RU2504868C2 - Fuel cell and fuel cell battery - Google Patents
Fuel cell and fuel cell battery Download PDFInfo
- Publication number
- RU2504868C2 RU2504868C2 RU2012117713/07A RU2012117713A RU2504868C2 RU 2504868 C2 RU2504868 C2 RU 2504868C2 RU 2012117713/07 A RU2012117713/07 A RU 2012117713/07A RU 2012117713 A RU2012117713 A RU 2012117713A RU 2504868 C2 RU2504868 C2 RU 2504868C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- fuel cell
- gas diffusion
- current collector
- collector
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии окисления водорода кислородом воздуха в электрическую, а именно к топливному элементу (ТЭ) и батарее ТЭ (БТЭ) с полимерной электролитной мембраной.The invention relates to the field of chemical current sources with direct conversion of the chemical energy of hydrogen oxidation by atmospheric oxygen into electrical energy, in particular to a fuel cell (TE) and a TE battery (BFC) with a polymer electrolyte membrane.
Известны конструкции ТЭ и БТЭ с металлической распределительной сеткой, используемой в ТЭ (США №6207310 В1). В соответствии с этим патентом БТЭ состоит, по меньшей мере, из двух ТЭ, разделенных электрически проводимой тонкой биполярной охлаждающей пластиной (БОП). БОП выполнена из тонкой металлической фольги и металлической плетеной сетки, расположенной в прямоугольной области рамки, имеющей вход в одном углу и выход в другом, расположенных диагонально друг к другу. Рамка уплотнена по периметру, образуя проточную часть для охлаждающей среды. В водородной и кислородной камерах ТЭ также установлены металлические сетки каждая в своей рамке, которая, аналогично рамке БОП, имеет входной и выходной каналы, расположенные диагонально. Сетки обеспечивают равномерное распределение реагентов по поверхности электродов.Known designs of TE and BFC with a metal distribution grid used in TE (US No. 6207310 B1). In accordance with this patent, the BFC consists of at least two FC separated by an electrically conductive thin bipolar cooling plate (BOP). BOP is made of thin metal foil and a metal wicker mesh located in the rectangular region of the frame, having an entrance in one corner and an exit in another, located diagonally to each other. The frame is sealed around the perimeter, forming a flow part for the cooling medium. In the hydrogen and oxygen chambers of the fuel cell, metal grids are also installed each in its own frame, which, like the BOP frame, has input and output channels located diagonally. Grids provide a uniform distribution of reagents on the surface of the electrodes.
МЭС представляет собой законченный сборочный узел. Мембрана помещена между двумя рамками из нержавеющей стали (толщина листа 0,254 мм) и по периметру уплотняется с помощью адгезива. Газодиффузионные электроды с водородной и кислородной сторон припрессовываются к мембране. Сеточные токовые коллекторы, вложенные в промежуточные прокладки-рамки, расположены с каждой из сторон МЭС. Каналы подвода реагентов в газовые камеры ТЭ выполнены непосредственно в промежуточных прокладках-рамках. Уплотнение ТЭ в батарее производится обжатием промежуточных прокладок-рамок, изготовленных из силиконовой ленты, армированной тканью. Степень сжатия пакета ТЭ в батарее контролируется и ограничивается ограничителями, предусмотренными на промежуточных рамках.MES is a complete assembly unit. The membrane is placed between two stainless steel frames (sheet thickness 0.254 mm) and sealed around the perimeter with adhesive. Gas diffusion electrodes from the hydrogen and oxygen sides are pressed onto the membrane. Mesh current collectors embedded in intermediate gaskets-frames are located on each side of the MES. The channels for supplying reagents to the gas chambers of the fuel cell are made directly in the intermediate gaskets-frames. The TE is sealed in the battery by compressing the intermediate gaskets-frames made of silicone tape reinforced with fabric. The compression ratio of the TE package in the battery is controlled and limited by the limiters provided for in the intermediate framework.
В варианте с жесткой комбинированной пластиковой рамкой из полисульфона, исключающей промежуточную прокладку-рамку, герметизация ТЭ в батарее производится специальным клеем, нанесенным на обе поверхности жесткой пластиковой рамки.In the variant with a rigid combined polysulfone plastic frame excluding the intermediate gasket-frame, the TE is sealed in the battery with a special adhesive applied to both surfaces of the rigid plastic frame.
Токовые сеточные коллекторы выполнены из набора сеток с мелкой и крупной ячейками. Сетка с мелкими ячейками находится в контакте с газодиффузионными коллекторами. Поверхность этих сеток гидрофобизирована композицией из углерода и тефлона для исключения накопления в ячейках капель воды.Current grid collectors are made of a set of grids with small and large cells. The mesh with small cells is in contact with gas diffusion collectors. The surface of these nets is hydrophobized with a composition of carbon and teflon to prevent water droplets from accumulating in the cells.
Недостатками реализованных в аналоге технических решений являются:The disadvantages of the technical solutions implemented in the analogue are:
- отсутствие защиты мембраны по периметру в местах заделки и соприкосновения газодиффузионных коллекторов и металлических рамок от механических повреждений и возможных разрушений,- lack of protection of the membrane around the perimeter in the places of sealing and contact of gas diffusion collectors and metal frames from mechanical damage and possible damage,
- сосредоточенный (местный) подвод/отвод рабочих сред в ТЭ, не гарантирующий равномерного распределения сред по поверхности электродов в широком диапазоне расходов,- concentrated (local) supply / removal of working fluids in the fuel cell, not guaranteeing a uniform distribution of fluids over the surface of the electrodes in a wide range of flow rates,
- «залипание» воды в ячейках сеточных токовых коллекторов и образование в результате этого в сетках участков с заполненными водой ячейками, исключающих подвод реагентов к электродам и приводящих к снижению эффективности электродов,- "sticking" of water in the cells of the grid current collectors and the formation as a result of this in the grid sections with water-filled cells, eliminating the supply of reagents to the electrodes and leading to a decrease in the efficiency of the electrodes,
- наличие промежуточных прокладок-рамок для размещения сеточных токовых коллекторов, усложняющих конструкцию топливного элемента и увеличивающих в два раза количество сопрягаемых поверхностей, требующих герметизации (для варианта с промежуточными рамками),- the presence of intermediate gaskets-frames for the placement of grid current collectors, complicating the design of the fuel cell and doubling the number of mating surfaces that require sealing (for the variant with intermediate frames),
- определенные ограничения по минимизации зазора в газовых камерах ТЭ, связанные с необходимостью формирования каналов, сообщающих коллекторную систему батареи с газовыми камерами ТЭ непосредственно в рамках ТЭ, при соблюдении требований по прочности рамки и допустимым размерам каналов.- certain restrictions on minimizing the gap in the gas chambers of the fuel cell, associated with the need to form channels that communicate the collector system of the battery with the gas chambers of the fuel cell directly within the fuel cell, subject to the requirements for the strength of the frame and the permissible size of the channels.
Известны конструкции ТЭ и БТЭ с полимерной электролитной мембраной, принятые за прототип изобретения, использующих водород как топливо и кислород в чистом виде, или содержащийся в воздухе, в качестве окислителя (RU, патент №2328060, МПК Н01М 8/00, приоритет 23 ноября 2006 г). ТЭ и БТЭ с полимерной электролитной мембраной, использующие водород и кислород в чистом виде или содержащийся в воздухе.Known designs of TE and BFC with a polymer electrolyte membrane, adopted as a prototype of the invention, using hydrogen as fuel and oxygen in pure form, or contained in air as an oxidizing agent (RU, patent No. 2328060, IPC Н01М 8/00, priority November 23, 2006 d). TE and BTE with a polymer electrolyte membrane, using hydrogen and oxygen in its pure form or contained in air.
ТЭ включает водородный электрод, кислородный электрод, расположенный между электродами полимерный электролит, водородный и кислородный газодиффузионные коллекторы, токовые коллекторы из металлических сеток.The fuel cell includes a hydrogen electrode, an oxygen electrode located between the electrodes, a polymer electrolyte, hydrogen and oxygen gas diffusion collectors, current collectors made of metal grids.
Смежные ТЭ в батарее разделены биполярной охлаждающей пластиной (БОП), выполненной в виде пластинчатого теплообменника из тонкой, металлической фольги и металлической сетки внутри для распределения охлаждающей среды по поверхности теплообменника и отвода тепла, генерируемого в ТЭ. БОП имеет контакт с токовыми коллекторами и выполняет также функцию передачи электричества. ТЭ с помощью крышек и шпилек собираются в батарею.Adjacent TEs in the battery are separated by a bipolar cooling plate (BOP) made in the form of a plate heat exchanger made of thin, metal foil and a metal mesh inside to distribute the cooling medium over the surface of the heat exchanger and remove heat generated in the TE. BOP has contact with current collectors and also performs the function of transmitting electricity. TEs with the help of covers and pins are collected in the battery.
Мембрано-электродная сборка (МЭС), в которой газодиффузионные коллекторы совместно с мембраной вложены в паз полимерной рамки, составленной из двух или трех пластин, обеспечивают защиту мембраны от механических повреждений по всей поверхности.Membrane-electrode assembly (MES), in which gas diffusion collectors together with the membrane are embedded in the groove of the polymer frame, composed of two or three plates, protect the membrane from mechanical damage over the entire surface.
Уплотнение мембраны и коллекторов в рамке производят герметиком, размещаемым в свободном пространстве паза по периметру мембраны за пределом электродов, и клеепереносящей пленкой, расположенной в узле уплотнения.The membrane and collectors in the frame are sealed with a sealant placed in the free space of the groove along the perimeter of the membrane beyond the electrodes, and with an adhesive film located in the seal assembly.
Конструкция рамки МЭС одновременно предусматривает размещение в ней над газодиффузионными коллекторами сеточных токовых коллекторов. БОП состоит из двух листов тонкой фольги (с водородной и кислородной сторон) и расположенных между ними металлических сеток и рамки с каналами на периферийной поверхности для подвода через БОП и равномерного распределения реагентов по поверхности электродов. В прямоугольном поле рамки предусмотрены перегородки для организации потока охлаждающей среды через сетки по принципу «серпантина».The design of the MES framework simultaneously provides for the placement of grid current collectors in it above the gas diffusion collectors. BOP consists of two sheets of thin foil (from the hydrogen and oxygen sides) and metal grids located between them and a frame with channels on the peripheral surface for supply through the BOP and uniform distribution of reagents on the surface of the electrodes. In the rectangular field of the frame, partitions are provided for organizing the flow of the cooling medium through the grids according to the “serpentine” principle.
Недостатком прототипа ТЭ являются:The disadvantage of the prototype TE are:
1. Сложная конструкция рамки, содержащая две-три пластины, скрепленные между собой клеепереносящей пленкой.1. The complex design of the frame, containing two to three plates, fastened together by an adhesive transfer film.
2. Ненадежность герметизации 50-микронной мембраны герметиком, из-за того при герметизации мембрана сминается из-за своей малой жесткости, что приводит к образованию негерметичных МЭС, т.е. к браку.2. The unreliability of sealing a 50-micron membrane with a sealant, due to the fact that during sealing the membrane is crushed due to its low stiffness, which leads to the formation of leaky MES, ie to marriage.
3. Процесс герметизации длителен, отверждение герметика происходит не ранее, чем через сутки после нанесения.3. The sealing process is long, the curing of the sealant occurs no earlier than a day after application.
Недостатком прототипа БТЭ являются:The disadvantage of the prototype BTE are:
1. Сложная конструкция рамки, содержащая две-три пластины, скрепленные между собой клеепереносящей пленкой.1. The complex design of the frame, containing two to three plates, fastened together by an adhesive transfer film.
2. Ненадежность герметизации 50-микронной мембраны герметиком, из-за того при герметизации мембрана сминается из-за своей малой жесткости, что приводит к образованию негерметичных МЭС, т.е. к браку.2. The unreliability of sealing a 50-micron membrane with a sealant, due to the fact that during sealing the membrane is crushed due to its low stiffness, which leads to the formation of leaky MES, ie to marriage.
3. Процесс герметизации длителен, отверждение герметика происходит не ранее, чем через сутки после нанесения.3. The sealing process is long, the curing of the sealant occurs no earlier than a day after application.
4. Воздушные каналы имеют большое сопротивление воздушному потоку из-за малого их сечения и большой протяженности, что не позволяет БТЭ работать на давлениях, близких к атмосферному, и требуют для прокачки воздухом мощных компрессоров, что приводит к увеличению энергопотребления для собственных нужд и, как следствие, падению КПД батареи.4. Air ducts have a high resistance to air flow due to their small cross-section and long extent, which does not allow BTE to operate at pressures close to atmospheric, and require powerful compressors for pumping air, which leads to an increase in energy consumption for own needs and, as consequence, a drop in battery efficiency.
5. Термостатирование БТЭ производится при помощи пластинчатых теплообменников с циркуляцией охлаждающей жидкости, что также ухудшает массогабаритные характеристики и КПД БТЭ за счет присутствия в системе циркуляционного жидкостного насоса и веса самой охлаждающей жидкости.5. Thermostatic control of the BFC is carried out using plate heat exchangers with coolant circulation, which also worsens the weight and size characteristics and the efficiency of the BFC due to the presence of a circulating liquid pump in the system and the weight of the coolant itself.
6. Неремонтопригодность БТЭ и, как следствие, невозможность замены отдельных ТЭ при выходе их из строя из-за того, что после сборки БТЭ все элементы батареи склеены между собою клеепереносящей пленкой.6. Unavailability of BFCs and, as a consequence, the impossibility of replacing individual FCs when they fail due to the fact that after the assembly of BFCs, all battery cells are glued together with an adhesive transfer film.
Признаки прототипа ТЭ, совпадающие с признаками ТЭ по изобретению: водородный электрод, воздушный электрод, расположенный между электродами полимерный электролит (мембрану), водородный и воздушный газодиффузионные коллекторы, водородный токовый коллектор.The features of the prototype FCs that match those of the FCs according to the invention: a hydrogen electrode, an air electrode located between the electrodes, a polymer electrolyte (membrane), hydrogen and air gas diffusion collectors, a hydrogen current collector.
Признаки прототипа БТЭ, совпадающие с признаками БТЭ по изобретению:The signs of the BTE prototype, coinciding with the signs of the BTE according to the invention:
по меньшей мере, два топливных элемента, каждый из которых включает водородный электрод, воздушный электрод, расположенный между электродами полимерный электролит (мембрану), водородный и воздушный газодиффузионные коллекторы, водородный токовый коллектор из металлических сеток, воздушный токовый коллектор из тонкой гофрированной металлической ленты и биполярную пластину для разделения смежных топливных элементов, выполненную в виде тонкой металлической фольги.at least two fuel cells, each of which includes a hydrogen electrode, an air electrode located between the electrodes, a polymer electrolyte (membrane), hydrogen and air gas diffusion collectors, a hydrogen current collector made of metal meshes, an air current collector made of thin corrugated metal tape and a bipolar a plate for separating adjacent fuel cells, made in the form of a thin metal foil.
Техническим результатом использования ТЭ являются:The technical result of the use of fuel cells are:
1. Упрощении конструкция рамки.1. Simplified frame design.
2. Увеличение надежности герметизации 50-микронной мембраны герметиком.2. Increased reliability of sealing a 50 micron membrane with sealant.
3. Ускорение процесса герметизации мембраны.3. Acceleration of the process of sealing the membrane.
Техническим результатом использования БТЭ является упрощение конструкции и улучшение технологии изготовления ТЭ и батареи ТЭ, возможность ремонта и замены, вышедших из строя ТЭ, снижение массогабаритных характеристик батареи не менее чем в два раза за счет применения ТЭ по изобретению.The technical result of using BFCs is to simplify the design and improve the manufacturing technology of FCs and FC batteries, the ability to repair and replace failed FCs, and reduce the weight and size characteristics of the battery by at least two times due to the use of FCs according to the invention.
Массогабаритные характеристики по изобретению уменьшены от 2 до 6 раз за счет уменьшения толщины БОП с 1,5 мм до 0,1-0,2 мм и ее охлаждения воздухом, а не водой, как в прототипе.The overall dimensions of the invention are reduced from 2 to 6 times by reducing the thickness of the BOP from 1.5 mm to 0.1-0.2 mm and cooling it with air, rather than water, as in the prototype.
Перечень чертежей:The list of drawings:
На фиг.1 представлена схема ТЭ.Figure 1 presents a diagram of the fuel cell.
На фиг.2 представлена схема БТЭ.Figure 2 presents the scheme of BFC.
На фиг.1 и 2 введены обозначения:Figure 1 and 2 introduced the notation:
1 - полимерная мембрана;1 - polymer membrane;
2 - водородный газодиффузионный коллектор;2 - hydrogen gas diffusion collector;
3 - воздушный газодиффузионный коллектор;3 - air gas diffusion manifold;
4 - полимерная рамка;4 - polymer frame;
5 - биполярная пластина;5 - bipolar plate;
6 - водородный токовый коллектор;6 - hydrogen current collector;
7 - гофрированный воздушный токовый коллектор;7 - corrugated air current collector;
8 - клеепереносящая пленка;8 - adhesive film;
9 - отверстия, выполненные в рамке 4, предназначенные для подачи водорода;9 - holes made in
10 - каналы в рамке 4, соединяющие отверстия 9 с окном рамки и предназначенные для подачи водорода;10 - channels in the
11 - уплотнительные кольца;11 - sealing rings;
12 - концевые плиты;12 - end plates;
На фиг.3 представлен эскиз гофрированного воздушного токового коллектора.Figure 3 presents a sketch of the corrugated air current collector.
На фиг.4 представлен эскиз полимерной рамки.Figure 4 presents a sketch of the polymer frame.
На фиг.5 представлен эскиз биполярной пластины.Figure 5 presents a sketch of a bipolar plate.
На фиг.6 представлен эскиз водородного газодиффузионного коллектора.Figure 6 presents a sketch of a hydrogen gas diffusion collector.
На фиг.7 представлен эскиз воздушного газодиффузионного коллектора.Figure 7 presents a sketch of an air gas diffusion manifold.
На фиг.8 представлен эскиз мембраны.On Fig presents a sketch of the membrane.
На фиг.9 представлен эскиз водородного токового коллектора.Figure 9 presents a sketch of a hydrogen current collector.
На фиг.10 представлен эскиз уплотнительного кольца.Figure 10 presents a sketch of the sealing ring.
На фиг.11 представлен эскиз концевой плиты БТЭ.Figure 11 presents a sketch of the end plate of the BFC.
На фиг.12 представлена принципиальная схема ТЭ.On Fig presents a schematic diagram of a fuel cell.
На фиг.13 представлен ТЭ с ионообменной мембраной.On Fig presents TE with an ion-exchange membrane.
Технический результат использования ТЭ по изобретению достигается благодаря тому, что он содержит: полимерную мембрану 1, водородный газодиффузионный коллектор 2, воздушный газодиффузионный коллектор 3, полимерную рамку 4, биполярную пластину 5, водородный токовый коллектор 6, гофрированный воздушный токовый коллектор 7, клеепереносящую пленку 8, отверстия 9, каналы 10 для сообщения отверстий в рамка с окном рамки (фиг.1).The technical result of using the TE according to the invention is achieved due to the fact that it contains: a
Полимерная мембрана 1, ее материал: ионообменная мембрана Nafion или МФ4-СК. Габариты - по внешним размерам рамки 4 фиг.1. Назначение: для разделения газов и передачи тока. Устанавливается на рамку 4 фиг.1. с противоположной стороны от каналов 10 фиг.1 на клеепереносящую пленку 8.
Водородный газодиффузионный коллектор 2, его материал: углеграфитовая бумага. Габариты водородного коллектора - по размеру окна рамки 4 фиг.1. Назначение: носитель электрокаталитических слоев, проницаемый для водорода, и передачи тока. Устанавливается в окно рамки 4 фиг.1 электрокаталитическим слоем к мембране.Hydrogen gas diffusion collector 2, its material: carbon-graphite paper. Dimensions of the hydrogen collector - the size of the
Воздушный газодиффузионный коллектор 3, его материал: углеграфитовая бумага. Габариты воздушного коллектора - по ширине рамки 4 фиг.1. Коллектор 3 является носителем электрокаталитических слоев, проницаемый для кислорода и передачи тока. Устанавливается на мембрану с противоположной стороны от водородного газодиффузионного коллектора электрокаталитическим слоем к мембране.Air gas diffusion collector 3, its material: carbon-graphite paper. The dimensions of the air manifold - the width of the
Полимерная рамка 4, ее материал - поликарбонат или другой пластик, например, силиконовая резиновая смесь. Назначение: для фиксирования водородного газодиффузионного коллектора, водородного токового коллектора, мембраны и биполярной пластины 5.The
Биполярная пластина 5, ее материал, например, титановая фольга. Габариты по внешним габаритам рамки 4 фиг.1. Назначение: для разделения смежных ТЭ и передачи тока. Крепится на клеепереносящую пленку к рамке 4 фиг.1 одного ТЭ и электрически контактирует с гофрированным воздушным токовым коллектором смежного ТЭ.
Водородный токовый коллектор 6, его материал, например, титановая просечно-вытяжная сетка в два или более слоев. Габариты - по размерам окна рамки 4 фиг.1. Назначение: для подвода водорода к газодиффузионному водородному коллектору и для передачи тока. Устанавливается в рамку 4 фиг.1 между водородным газодиффузионным коллектором и биполярной пластиной.The hydrogen current collector 6, its material, for example, a titanium expanded metal mesh in two or more layers. Dimensions - the size of the
Гофрированный воздушный токовый коллектор 7 выполнен из гофрированной тонкой металлической ленты, например, из титановой фольги, толщиной 0,05-0,25 мм. Габариты коллектора соответствуют внешним габаритам рамки 4 фиг.1. Назначение: передача тока и обеспечение прохождения охлаждающего воздуха к воздушному газодиффузионному коллектору. Изменяя интенсивность продувки воздуха, обеспечивается охлаждение ТЭ. Устанавливается между биполярной пластиной и воздушным газодиффузионным коллектором.The corrugated air current collector 7 is made of a corrugated thin metal tape, for example, of titanium foil, 0.05-0.25 mm thick. The dimensions of the collector correspond to the external dimensions of the
Клеепереносящая пленка 8, например, типа Scotch® ATG.
Отверстия 9 в рамке 4 для подачи водорода диаметром от 3 до 20 мм (диаметр отверстий зависит от габаритных размеров рамок и количества МЭС в батарее).
Каналы 10 в рамке 4, предназначены для сообщения отверстий 9 рамки 4 с окном рамки. Их ширина может колебаться от 1 до 4 мм, а глубина 0,5 мм и больше, зависит от толщины материала рамки.The channels 10 in the
Технический результат использования БТЭ по изобретению достигается благодаря тому, что он содержит два или более ТЭ по изобретению, уплотнительные кольца 11 и концевые плиты 12, стянутые крепежными деталями, например шпильками.The technical result of using the BFC according to the invention is achieved due to the fact that it contains two or more TE according to the invention, O-rings 11 and end plates 12, tightened by fasteners, for example, studs.
Уплотнительные кольца 11, материал - резина, например фторкаучуковая.O-rings 11, the material is rubber, for example fluororubber.
Назначение: для уплотнения каналов между смежными рамками 4.Purpose: for sealing channels between
Концевые плиты 12, их материал - металл или жесткий пластик. Назначение: для скрепления ТЭ в БТЭ с помощью крепежных деталей, например, шпилек с резьбой.End plates 12, their material is metal or hard plastic. Appointment: for fastening of TE in BTE with the help of fasteners, for example, threaded rods.
Все остальные элементы БТЭ входят в состав ТЭ.All other elements of the BFC are part of the fuel cell.
Описание конструкции БТЭ (фиг.2)Description of the design of BTE (figure 2)
БТЭ включает монолитную полимерную рамку, водородный электрод с газодиффузионным слоем, воздушный электрод с газодиффузионным слоем, расположенный между электродами полимерный электролит (мембрана), водородный токовый коллектор из металлической сетки и воздушный токовый коллектор, изготовленный гофрированием из тонкой металлической фольги. Смежные ТЭ в батарее разделены биполярной пластиной (БП), выполненной в виде тонкой металлической фольги. БП имеет электрический контакт с токовыми коллекторами и выполняет также функцию передачи электричества. ТЭ с помощью концевых плит и шпилек собираются в батарею ТЭ. Особенностями изобретения являются: МЭС, в которой водородный электрод с газодиффузионным слоем совместно с водородным токовым коллектором, выполненным из металлической сетки, вложены в окно монолитной полимерной рамки.BTE includes a monolithic polymer frame, a hydrogen electrode with a gas diffusion layer, an air electrode with a gas diffusion layer located between the electrodes, a polymer electrolyte (membrane), a hydrogen current collector from a metal mesh, and an air current collector made by corrugating from a thin metal foil. Adjacent FCs in the battery are separated by a bipolar plate (BP) made in the form of a thin metal foil. BP has electrical contact with current collectors and also performs the function of transmitting electricity. TEs with the help of end plates and pins are assembled into a TE battery. Features of the invention are: MES, in which a hydrogen electrode with a gas diffusion layer, together with a hydrogen current collector made of a metal mesh, is embedded in a window of a monolithic polymer frame.
Уплотнение мембраны к наружной поверхности рамки производится при помощи клеепереносящей пленки без применения герметика. С противоположной стороны рамки приклеена биполярная пластина при помощи клеепереносящей пленки. С внешней стороны к мембране примыкают воздушный электрод с газодиффузионным слоем и гофрированный воздушный коллектор тока. Их размеры совпадают с наружными габаритами рамки. Уплотнения каналов для подвода водорода осуществляются эластичными уплотнительными кольцами. Благодаря такой конструкции имеется возможность частичной разборки батареи по линиям примыкания воздушных коллекторов тока к биполярным пластинам и замены вышедшего из строя топливного элемента или группы ТЭ. Каналы воздушного коллектора тока открыты с двух сторон, сообщаются с атмосферой, и имеют практически нулевое сопротивление протеканию воздушного потока, что позволяет производить поддержание теплового режима ТЭ и батареи ТЭ, изменяя количество продуваемого через ТЭ и батарею ТЭ воздуха.The membrane is sealed to the outer surface of the frame using adhesive film without the use of sealant. On the opposite side of the frame, a bipolar plate is glued with an adhesive film. On the outside, an air electrode with a gas diffusion layer and a corrugated air current collector are adjacent to the membrane. Their sizes coincide with the outer dimensions of the frame. Seals of the channels for supplying hydrogen are carried out by elastic sealing rings. Thanks to this design, it is possible to partially disassemble the battery along the abutment lines of air current collectors to bipolar plates and replace a failed fuel cell or fuel cell group. The channels of the air current collector are open from two sides, communicate with the atmosphere, and have practically zero resistance to the flow of air flow, which allows maintaining the thermal regime of the fuel cell and battery, changing the amount of air blown through the fuel cell and battery.
Принцип действия ТЭThe principle of operation of fuel cells
Топливный элемент (фиг.12) состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя, на другой, а также системы для удаления продуктов реакции. В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию.The fuel cell (Fig. 12) consists of two electrodes separated by an electrolyte and fuel supply systems on one electrode and an oxidizing agent on the other, as well as a system for removing reaction products. In most cases, catalysts are used to accelerate the chemical reaction. An external electrical circuit of the fuel cell is connected to a load that consumes electricity.
В изображенном на фиг.12 топливном элементе с кислым электролитом водород подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры в материале электрода. При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:In the acidic electrolyte fuel cell shown in FIG. 12, hydrogen is supplied through the hollow anode and enters the electrolyte through very small pores in the electrode material. In this case, hydrogen molecules decompose into atoms, which, as a result of chemisorption, each giving one electron each, turn into positively charged ions. This process can be described by the following equations:
Н2⇔2НH 2 ⇔ 2H
2H⇔2H++2e-.
Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в электролит и также реагирует на поверхности электрода с участием катализатора. При соединении его с ионами водорода и электронами, которые поступают из внешней цепи, образуется вода:Hydrogen ions diffuse through the electrolyte to the positive side of the cell. Oxygen supplied to the cathode passes into the electrolyte and also reacts on the electrode surface with the participation of a catalyst. When it is combined with hydrogen ions and electrons that come from an external circuit, water is formed:
1/2O2+2H++2e-→H2O. 1/2
В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это концентрированные гидроксиды натрия или калия) протекают сходные химические реакции. Водород проходит через анод и реагирует в присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами гидроксила (ОН-) с образованием воды и электрона:Similar fuel reactions occur in alkaline electrolyte fuel cells (usually concentrated sodium or potassium hydroxides). Hydrogen passes through the anode and reacts in the presence of a catalyst with hydroxyl ions (OH-) in the electrolyte to form water and an electron:
Н2+2OH-→2H2O+2е-.H 2 + 2OH - → 2H 2 O + 2e - .
На катоде кислород вступает в реакцию с водой, содержащейся в электролите, и электронами из внешней цепи. В последовательных стадиях реакций образуются ионы гидроксила (а также пергидроксида O2H-). Результирующую реакцию на катоде можно записать в виде:At the cathode, oxygen reacts with water contained in the electrolyte and electrons from the external circuit. In subsequent stages of the reaction, hydroxyl ions (as well as perhydroxide O2H-) are formed. The resulting reaction at the cathode can be written as:
1/2O2+H2O+2е-→2OH-. 1/2 O 2 + H 2 O + 2e - → 2OH -.
Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет электролит. В любом топливном элементе часть энергии химической реакции превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента.The flow of electrons and ions maintains a balance of charge and matter in the electrolyte. The water resulting from the reaction partially dilutes the electrolyte. In any fuel cell, part of the energy of a chemical reaction is converted into heat. The flow of electrons in the external circuit is a direct current that is used to perform work. Most reactions in fuel cells provide an emf of about 1 V. Opening the circuit or stopping the movement of ions stops the fuel cell.
Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, в котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в некоторых типах топливных элементов, которые могут быть собраны на электродах, процесс может быть обращен - приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в своем нормальном режиме.The process taking place in a hydrogen-oxygen fuel cell is inherently the opposite of the well-known electrolysis process in which the dissociation of water occurs when an electric current passes through the electrolyte. Indeed, in some types of fuel cells that can be assembled on electrodes, the process can be reversed - by applying voltage to the electrodes, water can be decomposed into hydrogen and oxygen. If you stop charging the cell and connect the load to it, such a regenerative fuel cell will immediately start working in its normal mode.
Теоретически размеры топливного элемента могут быть сколь угодно большими. Однако на практике несколько элементов объединяются в небольшие модули или батареи, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно.Theoretically, the dimensions of a fuel cell can be arbitrarily large. However, in practice, several cells are combined into small modules or batteries that are connected either in series or in parallel.
Водород через отверстия в концевых плитах 12 подается в отверстия 9 и по каналам 10 и водородный токовый коллектор 6 попадает к водородному газодиффузионному коллектору 2.Hydrogen through the holes in the end plates 12 is fed into the
Воздух через открытые торцы гофрированного воздушного токового коллектора 7 попадает к воздушному газодиффузионному коллектору 3. На мембране 1 происходит окисление водорода с выделением тепла и электрического тока.Air through the open ends of the corrugated air current collector 7 enters the air gas diffusion manifold 3. On the
Ток от крайних биполярных пластин БТЭ отводится потребителю, а тепло с потоком воздуха, проходящего через открытые торцы гофрированного воздушного токового коллектора 7, выводится наружу.The current from the extreme bipolar plates of the BFC is discharged to the consumer, and heat with the flow of air passing through the open ends of the corrugated air current collector 7 is removed to the outside.
Одним из типов элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами (фиг.13). В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и может быть легко удалена.One of the types of elements capable of operating on hydrogen and oxygen at normal temperature and pressure are elements with ion-exchange membranes (Fig.13). In these elements, instead of a liquid electrolyte, a polymer membrane is located between the electrodes, through which ions freely pass. In such elements, air can be used along with oxygen. The water formed during the operation of the cell does not dissolve the solid electrolyte and can be easily removed.
Отверстия 9 в рамке 4 для подачи водорода диаметром от 3 до 20 мм (диаметр отверстий зависит от габаритных размеров рамок и количества МЭС в батарее).
Каналы 10 в рамке 4 предназначены для сообщения отверстий 9 рамки 4 с окном рамки. Их ширина может колебаться от 1 до 4 мм, а глубина 0,5 мм и больше - зависит от толщины материала рамки.The channels 10 in the
Технический результат использования БТЭ по изобретению достигается благодаря тому, что он содержит два или более ТЭ по изобретению, уплотнительные кольца 11 и концевые плиты 12, стянутые крепежными деталями, например шпильками.The technical result of using the BFC according to the invention is achieved due to the fact that it contains two or more TE according to the invention, O-rings 11 and end plates 12, tightened by fasteners, for example, studs.
Уплотнительные кольца 11, материал - резина, например фторкаучуковая.O-rings 11, the material is rubber, for example fluororubber.
Назначение: для уплотнения каналов между смежными рамками 4. Концевые плиты 12, их материал - металл или жесткий пластик. Назначение: для скрепления ТЭ в БТЭ с помощью крепежных деталей, например шпилек с резьбой.Purpose: to seal the channels between
Все остальные элементы БТЭ тождественны элементам ТЭ.All other elements of the BFC are identical to the elements of the FC.
Реализация ТЭ и БТЭImplementation of TE and BTE
Батарея топливных элементов была реализована в соответствие с конструкцией, которая описана и приведена на фиг.11, а ТЭ - на фиг.13.The fuel cell battery was implemented in accordance with the design, which is described and shown in Fig. 11, and the fuel cell in Fig. 13.
БТЭ состоит из соединенных последовательно 56 ТЭ, принципиальная схема которых представлена на фиг.12, 13 и имела электродвижущую силу (ЭДС) 36 В, мощность 250 Вт.The BFC consists of 56 TE connected in series, the circuit diagram of which is shown in FIGS. 12, 13 and had an electromotive force (EMF) of 36 V, power of 250 W.
Полимерная мембрана 1 выполнена в виде ионообменной мембраны Nation, ее габариты 112×50 мм.The
Водородный газодиффузионный коллектор 2 выполнен из углеграфитовой бумаги, его габариты 40×88 мм.The hydrogen gas diffusion collector 2 is made of carbon graphite paper, its dimensions are 40 × 88 mm.
Полимерная рамка 4 выполнена из поликарбоната.The
Биполярная пластина 5 выполнена из титановой фольги толщиной 0,1 мм, ее габариты 112×50 мм.The
Водородный токовый коллектор 6 выполнен из титановой просечно-вытяжной сетки, с размерами ячеек 1,5×3 мм, в три слоя, его габариты 40×88 мм.The hydrogen current collector 6 is made of a titanium expanded metal mesh, with mesh sizes of 1.5 × 3 mm, in three layers, its dimensions are 40 × 88 mm.
Гофрированный воздушный токовый коллектор 7 выполнен из гофрированной титановой фольги толщиной 0,1 мм, его габариты 92,5×50 мм.Corrugated air current collector 7 is made of corrugated titanium foil with a thickness of 0.1 mm, its dimensions are 92.5 × 50 mm.
Клеепереносящая пленка 8 типа Scotch® ATG.Scotch
Технический результат использования ТЭ и БТЭ по изобретению достигнут, при одинаковой с прототипом мощностью и ЭДС, за счет уменьшения веса ТЭ, вес БТЭ уменьшился в 2,5 раза, и она стала ремонтопригодна.The technical result of the use of TE and BFC according to the invention was achieved, with the same power and EMF as the prototype, by reducing the weight of the TE, the weight of the BFC decreased by 2.5 times, and it became maintainable.
Отличительные признаки ТЭ по изобретениюDistinctive features of TE according to the invention
Воздушный токовый коллектор выполнен из тонкой гофрированной металлической ленты.The air current collector is made of thin corrugated metal tape.
Водородный электрод с газодиффузионным коллектором и токовым коллектором (металлической сеткой) вложены в полимерную рамку с приклеенной к ней с одной стороны мембраной, а воздушный электрод с газодиффузионным коллектором и токовый коллектор выполнены по размерам наружного габарита рамки.A hydrogen electrode with a gas diffusion collector and a current collector (metal mesh) is embedded in a polymer frame with a membrane glued to it on one side, and an air electrode with a gas diffusion collector and a current collector are made in accordance with the dimensions of the outer dimension of the frame.
Воздушный электрод с газодиффузионным коллектором и токовый коллектор выполнены короче рамки, на рамку наложены накладки для ограничения степени сжатия топливного элемента.An air electrode with a gas diffusion collector and a current collector are shorter than the frame, overlays are applied to the frame to limit the degree of compression of the fuel cell.
Мембрана к рамке приклеена с помощью клеепереносящей пленки, выполняющей функции адгезивного герметизирующего слоя.The membrane is glued to the frame using an adhesive film that acts as an adhesive sealing layer.
Отличительные признаки БТЭ по изобретениюDistinctive features of the BFC according to the invention
Топливные элементы выполнены по любому из пп.1-4, полимерные рамки снабжены каналами и отверстиями для подвода водорода по водородной камере и удаления продуктов реакции, в мембране и биполярных пластинах выполнены отверстия, соосные отверстиям в рамках для сообщения коллекторных систем батареи по водороду, а воздух продувается через открытые торцы воздушного токового коллектора.The fuel cells are made according to any one of
Биполярная пластина приклеена к полимерной рамке с противоположной от мембраны стороны с помощью клеепереносящей пленки.The bipolar plate is glued to the polymer frame on the opposite side of the membrane with a glue transfer film.
Отверстия для подвода водорода между смежными топливными элементами герметизируются с помощью колец из эластичного материала.Holes for supplying hydrogen between adjacent fuel cells are sealed with rings of elastic material.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012117713/07A RU2504868C2 (en) | 2012-04-28 | 2012-04-28 | Fuel cell and fuel cell battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012117713/07A RU2504868C2 (en) | 2012-04-28 | 2012-04-28 | Fuel cell and fuel cell battery |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012117713A RU2012117713A (en) | 2013-11-20 |
RU2504868C2 true RU2504868C2 (en) | 2014-01-20 |
Family
ID=49554906
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012117713/07A RU2504868C2 (en) | 2012-04-28 | 2012-04-28 | Fuel cell and fuel cell battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2504868C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU181456U1 (en) * | 2017-12-27 | 2018-07-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Test Cell Design |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5116696A (en) * | 1990-01-09 | 1992-05-26 | Sulzer Brothers Limited | Gas and air feed member for a feed cell battery and a fuel cell battery |
RU2126569C1 (en) * | 1993-04-30 | 1999-02-20 | Де Нора С.п.А. | Galvanic cell for chemical source of electric energy |
US6207310B1 (en) * | 1996-09-27 | 2001-03-27 | The Regents Of The University Of California | Fuel cell with metal screen flow-field |
RU2174728C2 (en) * | 1994-10-12 | 2001-10-10 | Х Пауэр Корпорейшн | Fuel cell using integrated plate technology for liquid-distribution |
RU2269842C2 (en) * | 2001-03-06 | 2006-02-10 | Хонда Гикен Когйо Кабушики Каиша | Fuel-cell module using solid polymeric electrolyte, fuel cell pile, and method for feeding chemically active gas to fuel cell |
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 |
-
2012
- 2012-04-28 RU RU2012117713/07A patent/RU2504868C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5116696A (en) * | 1990-01-09 | 1992-05-26 | Sulzer Brothers Limited | Gas and air feed member for a feed cell battery and a fuel cell battery |
RU2126569C1 (en) * | 1993-04-30 | 1999-02-20 | Де Нора С.п.А. | Galvanic cell for chemical source of electric energy |
RU2174728C2 (en) * | 1994-10-12 | 2001-10-10 | Х Пауэр Корпорейшн | Fuel cell using integrated plate technology for liquid-distribution |
US6207310B1 (en) * | 1996-09-27 | 2001-03-27 | The Regents Of The University Of California | Fuel cell with metal screen flow-field |
RU2269842C2 (en) * | 2001-03-06 | 2006-02-10 | Хонда Гикен Когйо Кабушики Каиша | Fuel-cell module using solid polymeric electrolyte, fuel cell pile, and method for feeding chemically active gas to fuel cell |
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 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU181456U1 (en) * | 2017-12-27 | 2018-07-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Test Cell Design |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012117713A (en) | 2013-11-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20180363154A1 (en) | Electrochemical cell and components thereof capable of operating at high voltage | |
JP2007227377A (en) | Fuel cell integrated humidification | |
JP6263638B2 (en) | Assembly method and arrangement for cell system | |
JP2008536015A (en) | Electrochemical cell structure | |
KR20050038475A (en) | Direct methanol fuel cell and portable computer having the same | |
CN111224124A (en) | Fuel cell monomer and preparation method thereof | |
US5296110A (en) | Apparatus and method for separating oxygen from air | |
JP7122548B1 (en) | compressor | |
WO2006083035A1 (en) | Fuel cell module and fuel cell provided with the fuel cell module | |
EP3408428B1 (en) | Electrolytic cell for generating hydrogen | |
RU2504868C2 (en) | Fuel cell and fuel cell battery | |
EP1646099B1 (en) | Electrochemical device | |
Ito et al. | Stack performance of proton exchange membrane based unitized reversible fuel cells | |
RU194839U1 (en) | OPEN Cathode Regenerative Fuel Cell | |
CN216671698U (en) | Novel hydrogen-oxygen fuel cell product water recycling system | |
JP2023073782A (en) | Electrochemical cell for water electrolysis, water electrolysis device, and water electrolysis method | |
WO2009116102A1 (en) | Electro-chemical device | |
KR20130075902A (en) | Metal supported solid oxide fuel cell stack using external manifold | |
JP2004079385A (en) | Fuel cell system | |
JP2023161181A (en) | Fuel cell | |
KR101360713B1 (en) | Fuel cell stack sealing device and fuel cell stack having the same | |
JP2005293880A (en) | Fuel cell and its manufacturing method | |
CN118451574A (en) | Method for conditioning an electrochemical cell | |
JP2014225394A (en) | Fuel cell stack | |
JP2004087344A (en) | Solid polymer fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 2-2014 FOR TAG: (72) |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140429 |