 11 для подвода катодного газа, идентичные описанной выше, направленные друг к другу анодами 3, между которыми размещена пластина 22 с газораспределительными каналами 23, 24 и патрубками 16, 17 для подвода и отвода анодного газа, средства (например, винты 19 с гайки 20) для стяжки батареи 21. К анодам 3 мембранно-электродных сборок 2 примыкают упругие пластинчатые диэлектрические прокладки 12 (см. фиг.3-фиг.4). Упругая пластинчатая прокладка 12 может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины. В центральной области прокладок 12 выполнены отверстия 13 для прохода анодного газа (водорода) к соответствующей мембранно-электродной сборке 2, а также отверстия 18 в периферийных участках прокладок 12 для средств стяжки батареи 21.The battery 21 of the fuel cells (see Fig.6-Fig.8) includes at least two membrane-electrode assemblies 2 with cathodes in the form of plates 10 with windows 11 for supplying cathode gas, identical to those described above, directed to each other by anodes 3, between which there is a plate 22 with gas distribution channels 23, 24 and nozzles 16, 17 for supplying and discharging the anode gas, means (for example, screws 19 from the nut 20) for tightening the battery 21. Elastic adjacent to the anodes 3 of the membrane-electrode assemblies 2 plate dielectric pads 12 (see figure 3-figure 4). The elastic plate gasket 12 may be made of silicone or other resilient plate dielectric chemically inert material, for example rubber. In the central region of the gaskets 12, holes 13 are made for the passage of the anode gas (hydrogen) to the corresponding membrane-electrode assembly 2, as well as holes 18 in the peripheral sections of the gaskets 12 for means of coupler of the battery 21.

Топливный элемент 1 работает следующим образом.The fuel cell 1 operates as follows.

Водород подается через патрубок 16 на анодное пространство топливного элемента 1, через газораспределительный канал 15 пластины 14, (патрубок 17 служит для кратковременной продувки анодного пространства и в рабочем режиме закрыт). По пористому анодному газодиффузионному слою 5 водород равномерно распределяется и поступает к протонпроводящей мембране 7 со стороны анодного каталитического слоя. На анодном каталитическом слое происходит анодная реакция. В результате чего образуются протоны и электроны. Протоны через протонпроводящую мембрану 7 поступают на катодный каталитический слой. Электроны с анодного каталитического слоя проходят через пористый катодный газодиффузионный слой 9 и с него поступают на анод 3, например, из алюминиевой фольги. С анода 3 электроны поступают через нагрузку на катод 10 в виде пластины с окнами 11 для подвода катодного газа (кислорода).Hydrogen is supplied through the nozzle 16 to the anode space of the fuel element 1, through the gas distribution channel 15 of the plate 14, (the nozzle 17 is used for short-term purging of the anode space and is closed in the operating mode). In the porous anode gas diffusion layer 5, hydrogen is evenly distributed and enters the proton-conducting membrane 7 from the side of the anode catalytic layer. An anodic reaction occurs on the anode catalytic layer. As a result, protons and electrons are formed. Protons through the proton conducting membrane 7 enter the cathode catalytic layer. Electrons from the anode catalytic layer pass through the porous cathode gas diffusion layer 9 and from it enter the anode 3, for example, from aluminum foil. From the anode 3, electrons pass through the load to the cathode 10 in the form of a plate with windows 11 for supplying cathode gas (oxygen).

Кислород подается на катодное пространство топливного элемента 1 из воздуха, через окна 11 для подвода катодного газа (кислорода) в катодной пластине 10. По пористому катодному газодиффузионному слою 9 кислород равномерно распределяется и поступает к протонпроводящей мембране 7 со стороны катодного каталитического слоя. На катодном каталитическом слое происходит катодная реакция. В результате чего образуется вода из кислорода, протонов водорода, прошедших через мембрану 7 с анодной стороны, и электронов прошедших через нагрузку.Oxygen is supplied to the cathode space of the fuel cell 1 from the air, through the windows 11 for supplying the cathode gas (oxygen) in the cathode plate 10. Oxygen is uniformly distributed through the porous cathode gas diffusion layer 9 and enters the proton conducting membrane 7 from the side of the cathode catalytic layer. A cathodic reaction occurs on the cathode catalyst layer. As a result, water is formed from oxygen, hydrogen protons passing through the membrane 7 from the anode side, and electrons passing through the load.

Роль прокладки заключается в постоянном прижимающем воздействии на топливный элемент 1, в результате чего обеспечивается хороший электрический контакт между анодом 3, пористым анодным газодиффузионным слоем 5 и протонпроводящей мембраной 7 со стороны анодного каталитического слоя, а также между катодом 10, пористым катодным газодиффузионным слоем 9 и протонпроводящей мембраной 7 со стороны катодного каталитического слоя.The role of the gasket is to constantly pressurize the fuel element 1, which ensures good electrical contact between the anode 3, the porous anode gas diffusion layer 5 and the proton-conducting membrane 7 from the side of the anode catalytic layer, and also between the cathode 10, the porous cathode gas diffusion layer 9 and proton conductive membrane 7 from the side of the cathode catalytic layer.

Батарея 21 топливных элементов работает аналогичным образом.A fuel cell battery 21 operates in a similar manner.

Был изготовлен образец батареи из двух топливных элементов квадратной формы размером 50×50×14 мм. В одном случае образец батареи из двух топливных элементов не содержал в своей конструкции упругую пластинчатую прокладку, а в другом случае содержал. Результаты испытания образца батареи топливных элементов по настоящему изобретению и образца батареи топливных элементов без упругих пластинчатых прокладок показаны на фиг.9, где приведена зависимость электрического сопротивления батареи топливных элементов от времени его работы. Как видно фиг.9, электрическое сопротивление батареи топливных элементов по настоящему изобретению с упругой пластинчатой прокладкой и без прокладки в начальный момент времени одинаково, но с течением времени электрическое сопротивление батареи топливных элементов с упругой пластинчатой прокладкой не увеличивается в отличие от батареи топливных элементов без упругой пластинчатой прокладки. Так, например, в батарее топливных элементов без упругой пластинчатой прокладки через 20 минут сопротивление увеличилось до 5,0 Ом, а в батареи топливных элементов с упругой пластинчатой прокладкой сопротивление осталось на уровне 0,5 Ом.A sample of the battery was made of two square-shaped fuel cells of size 50 × 50 × 14 mm. In one case, a sample of a battery of two fuel cells did not contain an elastic plate gasket in its design, but in another case it contained. The test results of the fuel cell battery sample of the present invention and the fuel cell battery sample without elastic plate spacers are shown in FIG. 9, which shows the dependence of the electrical resistance of the fuel cell battery on its operating time. As can be seen in Fig.9, the electrical resistance of the fuel cell battery of the present invention with an elastic plate gasket and without gasket at the initial time is the same, but over time, the electrical resistance of the fuel cell battery with an elastic plate gasket does not increase, unlike a fuel cell battery without an elastic plate gaskets. So, for example, in a fuel cell battery without an elastic plate gasket, after 20 minutes, the resistance increased to 5.0 Ohms, and in a fuel cell battery with an elastic plate gasket, the resistance remained at 0.5 Ohm.

Таким образом, упругая пластинчатая прокладка по настоящему изобретению позволяет поддерживать постоянной площадь поверхности электрических контактов, а, следовательно, и сопротивление между анодным и катодным газодиффузионными слоями и соответственно анодом и катодом.Thus, the elastic plate gasket of the present invention allows to maintain a constant surface area of the electrical contacts, and, consequently, the resistance between the anode and cathode gas diffusion layers and, respectively, the anode and cathode.

Claims (6)

1. Топливный элемент, включающий мембранно-электродную сборку, содержащую протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем, к которым примыкают соответственно анод и катод, выполненный в виде электропроводящей пластины с окнами для подвода катодного газа, пластину с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа, расположенную со стороны анода мембранно-электродной сборки, средства для стяжки топливного элемента, средства для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродной сборки и токовые выводы, отличающийся тем, что между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом установлена упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.1. A fuel cell comprising a membrane-electrode assembly containing a proton-conducting membrane located between the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer, to which the anode and cathode are adjacent, made in the form of an electrically conductive plate with windows for supplying the cathode gas, a plate with gas distribution channels for supply and removal of anode gas, located on the anode side of the membrane-electrode assembly, means for tightening the fuel element, means for sealing in the form of elastic their gaskets in the peripheral part of the membrane-electrode assembly and current leads, characterized in that between the plate with gas distribution channels for supplying and discharging the anode gas and the anode there is an elastic plate dielectric gasket of chemically inert material with a central hole for the passage of the anode gas, the elastic modulus of which more elastic modulus of the anodic and cathodic gas diffusion layers. 2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка выполнена из силикона.2. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the elastic plate dielectric gasket is made of silicone. 3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка выполнена из резины.3. The fuel cell according to claim 1, characterized in that the elastic plate dielectric gasket is made of rubber. 4. Батарея топливных элементов, включающая, по меньшей мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами, с катодами в виде пластин с окнами для подвода катодного газа, между мембранно-электродными сборками размещена пластина с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа, средства для стяжки батареи, средства для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродных сборок и токовые выводы, отличающаяся тем, что между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом каждой мембранно-электродной сборки установлена упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.4. A battery of fuel cells, including at least two membrane-electrode assemblies directed to each other by anodes, with cathodes in the form of plates with windows for supplying cathode gas, a plate with gas distribution channels for supply and removal is placed between the membrane-electrode assemblies anode gas, means for tightening the battery, means for sealing in the form of elastic gaskets in the peripheral part of the membrane-electrode assemblies and current outputs, characterized in that between the plate with gas distribution channels I supply and discharge of anode gas and the anode of each membrane-electrode assembly mounted elastic dielectric plate gasket made of chemically inert material with a central hole for the passage of the anode gas, wherein the elastic modulus greater than the elastic modulus of the anode and cathode gas diffusion layers. 5. Батарея по п.4, отличающаяся тем, что упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка выполнена из силикона.5. The battery according to claim 4, characterized in that the elastic plate dielectric gasket is made of silicone. 6. Батарея по п.4, отличающаяся тем, что упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка выполнена из резины. 6. The battery according to claim 4, characterized in that the elastic plate dielectric gasket is made of rubber.
RU2012115647/07A 2012-04-19 2012-04-19 Fuel element and battery of fuel elements RU2496186C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012115647/07A RU2496186C1 (en) 2012-04-19 2012-04-19 Fuel element and battery of fuel elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012115647/07A RU2496186C1 (en) 2012-04-19 2012-04-19 Fuel element and battery of fuel elements

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2496186C1 true RU2496186C1 (en) 2013-10-20

Family

ID=49357292

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012115647/07A RU2496186C1 (en) 2012-04-19 2012-04-19 Fuel element and battery of fuel elements

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2496186C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2714695C1 (en) * 2018-07-20 2020-02-19 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Method of manufacturing fuel cell and fuel cell
RU2740133C1 (en) * 2019-09-30 2021-01-11 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Fuel cell
RU2743099C1 (en) * 2019-11-27 2021-02-15 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Fuel cell and the method of its production
RU2763958C2 (en) * 2017-08-16 2022-01-11 Серес Интеллекчуал Проперти Компани Лимитед Solid oxide fuel cell unit

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU70051U1 (en) * 2007-09-28 2008-01-10 Объединенный институт высоких температур Российской Академии Наук (ОИВТ РАН) FUEL CELL BATTERY FOR A STAND-ALONE POWER SUPPLY
RU2328060C1 (en) * 2006-11-23 2008-06-27 Федеральное государственное предприятие "ЦНИИ судовой электротехники и технологии" (ФГУП "ЦНИИ СЭТ") Fuel element and fuel-cell battery
EP1410453B1 (en) * 2001-07-18 2008-09-03 Tel-Aviv University Future Technology Development L.P. Fuel cell with proton conducting membrane and with improved water and fuel management
RU2355072C1 (en) * 2007-10-03 2009-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") Fuel-cell battery
RU2387053C1 (en) * 2008-12-23 2010-04-20 Яков Аронович Гофман Method to produce fuel-cell battery with solid polymer electrolyte
US20120034542A1 (en) * 2008-12-19 2012-02-09 Ballard Power Systems Inc. Seal for solid polymer electrolyte fuel cell
EP2417663A1 (en) * 2009-04-08 2012-02-15 Daimler AG Fuel cell, fuel cell stack and method for sealing a fuel cell

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1410453B1 (en) * 2001-07-18 2008-09-03 Tel-Aviv University Future Technology Development L.P. Fuel cell with proton conducting membrane and with improved water and fuel management
RU2328060C1 (en) * 2006-11-23 2008-06-27 Федеральное государственное предприятие "ЦНИИ судовой электротехники и технологии" (ФГУП "ЦНИИ СЭТ") Fuel element and fuel-cell battery
RU70051U1 (en) * 2007-09-28 2008-01-10 Объединенный институт высоких температур Российской Академии Наук (ОИВТ РАН) FUEL CELL BATTERY FOR A STAND-ALONE POWER SUPPLY
RU2355072C1 (en) * 2007-10-03 2009-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" (ООО "Национальная инновационная компания "НЭП") Fuel-cell battery
US20120034542A1 (en) * 2008-12-19 2012-02-09 Ballard Power Systems Inc. Seal for solid polymer electrolyte fuel cell
RU2387053C1 (en) * 2008-12-23 2010-04-20 Яков Аронович Гофман Method to produce fuel-cell battery with solid polymer electrolyte
EP2417663A1 (en) * 2009-04-08 2012-02-15 Daimler AG Fuel cell, fuel cell stack and method for sealing a fuel cell

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2763958C2 (en) * 2017-08-16 2022-01-11 Серес Интеллекчуал Проперти Компани Лимитед Solid oxide fuel cell unit
US11271235B2 (en) 2017-08-16 2022-03-08 Ceres Intellectual Property Company Limited Solid oxide fuel cell unit
RU2714695C1 (en) * 2018-07-20 2020-02-19 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Method of manufacturing fuel cell and fuel cell
RU2740133C1 (en) * 2019-09-30 2021-01-11 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Fuel cell
RU2743099C1 (en) * 2019-11-27 2021-02-15 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Fuel cell and the method of its production

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6689502B2 (en) Monopolar cell pack of direct methanol fuel cell
JP4252623B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP3920018B2 (en) Fuel cell stack
JP2001283892A (en) Hydrogen ion exchange membrane solid polymer fuel cell and single electrode cell pack for direct methanol fuel cell
KR100571821B1 (en) Direct methanol fuel cell and portable computer having the same
US20060210865A1 (en) Fuel cell
RU2496186C1 (en) Fuel element and battery of fuel elements
US20190245236A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell stack
JP4680338B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL AND METHOD OF CONNECTING THE SAME
JP2004103296A (en) Solid polymer type fuel cell
US7638219B2 (en) Fuel cell without Z-like connection plates and the method producing the same
CN214336753U (en) Fuel cell and battery pack
KR100387244B1 (en) Monopolar cell pack of direct methanol fuel cell
JP4848824B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2009526345A (en) Fuel cell stack
KR100704437B1 (en) Electrochemical unit cell and electrochemical cell assembly with non-conductive separator
JP5136051B2 (en) Fuel cell
KR100556814B1 (en) Stack of fuel cell
JP5378049B2 (en) Fuel cell stack
RU70051U1 (en) FUEL CELL BATTERY FOR A STAND-ALONE POWER SUPPLY
JP5132997B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2007234315A (en) Fuel cell
CN218783060U (en) Fuel cell and battery pack
CN116404224B (en) Fuel cell stack and electric energy device thereof
CN215731824U (en) Fuel cell stack and fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150420

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20160227