RU2626463C1 - Bipolar plate of fuel round-shaped cell - Google Patents
Bipolar plate of fuel round-shaped cell Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626463C1 RU2626463C1 RU2016133701A RU2016133701A RU2626463C1 RU 2626463 C1 RU2626463 C1 RU 2626463C1 RU 2016133701 A RU2016133701 A RU 2016133701A RU 2016133701 A RU2016133701 A RU 2016133701A RU 2626463 C1 RU2626463 C1 RU 2626463C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channels
- length
- zone
- radial channels
- protrusions
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
- H01M8/083—Alkaline fuel cells
-
- 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
Заявляемое техническое решение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую, в частности к конструкции биполярной пластины топливного элемента (ТЭ).The claimed technical solution relates to the field of direct conversion of chemical energy into electrical energy, in particular to the design of a bipolar plate of a fuel cell (FC).
Известны многочисленные варианты конструкции ТЭ, в которых применены биполярные пластины прямоугольной формы.Numerous FC designs are known in which rectangular bipolar plates are used.
Одним из аналогов подобных биполярных пластин является ТЭ с протонообменной мембраной, описанный в патенте РФ на изобретение №2231172 (класс МПК Н01М 8/10, Н01М 8/02, дата приоритета 17.11.1999, дата публикации 20.06.2004) [1]. Данная биполярная пластина содержит верхнюю и нижнюю разделительные тонколистовые металлические пластины, в которых выштампованы прямолинейные каналы с треугольным профилем. Каналы предназначены для подачи и отвода топлива, окислителя и хладагента.One of the analogues of such bipolar plates is TE with a proton exchange membrane described in the RF patent for invention No. 2231172 (IPC class Н01М 8/10, Н01М 8/02,
При соприкосновении разделительных пластин в процессе сборки между ними образуется внутренняя полость хладагента, а внешние каналы формируют полости топлива и окислителя. В состав биполярной пластины также входит периферийная уплотняющая прокладка.When dividing plates come into contact during the assembly process, an internal refrigerant cavity is formed between them, and external channels form the cavity of the fuel and oxidizer. The bipolar plate also includes a peripheral seal.
Недостатками аналога являются повышенные масса, габариты и периметр уплотнения, которые характерны для биполярных пластин с прямоугольной формой. Известно, что среди всех плоских фигур с фиксированным значением площади поверхности только круг имеет минимальное значение периметра. Только круглые биполярные пластины, а следовательно, и батарея топливных элементов на их основе могут обладать наименьшими массой и габаритами.The disadvantages of the analogue are the increased mass, dimensions and perimeter of the seal, which are characteristic of bipolar plates with a rectangular shape. It is known that among all planar figures with a fixed value of the surface area, only a circle has a minimum perimeter value. Only round bipolar plates, and therefore the battery of fuel cells based on them, can have the smallest mass and dimensions.
Известна конструкция круглой биполярной пластины топливного элемента по патенту РФ на изобретение №2516245 (кл. МПК Н01М 8/02, Н01М 2/40, дата приоритета 29.11.2012, дата публикации 20.05.2014) [2].The known design of a round bipolar plate of a fuel cell according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2516245 (class IPC Н01М 8/02, Н01М 2/40,
Биполярная пластина ТЭ круглой формы содержит соединенные между собой разделительные пластины с каналами для циркуляции топлива, окислителя и хладагента и с оппозитным расположением входа и выхода окислителя, топлива и хладагента. Разделительные пластины выполнены таким образом, что образуют среднюю зону, в которой каналы расположены по эвольвентам окружности, ограничивающей центральную зону. Длина окружности, по которой строятся эвольвенты, равна произведению числа каналов на шаг, а шаг каналов равномерен по длине окружности. Центральную зону, в которую входят внутренние концы эвольвентных каналов и ребра каналов которой на пластинах расположены таким образом, что при сборке они пересекаются, образуя плоские центральные коллекторы. Периферийную кольцевую зону, состоящую из пересекающихся каналов и конических выступов, через которую организован подвод и отвод реагентов и хладагента к наружным концам соответствующих эвольвентных каналов. Причем разделительные пластины по периферии и периферийный уплотнительный кант имеют совпадающие по периферии отверстия, которые при сборке батареи топливных элементов образуют коллекторные каналы для подвода через горизонтальные каналы окислителя, топлива и теплоносителя в периферийную кольцевую зону разделительных пластин и далее в соответствующие полости и отвода из них.The round bipolar TE plate contains interconnected separation plates with channels for the circulation of fuel, oxidizer and refrigerant and with the opposite location of the inlet and outlet of the oxidizer, fuel and refrigerant. The dividing plates are made in such a way that they form the middle zone, in which the channels are located along the involutes of the circle bounding the central zone. The circumference along which involutes are built is equal to the product of the number of channels per step, and the channel pitch is uniform along the circumference. The central zone, which includes the inner ends of the involute channels and whose edges on the plates are located in such a way that they intersect during assembly, forming flat central collectors. A peripheral annular zone consisting of intersecting channels and conical protrusions, through which the supply and removal of reagents and refrigerant to the outer ends of the corresponding involute channels is organized. Moreover, the dividing plates on the periphery and the peripheral sealing edge have openings that coincide on the periphery, which, when the fuel cell battery is assembled, form collector channels for supplying oxidizer, fuel and coolant through the horizontal channels to the peripheral annular zone of the dividing plates and then to the corresponding cavities and draining from them.
Недостатком данной конструкции биполярной пластины ТЭ является то, что величины потоков окислителя, топлива и хладагента не выравнены по всей протяженности каналов и по всей площади биполярной пластины. За счет эвольвентной конфигурации каналов повышено гидравлическое сопротивление в каналах окислителя, топлива и хладагента, так как такая конфигурация каналов увеличивает протяженность пограничных слоев.The disadvantage of this design of the TE bipolar plate is that the oxidizer, fuel and refrigerant fluxes are not aligned over the entire length of the channels and over the entire area of the bipolar plate. Due to the involute configuration of the channels, the hydraulic resistance in the channels of the oxidizer, fuel and refrigerant is increased, since such a configuration of the channels increases the length of the boundary layers.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и поэтому принятым за прототип является круглая батарея топливных элементов, конструкция которой описана в патенте РФ на изобретение №2355072 (классы МПК Н01М 8/10, Н01М 8/02, дата приоритета 03.10.2007, дата публикации 11.05.2009) [3].The closest analogue to the claimed technical solution and therefore adopted as a prototype is a round fuel cell battery, the design of which is described in the RF patent for invention No. 2355072 (IPC classes Н01М 8/10, Н01М 8/02, priority date 03.10.2007, publication date 11.05 .2009) [3].
Согласно изобретению батарея топливных элементов содержит круглые (в плане) комплектующие детали, в частности биполярные пластины с каналами для подвода и отвода анодного, катодного газов и жидкого хладагента. Каждая биполярная сборка состоит из примыкающих друг к другу катодной, средней и анодной металлической пластин. Катодная и анодная пластины снабжены каналами для подвода катодного газа к воздушному и анодного газа к водородному электродам мембрано-электродных сборок, а средняя пластина снабжена каналами для протока жидкого хладагента между катодной и анодной пластинами. Каналы катодной пластины имеют в плане форму спиралей, каналы анодной пластины - форму полуокружностей и каналы средней пластины - форму дугообразных прорезей. Катодный газ в ТЭ подается через отверстия, расположенные в центре биполярной сборки, а отводится с периферии. Подача и отвод анодного газа и хладагента осуществляются с периферии. Входы и выходы катодного и анодного газов, а также хладагента (текучих рабочих сред) расположены оппозитно.According to the invention, the fuel cell battery contains round (in plan) components, in particular bipolar plates with channels for supplying and discharging anode, cathode gases and liquid refrigerant. Each bipolar assembly consists of cathode, middle and anode metal plates adjacent to each other. The cathode and anode plates are provided with channels for supplying cathode gas to the air and anode gas to the hydrogen electrodes of the membrane-electrode assemblies, and the middle plate is equipped with channels for the flow of liquid refrigerant between the cathode and anode plates. The channels of the cathode plate are in the form of spirals, the channels of the anode plate are the shape of semicircles and the channels of the middle plate are the shape of arcuate slots. The cathode gas in the fuel cell is fed through openings located in the center of the bipolar assembly, and is discharged from the periphery. Supply and removal of anode gas and refrigerant are carried out from the periphery. The inputs and outputs of the cathode and anode gases, as well as the refrigerant (fluid working media) are located opposite.
Недостатки заявленного в прототипе технического решения заключаются в следующем.The disadvantages of the prototype of the technical solution are as follows.
Во-первых, каналы катодной полости организованы таким образом, что они существенно отличаются по длине. Неодинаковая длина создает различное гидравлическое сопротивление каналов потоку окислителя, что приводит к неравномерному распределению токообразующей реакции по площади ТЭ. Это обстоятельство снижает эффективность ТЭ и ухудшает коррозионную обстановку в них, что, в свою очередь, уменьшает ресурс их работы.Firstly, the channels of the cathode cavity are organized in such a way that they differ significantly in length. The unequal length creates different hydraulic resistance of the channels to the oxidizer flow, which leads to an uneven distribution of the current-forming reaction over the area of the fuel cell. This circumstance reduces the efficiency of fuel cells and worsens the corrosion situation in them, which, in turn, reduces the resource of their work.
Во-вторых, изолированные друг от друга каналы рабочих сред из-за их вытянутости в тангенциальном направлении являются длинными и поэтому обладают значительным гидравлическим сопротивлением, для преодоления которого в системе обеспечения электрохимического генератора (ЭХГ) требуются побудители расхода этих сред, что приводит к повышению массы, габаритов, энергопотребления и снижению КПД.Secondly, the channels of the working media isolated from each other due to their elongation in the tangential direction are long and therefore have significant hydraulic resistance, in order to overcome which in the system for providing an electrochemical generator (ECG), flow media of these media are required, which leads to an increase in mass , dimensions, energy consumption and lower efficiency.
В-третьих, прототипу присуща большая протяженность пограничного (заторможенного) слоя в потоках текучих рабочих сред, характеризующегося низкими значениями коэффициентов тепломассообмена. Толщина пограничных слоев около стенок каналов при ламинарном режиме течения рабочих сред (а именно такой режим течения практически всегда реализуется в каналах ТЭ) по мере удаления от входа в канал постепенно увеличивается до тех пор, пока эти слои не заполнят все поперечное сечение канала.Thirdly, the prototype is characterized by a large length of the boundary (inhibited) layer in the flows of fluid working media, characterized by low values of heat and mass transfer coefficients. The thickness of the boundary layers near the walls of the channels under the laminar flow regime of working fluids (namely, such a flow regime is almost always realized in the FC channels) gradually increases until these layers fill the entire cross section of the channel as they move away from the channel entrance.
Протяженность этого начального участка нарастания толщины пограничных слоев зависит от значений диаметра канала и числа Рейнольдса. Например, по оценкам, выполненным для прототипа в случае каналов топлива (водорода), соответствующая длина начального участка не превышает 20 мм. Таким образом, основная часть площади ТЭ прототипа работает в наихудших условиях тепломассообмена, снижая эффективность ТЭ и ухудшая теплоотвод из него.The length of this initial section of the increase in the thickness of the boundary layers depends on the values of the channel diameter and the Reynolds number. For example, according to the estimates made for the prototype in the case of fuel (hydrogen) channels, the corresponding length of the initial section does not exceed 20 mm. Thus, the main part of the area of the TE prototype works in the worst heat and mass transfer conditions, reducing the efficiency of the TE and worsening heat dissipation from it.
Задачами заявляемой конструкции биполярной пластины топливного элемента круглой формы являются выравнивание величин потоков топлива, окислителя и хладагента (рабочих сред) по площади биполярной пластины, снижение гидравлического сопротивления каналов топлива, окислителя и хладагента и уменьшение протяженности пограничных слоев.The objectives of the claimed design of the bipolar plate of a round fuel cell are to align the values of the flows of fuel, oxidizer and refrigerant (working media) over the area of the bipolar plate, reduce the hydraulic resistance of the fuel channels, oxidizer and refrigerant and reduce the length of the boundary layers.
Решение поставленных задач заключается в том, что в известной конструкции биполярной пластины ТЭ круглой формы, состоящей из катодной и анодной металлических разделительных пластин с каналами, являющимися впадинами между выполненными штамповкой выступами, с оппозитным расположением входов и выходов каналов рабочих сред, согласно заявляемой конструкции площадь биполярной пластины ТЭ разделена на краевую и центральную зоны. Краевая зона разделена сплошной перегородкой на две части входную и выходную с разрывом в центральной зоне, за счет чего и организовано оппозитное расположение входа и выхода рабочих сред. Обе части краевой зоны содержат прямолинейные радиальные каналы. Прямолинейные радиальные каналы во входной и выходной частях краевой зоны образуют кольцевые группы каналов, которые в свою очередь отделены друг от друга сплошными кольцевыми каналами, расположенными тангенциально по отношению к прямолинейным радиальным каналам. Прямолинейные радиальные каналы в кольцевых группах каналов являются впадинами между выступами, выполненными штамповкой в тонколистовых разделительных пластинах. Выступы могут быть выполнены, например, трапециевидной формы и, например, со скругленными торцами. Расположение прямолинейных радиальных каналов и торцов выступов в соседних кольцевых группах каналов такое, что напротив прямолинейных радиальных каналов одной кольцевой группы находятся торцы выступов другой кольцевой группы каналов.The solution of the tasks lies in the fact that in the known design of the TE bipolar plate is round in shape, consisting of a cathode and anode metal dividing plates with channels, which are the depressions between the protrusions made by stamping, with an opposite arrangement of the inputs and outputs of the working medium channels, according to the claimed design, the bipolar area TE plates are divided into edge and central zones. The marginal zone is divided by a continuous partition into two parts, the input and output ones with a gap in the central zone, due to which the opposite arrangement of the input and output of the working media is organized. Both parts of the edge zone contain rectilinear radial channels. The rectilinear radial channels in the input and output parts of the boundary zone form annular groups of channels, which in turn are separated from each other by continuous annular channels located tangentially with respect to the rectilinear radial channels. The rectilinear radial channels in the annular groups of channels are depressions between the protrusions made by stamping in thin-sheet dividing plates. The protrusions can be made, for example, trapezoidal in shape and, for example, with rounded ends. The location of the rectilinear radial channels and the ends of the protrusions in adjacent annular groups of channels is such that opposite the rectilinear radial channels of one ring group are the ends of the protrusions of the other annular group of channels.
Длина прямолинейных радиальных каналов не превышает длины начального участка для пограничных слоев, рассчитанной по формуле ШиллераThe length of the rectilinear radial channels does not exceed the length of the initial section for the boundary layers calculated by the Schiller formula
где Lнач - длина начального участка, м;where L beg - the length of the initial section, m;
d - гидравлический диаметр канала, м;d is the hydraulic diameter of the channel, m;
ρ - плотность рабочей среды, кг/м3;ρ is the density of the working medium, kg / m 3 ;
u - скорость течения рабочей среды, м/с;u is the flow rate of the working medium, m / s;
η - динамическая вязкость рабочей среды, Па⋅с.η - dynamic viscosity of the working medium, Pa⋅s.
Перемешивание и усреднение потоков рабочих сред, поступающих в центральную зону (входная часть центральной зоны) и выходящих из нее (выходная часть центральной зоны), обеспечено за счет большого количества каналов, находящихся в ней.Mixing and averaging of the flows of working media entering the central zone (inlet of the central zone) and leaving it (outlet of the central zone) is ensured by a large number of channels located in it.
С целью достижения наиболее рационального покрытия центральной зоны каналами длина каналов в центральной зоне составляет от 0,2 до 0,8 длины прямолинейных радиальных каналов краевой зоны и они расположены таким образом, что с их помощью организовано направление потока рабочих сред от входа центральной зоны к выходу из нее.In order to achieve the most rational coverage of the central zone with channels, the length of the channels in the central zone is from 0.2 to 0.8 of the length of the rectilinear radial channels of the edge zone and they are arranged in such a way that they help to organize the flow of working media from the entrance of the central zone to the from her.
Каналы центральной зоны с длиной менее 0,2 длины прямолинейных радиальных каналов трудно изготовить технологически. Кроме того, это может привести к прогибу электродов в центральной зоне при сборке биэлектрода, а в каналах центральной зоны с длиной более 0,8 длины прямолинейных радиальных каналов происходит повышение гидравлического сопротивления во входной и выходной частях центральной зоны.Channels of the central zone with a length of less than 0.2 lengths of straight radial channels are difficult to manufacture technologically. In addition, this can lead to deflection of the electrodes in the central zone during the assembly of the bielectrode, and in the channels of the central zone with a length of more than 0.8 the length of the rectilinear radial channels, the hydraulic resistance increases in the input and output parts of the central zone.
С целью достижения минимальных гидравлических потерь изменение длины каналов центральной части соответствует изменению числа Рейнольдса в этой зоне: минимальное значение числа Рейнольдса получается на входе и выходе из центральной зоны, а максимальное значение числа Рейнольдса достигается на границе между входной и выходной частями центральной зоны.In order to achieve minimal hydraulic losses, a change in the length of the channels of the central part corresponds to a change in the Reynolds number in this zone: the minimum value of the Reynolds number is obtained at the entrance and exit of the central zone, and the maximum value of the Reynolds number is achieved at the boundary between the input and output parts of the central zone.
Заявляемая конструкция биполярной пластины топливного элемента круглой формы иллюстрируется следующими чертежами:The inventive design of the bipolar plate of a round fuel cell is illustrated by the following drawings:
- фиг. 1 - общий вид заявляемой конструкции биполярной пластины топливного элемента круглой формы;- FIG. 1 is a general view of the claimed design of a bipolar plate of a round fuel cell;
- фиг. 2 - фрагмент увеличенного участка заявляемого технического решения (вид А);- FIG. 2 - a fragment of an enlarged section of the claimed technical solution (type A);
- фиг. 3 - фрагмент взаимного расположения прямолинейных радиальных трапециевидных выступов и образованных ими каналов в соседних кольцевых группах каналов;- FIG. 3 is a fragment of the mutual arrangement of rectilinear radial trapezoidal protrusions and the channels formed by them in adjacent annular groups of channels;
- фиг. 4 - фрагмент взаимного расположения прямолинейных радиальных каналов и каналов входной части центральной зоны;- FIG. 4 is a fragment of the mutual arrangement of rectilinear radial channels and channels of the input part of the central zone;
- фиг. 5 - топливный элемент с биполярной пластиной заявляемой конструкции в разрезе.- FIG. 5 - fuel cell with a bipolar plate of the claimed design in section.
Биполярная пластина ТЭ круглой формы (фиг. 1) содержит кант (1), на одной половине которого выполнены входные коллекторные окна (2), а на другой - выходные коллекторные окна (3) для потоков рабочих сред (топлива, окислителя и хладагента). Две зоны: краевую зону, основную по площади, разделенную сплошной перегородкой (4) на входную часть (5) краевой зоны и выходную часть (6) краевой зоны, и центральную зону (7) из двух частей - входной части центральной зоны (8) и выходной части центральной зоны (9).The round bipolar TE plate (Fig. 1) contains a piping (1), on one half of which input collector windows (2) are made, and on the other half, output collector windows (3) for working medium flows (fuel, oxidizer and refrigerant). Two zones: an edge zone, the main in area, divided by a solid partition (4) into the input part (5) of the edge zone and the output part (6) of the edge zone, and the central zone (7) from two parts - the entrance part of the central zone (8) and the output of the Central zone (9).
Краевая зона состоит из прямолинейных радиальных каналов (10), а центральная зона (7) из каналов, расположенных таким образом, что они позволяют осуществить перемешивание и усреднение потоков рабочих сред, поступающих в центральную зону и выходящих из нее.The edge zone consists of rectilinear radial channels (10), and the central zone (7) consists of channels arranged in such a way that they allow mixing and averaging of the fluids of the working media entering and leaving the central zone.
Прямолинейные радиальные каналы (10) входной (5) части и выходной (6) краевой зоны сгруппированы в кольцевые группы каналов (11), например семь кольцевых групп каналов, которые отделены друг от друга кольцеобразными сплошными каналами (12), расположенными к прямолинейным радиальным каналам (10) тангенциально.The rectilinear radial channels (10) of the input (5) part and the output (6) of the edge zone are grouped into annular channel groups (11), for example, seven annular channel groups that are separated from each other by annular solid channels (12) located to the rectilinear radial channels (10) tangentially.
Оппозитность входа и выхода потока рабочей среды обеспечивает сплошная перегородка (4).The positivity of the input and output of the working medium flow is ensured by a continuous partition (4).
На фиг. 1 показаны только каналы одной рабочей среды, например топлива, и только на одной половине биполярной пластины заявляемой конструкции. Точно так же организованы поток рабочей среды и на другой половине, а также потоки других рабочих сред.In FIG. 1 shows only the channels of one working medium, for example fuel, and only on one half of the bipolar plate of the claimed design. The flow of the work environment in the other half, as well as the flows of other work environments, are organized in the same way.
На фиг. 2 показан увеличенный фрагмент участка заявляемого технического решения (вид А), где кольцеобразные сплошные каналы (12), расположенные тангенциально по отношению к прямолинейным радиальным каналам (10), разделяют их на кольцевые группы каналов (11), а сплошная перегородка (4) обеспечивает оппозитность входа и выхода потока рабочей среды. Рабочая среда по прямолинейным радиальным каналам (10) последней кольцевой группы каналов (11) достигает входной части (8) центральной зоны (7).In FIG. 2 shows an enlarged fragment of a portion of the claimed technical solution (view A), where the ring-shaped continuous channels (12) located tangentially with respect to the straight radial channels (10) divide them into ring groups of channels (11), and a solid partition (4) provides the oppositeness of the input and output of the workflow stream. The working medium along rectilinear radial channels (10) of the last annular group of channels (11) reaches the input part (8) of the central zone (7).
На фиг. 3 показано взаимное расположение прямолинейных радиальных, например, трапециевидных выступов (13) и прямолинейных радиальных каналов (10) в соседних кольцевых группах каналов (11). На чертеже видно, что прямолинейные радиальные каналы (10) образованы соседними прямолинейными радиальными выступами (13), а взаимное расположение прямолинейных радиальных каналов (10) и прямолинейных радиальных выступов (13) в соседних кольцевых группах каналов (11) такое, что напротив торцов прямолинейных радиальных выступов одной кольцевой группы каналов расположены прямолинейные радиальные каналы другой кольцевой группы каналов.In FIG. Figure 3 shows the relative position of the straight-line radial, for example, trapezoidal protrusions (13) and straight-line radial channels (10) in adjacent annular groups of channels (11). The drawing shows that the rectilinear radial channels (10) are formed by adjacent rectilinear radial protrusions (13), and the relative position of the rectilinear radial channels (10) and the rectilinear radial protrusions (13) in adjacent annular groups of channels (11) is such that opposite the ends of the rectilinear radial protrusions of one annular group of channels are located rectilinear radial channels of another annular group of channels.
Стрелками на фиг. 3 обозначено движение потока рабочей среды по прямолинейным радиальным каналам (10), образованным соседними прямолинейными радиальными трапециевидными выступами (13), в кольцевых группах каналов (11).The arrows in FIG. Figure 3 shows the movement of the working fluid flow along rectilinear radial channels (10) formed by adjacent rectilinear radial trapezoidal protrusions (13) in the annular groups of channels (11).
Увеличенный фрагмент взаимного расположения прямолинейных радиальных каналов (10) последней кольцевой группы каналов (11) и каналов (14) входной части (8) центральной зоны (7) показан на фиг. 4. Входная (8) и выходная (9) части центральной зоны (7) состоят из большого числа каналов, образованных выступами (15), причем длина каналов в центральной зоне составляет от 0,2 до 0,8 длины прямолинейных радиальных каналов (10) краевой зоны.An enlarged fragment of the mutual arrangement of the rectilinear radial channels (10) of the last annular group of channels (11) and channels (14) of the input part (8) of the central zone (7) is shown in FIG. 4. The input (8) and output (9) parts of the central zone (7) consist of a large number of channels formed by protrusions (15), and the length of the channels in the central zone is from 0.2 to 0.8 of the length of the straight radial channels (10 ) edge zone.
Стрелками обозначено направление движения потока рабочей среды во входную часть (8) центральной зоны (7) из прямолинейных радиальных каналов (10) последней кольцевой группы каналов (11).The arrows indicate the direction of movement of the working fluid flow into the inlet part (8) of the central zone (7) from the rectilinear radial channels (10) of the last annular group of channels (11).
Аналогично взаимно расположены каналы выходной части (9) центральной зоны (7) и прямолинейные радиальные каналы прилегающей к ней кольцевой группы каналов.Similarly, the channels of the outlet part (9) of the central zone (7) and the rectilinear radial channels of the adjacent annular group of channels adjacent to it are mutually arranged.
Топливный элемент, содержащий заявляемую конструкцию биполярной пластины круглой формы, показан на фиг. 5. Он содержит биполярную пластину (16) с полостями топлива (17), окислителя (18) и хладагента (19), топливный электрод (20), окислительный электрод (21) и электролитную матрицу (22).A fuel cell containing the inventive design of a circular bipolar plate is shown in FIG. 5. It contains a bipolar plate (16) with cavities of fuel (17), oxidizer (18) and refrigerant (19), a fuel electrode (20), an oxidizing electrode (21) and an electrolyte matrix (22).
Работа топливного элемента с заявляемой конструкцией биполярной пластины круглой формы происходит следующим образом. На фиг. 3 показано направление движения рабочей среды, например топлива. Поскольку краевая зона биполярной пластины разделена сплошной перегородкой (4) на две части, то топливо из входных коллекторных окон (2) поступает в прямолинейные радиальные каналы (10) первой от его входа кольцевой группы каналов (11) входной части краевой зоны (5) и выходит в первый от входа кольцеобразный сплошной канал (12).The operation of the fuel cell with the claimed design of a circular bipolar plate is as follows. In FIG. 3 shows the direction of movement of the working medium, such as fuel. Since the edge zone of the bipolar plate is divided into two parts by a solid partition (4), the fuel from the inlet manifold windows (2) enters the straight radial channels (10) of the first from the entrance ring group of channels (11) of the inlet of the edge zone (5) and goes into the first from the entrance ring-shaped continuous channel (12).
Топливо проходит по прямолинейным радиальным каналам (10) данной кольцевой группы каналов (11) и поскольку стенки прямолинейных радиальных, например, трапециевидных выступов (13), образующих эти каналы, имеют определенную длину, то при достижении потока топлива концов прямолинейных радиальных каналов (10) соответствующий пограничный слой разрушается, что способствует снижению гидравлического сопротивления потока. Соударение выходящего из прямолинейных радиальных каналов (10) потока топлива с торцами прямолинейных радиальных, например, трапециевидных выступов (13) второй (последующей) кольцевой группы каналов (11), образующих прямолинейные радиальные каналы (10) второй кольцевой группы каналов (11), и смешение потоков топлива, поступивших из других соседних прямолинейных радиальных каналов (10), в кольцеобразном сплошном канале (12) способствует выравниванию гидравлического сопротивления, концентрации топлива и примесей, содержащихся в нем. Эта ситуация многократно повторяется по мере продвижения потока топлива по входной части краевой зоны (5) биполярной пластины к входной части (8) центральной зоны (7).Fuel passes through the straight radial channels (10) of this annular group of channels (11) and since the walls of the straight radial, for example, trapezoidal protrusions (13) forming these channels have a certain length, when the ends of the straight radial channels reach the fuel flow (10) the corresponding boundary layer is destroyed, which helps to reduce the hydraulic resistance of the flow. The impact of the fuel flow coming out from the straight radial channels (10) with the ends of the straight radial, for example, trapezoidal protrusions (13) of the second (subsequent) ring group of channels (11), forming straight radial channels (10) of the second ring group of channels (11), and mixing fuel flows from other neighboring straight linear radial channels (10) in a ring-shaped continuous channel (12) helps to equalize hydraulic resistance, fuel concentration and impurities contained in it. This situation is repeated many times as the fuel flow moves along the inlet part of the edge zone (5) of the bipolar plate to the inlet part (8) of the central zone (7).
Поток топлива, достигая последней кольцевой группы каналов (11), проходит через прямолинейные радиальные каналы (10) и поступает во входную часть (8) центральной зоны (7) (фиг. 4), проходит ее и через выходную часть (9) центральной зоны (7) поступает в первую, от этой части центральной зоны (7), кольцевую группу каналов (11). 3атем, проходя через все остальные кольцевые группы каналов (11) и кольцеобразные сплошные каналы (12) выходной части краевой зоны (6) биполярной пластины, поступает в выходные коллекторные окна (3), расположенные на канте (1).The fuel flow, reaching the last ring group of channels (11), passes through rectilinear radial channels (10) and enters the inlet part (8) of the central zone (7) (Fig. 4), passes it through the outlet part (9) of the central zone (7) enters the first, from this part of the central zone (7), ring group of channels (11). Then, passing through all the other ring groups of channels (11) and ring-shaped continuous channels (12) of the output part of the edge zone (6) of the bipolar plate, it enters the output collector windows (3) located on the edge (1).
Аналогичным образом перемещаются потоки окислителя и хладагента.The flows of oxidizing agent and refrigerant are moved in a similar way.
Наличие в заявляемом техническом решении системы чередующихся кольцевых групп прямолинейных радиальных каналов и расположение их таким образом, что выходы из прямолинейных радиальных каналов одной кольцевой группы каналов расположены против торцевых стенок прямолинейных радиальных выступов, образующих прямолинейные радиальные каналы следующей кольцевой группы каналов, позволяет обеспечить равномерное распределение потоков и концентраций текучих рабочих сред по площади ТЭ и достичь существенного уменьшения толщины пограничных слоев.The presence in the claimed technical solution of the system of alternating annular groups of rectilinear radial channels and their location in such a way that the exits from the rectilinear radial channels of one annular group of channels are located against the end walls of the rectilinear radial protrusions forming rectilinear radial channels of the next annular group of channels, allows for uniform distribution of flows and concentration of fluid working fluids over the area of fuel cells and to achieve a significant reduction in the thickness of the boundary with loy.
Таким образом, заявляемая конструкция биполярной пластины топливного элемента круглой формы обеспечивает повышение эффективности ТЭ, а также ресурса его работоспособности.Thus, the claimed design of the bipolar plate of a round fuel cell provides an increase in the efficiency of the fuel cell, as well as its service life.
Были изготовлены никелевые биполярные пластины щелочных ТЭ круглой формы заявляемой конструкции площадью 700 см2. Пластины соответствовали конструктивным и техническим требованиям заявляемого технического решения. С использованием заявляемых биполярных пластин ТЭ была изготовлена и испытана 32-элементная батарея матричных топливных элементов. Гидравлическое сопротивление батареи составило ≈2,5 кПа при расходе азота 20 нм3/час. Такое гидравлическое сопротивление водородно-кислородного ЭХГ, в котором синтезируемая вода удаляется испарением в поток циркулирующего водорода, позволяет использовать вместо массивного энергоемкого компрессора-побудителя расхода водорода легкий не потребляющий электроэнергии струйный насос, а также уменьшить массу, габариты и энергопотребление побудителей расхода хладагента и окислителя.Were made nickel bipolar plates of alkaline TE round-shaped of the claimed design with an area of 700 cm 2 . The plates corresponded to the structural and technical requirements of the claimed technical solution. Using the claimed bipolar TE plates, a 32-cell matrix fuel cell battery was manufactured and tested. The hydraulic resistance of the battery was ≈2.5 kPa at a nitrogen flow rate of 20 nm 3 / h. Such hydraulic resistance of hydrogen-oxygen ECG, in which the synthesized water is removed by evaporation into the flow of circulating hydrogen, makes it possible to use a lightweight, energy-free jet pump instead of a massive energy-consuming hydrogen flow compressor, as well as to reduce the weight, size and energy consumption of the flow of refrigerant and oxidizer.
Батарея была испытана при следующих условиях: температура 100°С, давление водорода, кислорода и хладагента 4,2 ата, концентрация гидроксида калия в электролите 8,2 моль/л. Вольт-амперная характеристика усредненного ТЭ батареи приведена в таблице 1.The battery was tested under the following conditions: temperature 100 ° C, pressure of hydrogen, oxygen and refrigerant 4.2 ata, potassium hydroxide concentration in the electrolyte 8.2 mol / l. The current-voltage characteristic of the average TE battery is shown in table 1.
Использование биполярной пластины топливного элемента круглой формы заявляемой конструкции позволяет изготавливать высокоэффективные батареи топливных элементов с низким гидравлическим сопротивлением трасс водорода, кислорода и хладагента. Последнее, в свою очередь, резко снижает энергопотребление, массу и габариты соответствующих побудителей расходов в системе обеспечения ЭХГ. Применение батареи с биполярными пластинами заявляемой конструкции, прежде всего, ориентировано на области техники, в которых предъявляются высокие требования к массогабаритным характеристикам изделия, например космическая и авиационная техника, подводные аппараты.The use of a bipolar plate of a round-shaped fuel cell of the claimed design makes it possible to produce highly efficient fuel cell batteries with low hydraulic resistance of hydrogen, oxygen and refrigerant traces. The latter, in turn, sharply reduces the energy consumption, weight and dimensions of the respective cost drivers in the ECG support system. The use of batteries with bipolar plates of the claimed design is primarily focused on the field of technology in which high demands are placed on the weight and size characteristics of the product, for example, space and aviation equipment, underwater vehicles.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ №2231172 «Батарея топливных элементов с мембраной из полимерного электролита».1. RF patent No. 2231172 "Battery of fuel cells with a polymer electrolyte membrane."
2. Патент РФ №2355072 «Батарея топливных элементов».2. RF patent No. 2355072 “Fuel cell battery”.
3. Патент РФ №2516245 «Биполярная пластина топливного элемента круглой формы».3. RF patent No. 2516245 "Bipolar plate of a round fuel cell."
4. Прандтль Л. «Гидроаэромеханика». - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000 г. - 576 с.4. Prandtl L. "Hydroaeromechanics". - Izhevsk: Research Center "Regular and chaotic dynamics", 2000 - 576 p.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016133701A RU2626463C1 (en) | 2016-08-16 | 2016-08-16 | Bipolar plate of fuel round-shaped cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016133701A RU2626463C1 (en) | 2016-08-16 | 2016-08-16 | Bipolar plate of fuel round-shaped cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2626463C1 true RU2626463C1 (en) | 2017-07-28 |
Family
ID=59632222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016133701A RU2626463C1 (en) | 2016-08-16 | 2016-08-16 | Bipolar plate of fuel round-shaped cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2626463C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112038657A (en) * | 2020-09-29 | 2020-12-04 | 西安热工研究院有限公司 | Spiral channel fuel cell bipolar plate |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2231172C2 (en) * | 1998-11-25 | 2004-06-20 | Газ Текнолоджи Инститьют | Pile of fuel elements with membrane of polymer electrolyte |
| WO2006123797A1 (en) * | 2005-05-16 | 2006-11-23 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell and fuel cell stack |
| EP1851816A2 (en) * | 2004-12-22 | 2007-11-07 | HONDA MOTOR CO., Ltd. | Fuel cell system |
| 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 |
| RU2516245C1 (en) * | 2012-11-29 | 2014-05-20 | Открытое акционерное общество "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ" | Bipolar plate of fuel element of round shape |
-
2016
- 2016-08-16 RU RU2016133701A patent/RU2626463C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2231172C2 (en) * | 1998-11-25 | 2004-06-20 | Газ Текнолоджи Инститьют | Pile of fuel elements with membrane of polymer electrolyte |
| EP1851816A2 (en) * | 2004-12-22 | 2007-11-07 | HONDA MOTOR CO., Ltd. | Fuel cell system |
| WO2006123797A1 (en) * | 2005-05-16 | 2006-11-23 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell and fuel cell stack |
| 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 |
| RU2516245C1 (en) * | 2012-11-29 | 2014-05-20 | Открытое акционерное общество "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ" | Bipolar plate of fuel element of round shape |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112038657A (en) * | 2020-09-29 | 2020-12-04 | 西安热工研究院有限公司 | Spiral channel fuel cell bipolar plate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11552319B2 (en) | Bipolar plates for use in electrochemical cells | |
| US9293779B2 (en) | Fuel cell | |
| US7695845B2 (en) | Fuel cell | |
| US6709781B2 (en) | Separators for solid polymer fuel cells and method for producing same, and solid polymer fuel cells | |
| CN106997956B (en) | Fluid flow assembly and fuel cell stack containing same | |
| US20140141352A1 (en) | Fuel cell stack | |
| EP2461403B1 (en) | Air-cooled metal separator for fuel cell and fuel cell stack using same | |
| CN107732278A (en) | Fuel-cell stack assembly | |
| US10797324B2 (en) | Power generation cell | |
| JPH06267559A (en) | Fuel cell | |
| CN110828843A (en) | Bipolar plate of fuel cell | |
| CN105591121A (en) | Fuel cell separator, fuel cell and fuel cell battery | |
| RU2626463C1 (en) | Bipolar plate of fuel round-shaped cell | |
| CN113948734B (en) | fuel cell stack | |
| US9147891B2 (en) | Fuel cell stack | |
| CN117448860A (en) | Bipolar plate, electrolytic tank and hydrogen production system | |
| US9905862B2 (en) | Fuel cell | |
| RU2723294C1 (en) | Bipolar plate for stacks of fuel cells | |
| KR101965473B1 (en) | Fuel cell component having dimensions selected to maximize a useful area | |
| JP2022552703A (en) | Fuel cell | |
| RU2516245C1 (en) | Bipolar plate of fuel element of round shape | |
| KR102032650B1 (en) | Separator and fuel cell including the separator | |
| CN113161567B (en) | Single cell for fuel cell and fuel cell | |
| CN112993304B (en) | Gradient corrugated flow field structure | |
| EP4354557A1 (en) | Separator for fuel cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190817 |