RU2803926C1 - Bipolar fuel cell plate - Google Patents

Bipolar fuel cell plate Download PDF

Info

Publication number
RU2803926C1
RU2803926C1 RU2023117071A RU2023117071A RU2803926C1 RU 2803926 C1 RU2803926 C1 RU 2803926C1 RU 2023117071 A RU2023117071 A RU 2023117071A RU 2023117071 A RU2023117071 A RU 2023117071A RU 2803926 C1 RU2803926 C1 RU 2803926C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channels
hexagon
parts
straight
elements
Prior art date
Application number
RU2023117071A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Анатольевич Соколов
Игорь Казимирович Ландграф
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи")
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи")
Application granted granted Critical
Publication of RU2803926C1 publication Critical patent/RU2803926C1/en

Links

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: bipolar plate of a fuel cell, which contains two identical thin-sheet elements with a corrugated relief. The elements of the bipolar plate are connected by contour welds with a preliminary rotation relative to each other by 180°, while the corrugated relief is made in an equilateral hexagonal active region in the form of rectilinear and wavy channels, with one collector located opposite each side of the hexagon. The wavelike and straight parts of the channels are connected to each other at the intersection points of the diagonals of the hexagon, where they repeatedly change directions by 60° with a total rotation of 180° around the center of symmetry with subsequent connection with wavelike parts with a simultaneous change of direction by 120°.
EFFECT: increasing the reliability of the bipolar plate, as well as expanding the layout capabilities.
6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую, в частности к конструкции биполярной пластины топливного элемента (ТЭ).The invention 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 аналоги биполярных пластин ТЭ состоящие из двух соединенных (пайкой или сваркой) тонколистовых элементов с активной областью, содержащей гофрированный рельеф на каждом элементе с образованием каналов снаружи для газов (топлива и окислителя) и внутри для охлаждающей среды, а также коллекторов для подачи газовых и охлаждающих сред в активную область биполярных пластин ТЭ (см., например, патенты RU 2516245 от 29.11.2012; RU 2328060 от 23.11.2006).There are known analogues of bipolar FC plates consisting of two thin-sheet elements connected (by soldering or welding) with an active region containing a corrugated relief on each element with the formation of channels outside for gases (fuel and oxidizer) and inside for a cooling medium, as well as manifolds for supplying gas and cooling media into the active region of bipolar FC plates (see, for example, patents RU 2516245 dated November 29, 2012; RU 2328060 dated November 23, 2006).

Известна также конструкция биполярной пластины ТЭ (см. патент RU 2723294 от 30.12.2019), содержащая два одинаковых и соединенных сваркой, с предварительным разворотом на 180° друг относительно друга, металлических тонколистовых элемента. Последние содержат в средней части активную область прямоугольной формы с гофрированным рельефом в виде волнообразных параллельных каналов. На наружных сторонах пластин выполнены отверстия, образующие коллекторы при сборке пластин ТЭ друг с другом, для подачи как газов (топлива и окислителя), так и охлаждающей среды.The design of a bipolar TE plate is also known (see patent RU 2723294 dated December 30, 2019), containing two identical thin-sheet metal elements connected by welding, with a preliminary rotation of 180° relative to each other. The latter contain in the middle part an active region of a rectangular shape with a corrugated relief in the form of wavy parallel channels. On the outer sides of the plates there are holes that form collectors when assembling the FC plates with each other, for supplying both gases (fuel and oxidizer) and a cooling medium.

Известна также конструкция биполярной пластины ТЭ (см. патент РФ №2785834 от 17.08.2022), содержащая два одинаковых и соединенных контурными швами, с предварительным поворотом вокруг оси поворота на 180° друг относительно друга, металлических тонколистовых элемента, с внешним контуром, с активной областью, содержащей гофрированный рельеф в виде прямолинейных и волнообразных каналов, коллекторы газовые и охлаждающей среды, сообщающиеся с активной областью.The design of a bipolar TE plate is also known (see RF patent No. 2785834 dated 08/17/2022), containing two identical and connected by contour seams, with a preliminary rotation around the rotation axis by 180° relative to each other, metal thin-sheet elements, with an external contour, with an active an area containing corrugated relief in the form of straight and wavy channels, gas and cooling medium collectors communicating with the active area.

Указанная конструкция биполярной пластины ТЭ является наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемого устройства и принимается за прототип.The specified design of a bipolar TE plate is the closest analogue of the claimed device in technical essence and is taken as a prototype.

Недостатками технических решений аналога являются:The disadvantages of analogue technical solutions are:

1. Отсутствие формы поверхности активной области биполярной пластины в виде равностороннего правильного шестиугольника, не дает возможности располагать у каждой его стороны по одному коллектору, что снижает равномерность распределения рабочих сред между коллекторами и активной областью и надежность пластины в составе ТЭ в батарее ТЭ.1. The absence of the shape of the surface of the active region of the bipolar plate in the form of an equilateral regular hexagon does not make it possible to place one collector on each side, which reduces the uniformity of distribution of working media between the collectors and the active region and the reliability of the plate as part of the fuel cell in the fuel cell battery.

2. Отсутствие у активной области центра симметрии и диагоналей, одна из которых совпадает с осью поворота, не позволяет располагать, с каждой стороны от оси поворота, одноименные газовые коллекторы с коллектором охлаждающей среды между ними под углом в 120°, что снижает компоновочные возможности формирования участков с гофрированным рельефом.2. The absence of a center of symmetry and diagonals in the active region, one of which coincides with the rotation axis, does not allow the placement of gas collectors of the same name with a coolant collector between them at an angle of 120° on each side of the rotation axis, which reduces the layout capabilities of the formation areas with corrugated relief.

3. Отсутствие у активной области формы правильного равностороннего шестиугольника с диагоналями, не позволяет выполнить каналы газовой среды в виде чередования прямолинейных частей, изменяющих направления в точках пересечения с диагоналями и не позволяет выполнить в элементах волнообразные части каналов, параллельные только одному коллектору с охлаждающей средой с монотонным уменьшением длины волнообразных частей в направлении к оси поворота. Это не дает возможности уменьшить площадь сложного по конструкции участка с волнообразными каналами, занимающего более 60% в активной области.3. The absence of a regular equilateral hexagon with diagonals in the active region does not allow the gas medium channels to be made in the form of alternating rectilinear parts that change directions at the points of intersection with the diagonals and does not allow the elements to have wavy parts of the channels parallel to only one collector with a cooling medium with a monotonous decrease in the length of the wavy parts in the direction towards the axis of rotation. This does not make it possible to reduce the area of a complex section with wavy channels, which occupies more than 60% of the active region.

4. Отсутствие у активной области центра симметрии не позволяет прямолинейным частям каналов, при смене направлений, выполнить общий поворот на 180° вокруг центра симметрии с последующим соединением с волнообразными частями. Это не дает возможности равномерной компоновки каналов на участках с гофрированным рельефом.4. The absence of a center of symmetry in the active region does not allow the rectilinear parts of the channels, when changing directions, to perform a general rotation of 180° around the center of symmetry with subsequent connection with the wavy parts. This does not allow for a uniform layout of channels in areas with corrugated terrain.

5. Наличие в полости охлаждающей среды вариантов конфигураций каналов значительной сложности с общим направлением среды от коллектора к противоположному коллектору, может снижать надежность при прохождении охлаждающей среды в каналах активной области.5. The presence in the cooling medium cavity of variants of channel configurations of significant complexity with the general direction of the medium from the collector to the opposite collector can reduce the reliability when the cooling medium passes through the channels of the active region.

6. Внешний контур биполярной пластины, отличающийся от правильного шестиугольника, не позволяет создать батарею ТЭ с возможностью плотной компоновки ее в полости шестиугольного поперечного сечения, или нескольких батарей ТЭ друг с другом. Это существенно снижает компоновочные возможности.6. The external contour of the bipolar plate, which differs from a regular hexagon, does not allow creating a FC battery with the possibility of densely arranging it in a cavity of a hexagonal cross-section, or several FC batteries with each other. This significantly reduces layout capabilities.

7. Внешний контур биполярной пластины, отличающийся от окружности, не позволяет создать батарею ТЭ с возможностью плотной компоновки ее в полости с круглым поперечным сечением. Это существенно снижает компоновочные возможности.7. The external contour of the bipolar plate, which differs from a circle, does not allow creating a FC battery with the possibility of densely arranging it in a cavity with a circular cross-section. This significantly reduces layout capabilities.

8. Отсутствие контурных сварных швов в виде смежных пересекающихся линейных отрезков швов, с несовпадением точек пересечения отрезков с точками границ длины у смежных отрезков, может привести к значительным сварочным деформациям, что снижает надежность биполярной пластины.8. The absence of contour welds in the form of adjacent intersecting linear segments of seams, with a mismatch of the intersection points of the segments with the length boundary points of adjacent segments, can lead to significant welding deformations, which reduces the reliability of the bipolar plate.

Техническим результатом заявляемой конструкции биполярной пластины ТЭ, при устранении указанных недостатков, является упрощение конструкции, повышение надежности и расширение компоновочных возможностей.The technical result of the proposed design of a bipolar TE plate, while eliminating the indicated disadvantages, is to simplify the design, increase reliability and expand layout capabilities.

Указанный результат достигается за счет того, что биполярная пластина ТЭ с двумя одинаковыми и соединенными контурными сварными швами, с предварительным поворотом вокруг оси поворота на 180° друг относительно друга, металлическими тонколистовыми элементами, с внешним контуром, с активной областью, содержащей гофрированный рельеф в виде прямолинейных и волнообразных каналов, коллекторы газовые и охлаждающей среды, сообщающиеся с активной областью, при этом поверхность активной области выполнена в форме равностороннего правильного шестиугольника. С каждой стороны шестиугольника расположены по одному коллектору, два с топливом (водород), два с окислителем (воздух) и два с охлаждающей средой. Ось поворота совпадает с одной из диагоналей и центром симметрии шестиугольника. С двух сторон от оси поворота и параллельно оси расположены коллекторы с охлаждающей средой, причем каждый из них расположен между смежных с ним одноименных газовых коллекторов под углом в 120°. Гофрированный рельеф в элементах, между коллекторов с одноименной газовой средой, выполнен с каналами, параллельными сторонам шестиугольника. Каналы выполнены как в виде прямолинейных частей, так и в виде волнообразных частей. Последние расположены только у одного коллектора с охлаждающей средой. Длина волнообразных частей монотонно уменьшается в направлении к оси поворота. Площадь участка с волнообразными каналами составляет около 16% от площади активной области. Прямолинейные части соединены друг с другом и меняют направление на 60° в точках пересечения с диагоналями шестиугольника. Все каналы с прямолинейными частями, при смене направлений их частей, выполнены с общим поворотом на 180° в одну сторону вокруг центра симметрии шестиугольника. После чего прямолинейные каналы плавно соединены с волнообразными каналами с одновременной сменой направления на 120°.This result is achieved due to the fact that a bipolar TE plate with two identical and connected contour welds, with a preliminary rotation around the rotation axis by 180° relative to each other, metal thin-sheet elements, with an external contour, with an active area containing a corrugated relief in the form rectilinear and wavy channels, gas and cooling medium collectors communicating with the active region, while the surface of the active region is made in the form of an equilateral regular hexagon. On each side of the hexagon there is one collector, two with fuel (hydrogen), two with oxidizer (air) and two with coolant. The rotation axis coincides with one of the diagonals and the center of symmetry of the hexagon. On both sides of the rotation axis and parallel to the axis there are manifolds with a cooling medium, each of them located between adjacent gas manifolds of the same name at an angle of 120°. The corrugated relief in the elements, between the collectors with the same gas medium, is made with channels parallel to the sides of the hexagon. The channels are made both in the form of straight parts and in the form of wavy parts. The latter are located only at one manifold with the cooling medium. The length of the wavy parts monotonically decreases towards the axis of rotation. The area of the area with wavy channels is about 16% of the area of the active region. The straight parts are connected to each other and change direction by 60° at the points of intersection with the diagonals of the hexagon. All channels with straight parts, when changing the directions of their parts, are made with a general rotation of 180° in one direction around the center of symmetry of the hexagon. After which the straight channels are smoothly connected to the wavy channels with a simultaneous change of direction by 120°.

Внутренние каналы, между элементами пластины, для охлаждающей среды, выполнены, по меньшей мере, с тремя разновидностями участков. На одном - каналы образованы при поперечном пересечении прямолинейными каналами одного элемента прямолинейных каналов второго элемента. На втором - каналы образованы при продольном пересечении прямолинейными каналами одного элемента волнообразных каналов второго элемента на участках между вершинами и впадинами волн в каждой волне. На третьем - каналы образованы при совпадении прямолинейных каналов одной пластины с прямолинейными каналами другой пластины.The internal channels between the plate elements for the cooling medium are made with at least three types of sections. On one, the channels are formed when the rectilinear channels of one element cross the rectilinear channels of the second element. In the second, the channels are formed when the straight channels of one element longitudinally intersect the wavy channels of the second element in the areas between the peaks and troughs of the waves in each wave. In the third, the channels are formed when the straight channels of one plate coincide with the straight channels of another plate.

Внешний контур пластины выполнен в форме правильного шестиугольника с совпадающими диагоналями и центром симметрии с шестиугольником активной области. Возможно и другое исполнение, в котором внешний контур пластины выполнен в форме правильного шестиугольника с диагоналями шестиугольника, расположенными между диагоналей шестиугольника активной области.The outer contour of the plate is made in the shape of a regular hexagon with coinciding diagonals and a center of symmetry with the hexagon of the active region. Another design is also possible, in which the outer contour of the plate is made in the shape of a regular hexagon with the diagonals of the hexagon located between the diagonals of the hexagon of the active region.

Внешний контур пластины также может быть выполнен в форме окружности с центром, совпадающим с центром симметрии шестиугольника активной области.The outer contour of the plate can also be made in the shape of a circle with a center coinciding with the center of symmetry of the hexagon of the active region.

Контурную сварку осуществляют по внешнему периметру пластины и вокруг газовых коллекторов. При этом сварные швы предпочтительно выполнены в виде смежных пересекающихся линейных отрезков швов. Причем точки пересечения отрезков не совпадают с точками границ длины у смежных отрезков.Contour welding is carried out along the outer perimeter of the plate and around the gas manifolds. In this case, the welds are preferably made in the form of adjacent intersecting linear sections of seams. Moreover, the intersection points of the segments do not coincide with the points of the length boundaries of adjacent segments.

Заявленное техническое решение проиллюстрировано графическими материалами, где:The claimed technical solution is illustrated with graphic materials, where:

На фиг.1 изображен тонколистовой металлический элемент биполярной пластины ТЭ с совпадающими центрами симметрий и диагоналями шестиугольников активной области и внешнего контура;Figure 1 shows a thin-sheet metal element of a bipolar FC plate with coinciding centers of symmetry and diagonals of hexagons of the active region and external contour;

На фиг.2 изображена биполярная пластина ТЭ из двух, соединенных сваркой элементов с фиг.1;Figure 2 shows a bipolar TE plate consisting of two elements connected by welding from figure 1;

На фиг.3 изображена биполярная пластина ТЭ с диагоналями шестиугольников активной области и внешнего контура, расположенных между друг другом;Figure 3 shows a bipolar TE plate with diagonals of hexagons of the active region and the outer contour located between each other;

На фиг.4 изображена биполярная пластина ТЭ с внешним контуром в форме окружности;Figure 4 shows a bipolar TE plate with an external contour in the shape of a circle;

На фиг.5 (элемент А с фиг.2) изображен фрагмент участка пересечения прямолинейными каналами волнообразных каналов между элементами в активной области;Figure 5 (element A from figure 2) shows a fragment of the area where straight channels intersect wavy channels between elements in the active region;

На фиг.6 (элемент Б с фиг.2) изображен фрагмент контурного сварного шва с местом пересечения линейных отрезков швов.Figure 6 (element B from figure 2) shows a fragment of a contour weld with the intersection of the linear sections of the seams.

Биполярная пластина ТЭ состоит из металлических тонколистовых элементов 1 с активной областью 2 в форме правильного шестиугольника 3, где содержится гофрированный рельеф в виде параллельных волнообразных каналов 4 и в виде параллельных прямолинейных каналов 5. Напротив каждой стороны 6 шестиугольника активной области 2 расположены отверстия, образующие коллекторы 7, 8, 9, 10, 11, 12. Коллекторы охлаждающей среды 7 и 8 расположены напротив друг друга, параллельно оси поворота 13 и между смежными с ними, под углом в 120°, одноименными газовыми коллекторами 9 и 10 (водородные), 11 и 12 (воздушные). Ось поворота 13 одновременно является и одной из диагоналей 14 шестиугольной активной области 2 с центром симметрии 15. Волнообразные каналы 4 выполнены частями 32 и расположены в элементах 1 параллельно только одной стороне 6 шестиугольника 3 напротив одного коллектора охлаждающей среды 7. Длина частей 32 каналов 4 последовательно уменьшается от коллектора 7 до оси поворота 13. Прямолинейные каналы 5 выполнены, от газового коллектора 9, частями 16 параллельными сторонам шестиугольника 3 и соединены друг с другом в точках 17 пересечения с диагоналями 14 с одновременной сменой направлений на углы в 60° и с общим поворотом на 180° в одну сторону вокруг центра симметрии 15 до соединения с волнообразными частями 32 с одновременной сменой направления на 120° и заканчиваются у газового коллектора 10. Полости газовых коллекторов 9, 10, 11, 12 соединены каналами сообщений 18 с активной областью 2 с наружных сторон элементов 1. Полости коллекторов 7, 8 с охлаждающей средой соединены с активной областью 2, между элементами 1, каналами сообщений 19. По внешнему контуру элементов 1 и вокруг всех коллекторов выполнены уплотнительные канавки 20 и 21, соответственно, причем указанные канавки совпадают друг с другом со стороны внешнего контура 28. Элементы 1 герметично соединены между собой, по внешнему периметру и вокруг газовых коллекторов, сварными контурными швами 22. Перед сваркой элементы 1 поворачивают друг относительно друга на 180° вокруг оси поворота 13 и взаимно фиксируются с использованием центровочных отверстий 27. В полости охлаждающей среды, в активной области 2 биполярной пластины, образованы три разновидности участков 23, 24 и 33 для движения охлаждающей среды, например, от коллектора 7 к коллектору 8 в направлении перпендикулярном оси поворота 13. На участке 23 прямолинейные каналы 5 одного элемента 1 пересекают продольно и многократно волнообразные каналы 4 другого элемента 1 между вершинами 25 и впадинами 26 в каждой волне. На участке 24 прямолинейные каналы 5 одного элемента 1 пересекают поперечно каналы 5 другого элемента 1. На участке 33 прямолинейные каналы 5 одного элемента 1 совпадают с прямолинейными каналами 5 другого элемента 1. Внешний контур 28 биполярной пластины может быть выполнен:The bipolar FC plate consists of metal thin-sheet elements 1 with an active area 2 in the shape of a regular hexagon 3, which contains a corrugated relief in the form of parallel wave-like channels 4 and in the form of parallel straight channels 5. Opposite each side 6 of the hexagon of the active area 2 there are holes that form collectors 7, 8, 9, 10, 11, 12. Cooling medium manifolds 7 and 8 are located opposite each other, parallel to the axis of rotation 13 and between the gas manifolds of the same name 9 and 10 (hydrogen), adjacent to them, at an angle of 120°, 11 and 12 (air). The axis of rotation 13 is also one of the diagonals 14 of the hexagonal active region 2 with a center of symmetry 15. The wavy channels 4 are made in parts 32 and are located in the elements 1 parallel to only one side 6 of the hexagon 3 opposite one coolant collector 7. The length of the parts 32 channels 4 is in series decreases from the manifold 7 to the axis of rotation 13. The straight channels 5 are made, from the gas manifold 9, in parts 16 parallel to the sides of the hexagon 3 and are connected to each other at points 17 of intersection with the diagonals 14 with a simultaneous change of directions at angles of 60° and with a general rotation 180° in one direction around the center of symmetry 15 until connected to the wavy parts 32 with a simultaneous change of direction by 120° and end at the gas manifold 10. The cavities of the gas manifolds 9, 10, 11, 12 are connected by communication channels 18 with the active area 2 from the outside sides of the elements 1. The cavities of the collectors 7, 8 with the cooling medium are connected to the active area 2, between the elements 1, communication channels 19. Along the outer contour of the elements 1 and around all the collectors, sealing grooves 20 and 21 are made, respectively, and these grooves coincide with each other each other from the side of the external contour 28. Elements 1 are hermetically connected to each other, along the outer perimeter and around the gas collectors, by contour welds 22. Before welding, elements 1 are rotated relative to each other by 180° around the axis of rotation 13 and are mutually fixed using centering holes 27 In the cavity of the cooling medium, in the active region 2 of the bipolar plate, three types of sections 23, 24 and 33 are formed for the movement of the cooling medium, for example, from the collector 7 to the collector 8 in the direction perpendicular to the axis of rotation 13. In the section 23 there are straight channels 5 of one element 1 are crossed longitudinally and repeatedly by wave-like channels 4 of another element 1 between the peaks 25 and troughs 26 in each wave. In section 24, the rectilinear channels 5 of one element 1 cross transversely the channels 5 of another element 1. In section 33, the rectilinear channels 5 of one element 1 coincide with the rectilinear channels 5 of another element 1. The outer contour 28 of the bipolar plate can be made:

- в форме правильного шестиугольника с совпадающими диагоналями 14 и центром симметрии 15 шестиугольника 3;- in the shape of a regular hexagon with coinciding diagonals 14 and a center of symmetry 15 of hexagon 3;

- в форме правильного шестиугольника с общим центром симметрии 15 с шестиугольником 3 активной области 2 и с диагоналями 14, расположенными между диагоналей шестиугольника 3 активной области 2;- in the form of a regular hexagon with a common center of symmetry 15 with hexagon 3 of active area 2 and with diagonals 14 located between the diagonals of hexagon 3 of active area 2;

- в форме окружности с центром, совпадающим с центром симметрии 15 шестиугольника 3 активной области 2.- in the shape of a circle with a center coinciding with the center of symmetry 15 of the hexagon 3 of the active area 2.

Контурные сварные швы 22 выполнены в виде смежных пересекающихся линейных отрезков 29 швов. Точки 30, пересечения отрезков 29, не совпадают с точками 31 границ длины у смежных отрезков 29.The contour welds 22 are made in the form of adjacent intersecting linear sections 29 of the seams. Points 30, intersections of segments 29, do not coincide with points 31 of the length boundaries of adjacent segments 29.

Биполярная пластина ТЭ может работать только в составе батареи ТЭ, где должны чередоваться указанные пластины ТЭ с мембранно-электродными блоками (МЭБ) (на чертежах не показано). С одной стороны МЭБ образует с биполярными пластинами ТЭ полости топлива (водорода) в частях 16 и 32 каналов 4 и 5, с одной стороны активной области 2, с другой стороны - полости окислителя (воздуха) также в частях 16 и 32 каналов 4 и 5 активной области 2. Уплотнения, как между полостями, так и с внешней средой, осуществляется при помощи прокладок (на черт, не показаны) в уплотнительных канавках 20 и 21 при сжатии ТЭ в единый пакет в батарее. Пространственное положение биполярных пластин ТЭ может быть вертикальным, где коллекторы 7 и 8 охлаждающей среды должны находиться, соответственно, снизу и сверху, или горизонтальным. При вертикальном расположении пластин, вход охлаждающей среды производится через нижний коллектор 7, а выход через верхний коллектор 8, что гарантирует воздухоудаление в каналах полости охлаждающей среды. При этом вход и выход газовых сред может производиться между коллекторами 9 и 10 (водород) и 11 и 12 (воздух) в любой последовательности. При горизонтальном расположении пластин вход и выход всех сред может быть с любой стороны расположения коллекторов. Движение газовой среды, например, водорода, в пределах пластины, может начинаться с входного коллектора 9, далее по каналам 18 сообщений газ попадает на наружную поверхность активной области 2 в элементе 1, затем в прямолинейные каналы 5, где движется по прямолинейным частям 16 параллельно сторонам 6 шестиугольника 3 активной области 2 с изменением направления на 60° в точках 17 пересечения с диагоналями 14 шестиугольника 3. При таком изменении направления движения в прямолинейных каналах 5, общий поворот газа в одну сторону, вокруг центра 15 симметрии шестиугольника 3, доходит до 180°. После чего, газ из частей 16 прямолинейных каналов 5 плавно переходит в части 32 волнообразных каналов 4 с изменением направления на 120°, после этого, по каналам 18 сообщений выходит в выходной коллектор 10. Движение другой газовой среды, воздуха, начинается, например, с входного коллектора 11 и заканчивается в выходном коллекторе 12. При этом, состав каналов между указанными коллекторами полностью совпадает с предыдущим описанием каналов для водорода, но с расположением каналов на обратной стороне пластины ТЭ. Движение охлаждающей среды начинается от входного коллектора 7, далее по каналам 19 сообщений в активную область 2 с тремя разновидностями участков 23, 24 и 33. На участке 23 движение идет по каналам, образованным при продольном пересечении прямолинейными частями 16 каналов 5 одного элемента 1, волнообразных частей 32 каналов 4 второго элемента 1 между вершинами 25 и впадинами 26 волн в каждой волне. На участке 24 движение идет по каналам, образованным при поперечном пересечении прямолинейными частями 16 каналов 5 одного элемента 1 аналогичных каналов у второго элемента 1. На участке 33 движение идет по совпадающим у обоих элементов 1 прямолинейным частям 16 каналов 5. Далее охлаждающая среда движется по каналам 19 сообщений в выходной коллектор 8.A bipolar FC plate can only operate as part of a FC battery, where the specified FC plates must alternate with membrane-electrode units (MEB) (not shown in the drawings). On the one hand, the MEA forms, with the bipolar FC plates, cavities of fuel (hydrogen) in parts 16 and 32 of channels 4 and 5, on the one hand, active region 2, on the other hand, cavities of the oxidizer (air) also in parts 16 and 32 of channels 4 and 5 active area 2. Sealing, both between the cavities and with the external environment, is carried out using gaskets (not shown) in the sealing grooves 20 and 21 when the fuel cell is compressed into a single package in the battery. The spatial position of the bipolar FC plates can be vertical, where the coolant collectors 7 and 8 should be located, respectively, below and above, or horizontal. When the plates are arranged vertically, the cooling medium enters through the lower manifold 7, and the exit through the upper manifold 8, which guarantees air removal in the channels of the cooling medium cavity. In this case, the entry and exit of gaseous media can be made between collectors 9 and 10 (hydrogen) and 11 and 12 (air) in any sequence. With a horizontal arrangement of the plates, the inlet and outlet of all media can be on either side of the collectors. The movement of a gaseous medium, for example, hydrogen, within the plate, can begin from the input manifold 9, then through the communication channels 18 the gas enters the outer surface of the active region 2 in the element 1, then into the straight channels 5, where it moves along the straight parts 16 parallel to the sides 6 hexagon 3 of the active area 2 with a change in direction by 60° at the points 17 of intersection with the diagonals 14 of the hexagon 3. With such a change in the direction of movement in the rectilinear channels 5, the overall rotation of the gas in one direction, around the center 15 of symmetry of the hexagon 3, reaches 180° . After which, gas from parts 16 of straight channels 5 smoothly passes into parts of 32 wave-shaped channels 4 with a change in direction by 120°, after which, through channels 18 messages, it exits into the output manifold 10. The movement of another gaseous medium, air, begins, for example, with input collector 11 and ends in the output collector 12. In this case, the composition of the channels between these collectors completely coincides with the previous description of the channels for hydrogen, but with the location of the channels on the back side of the fuel cell plate. The movement of the cooling medium begins from the input manifold 7, then through the channels 19 messages into the active area 2 with three types of sections 23, 24 and 33. In section 23, the movement occurs along the channels formed by the longitudinal intersection of the straight parts 16 of the channels 5 of one element 1, wavy parts 32 channels 4 of the second element 1 between the peaks 25 and troughs 26 of the waves in each wave. In section 24, the movement occurs along channels formed by the transverse intersection of the straight parts 16 of channels 5 of one element 1 with similar channels in the second element 1. In section 33, movement occurs along the rectilinear parts 16 of channels 5 that coincide with both elements 1. Next, the cooling medium moves through the channels 19 messages to output collector 8.

Предлагаемая биполярная пластина ТЭ позволяет достичь следующих результатов:The proposed bipolar TE plate allows achieving the following results:

1. Упростить конструкцию за счет существенного уменьшения площади занимаемой волнообразными каналами в активной области.1. Simplify the design by significantly reducing the area occupied by wave-shaped channels in the active region.

2. Повысить надежность в работе за счет:2. Increase operational reliability due to:

- равномерного расположения коллекторов с рабочими средами по периметру шестиугольной активной области;- uniform arrangement of collectors with working media around the perimeter of the hexagonal active region;

- упрощения конструкций каналов для охлаждающей среды в активной области;- simplifying the design of channels for the cooling medium in the active region;

- исключения сварочных деформаций биполярной пластины ТЭ.- elimination of welding deformations of the bipolar plate of the fuel cell.

3. Повысить компоновочные возможности за счет:3. Increase layout capabilities due to:

- расположения одноименных газовых коллекторов, с коллектором охлаждающей среды между ними, с каждой стороны от оси поворота;- location of gas manifolds of the same name, with a coolant manifold between them, on each side of the rotation axis;

- выполнения смены направлений частей прямолинейных каналов и общего их поворота на 180° вокруг центра симметрии шестиугольника активной области;- changing the directions of parts of rectilinear channels and their general rotation by 180° around the center of symmetry of the hexagon of the active region;

- выполнения внешнего контура биполярной пластины ТЭ в форме правильного шестиугольника или окружности для возможности плотной компоновки батареи ТЭ с указанными пластинами в полостях с шестиугольным или круглым поперечным сечением.- making the outer contour of the bipolar FC plate in the shape of a regular hexagon or circle to allow a dense arrangement of the FC battery with the specified plates in cavities with a hexagonal or circular cross-section.

Claims (6)

1. Биполярная пластина топливного элемента, содержащая два одинаковых и соединенных контурными сварными швами с предварительным поворотом вокруг оси поворота на 180° друг относительно друга, металлических тонколистовых элемента, с внешним контуром, с активной областью, содержащей гофрированный рельеф в виде прямолинейных и волнообразных каналов, коллекторы, газовые и охлаждающей среды, сообщающиеся с активной областью, отличающаяся тем, что поверхность активной области выполнена в форме равностороннего правильного шестиугольника с расположением у каждой его стороны по одному коллектору, с осью поворота, совпадающей с одной из диагоналей и центром симметрии шестиугольника, при этом в пластине, с двух сторон от оси поворота и параллельно последней, расположены коллекторы с охлаждающей средой, причем каждый из них расположен между смежных с ним одноименных газовых коллекторов, при этом гофрированный рельеф в элементах, между коллекторов с одноименной газовой средой, выполнен в виде частей каналов, параллельных сторонам шестиугольника, причем как прямолинейными частями, так и расположенными только у одного коллектора с охлаждающей средой волнообразными частями, причем длина последних уменьшается к оси поворота, при этом прямолинейные части соединены друг с другом и меняют направления на 60° в точках пересечения с диагоналями шестиугольника, при этом все каналы с прямолинейными частями, при смене направлений частей, выполнены с общим поворотом на 180° в одну сторону вокруг центра симметрии шестиугольника и затем плавно соединены с частями волнообразных каналов с одновременной сменой направления на 120°, при этом внутренние каналы, между элементами пластины, для охлаждающей среды, выполнены в местах пересечения гофрированных рельефов у элементов.1. Bipolar plate of a fuel cell containing two identical and connected by contour welds with a preliminary rotation around the rotation axis by 180° relative to each other, metal thin-sheet elements, with an external contour, with an active region containing a corrugated relief in the form of straight and wavy channels, collectors, gas and cooling media communicating with the active area, characterized in that the surface of the active area is made in the form of an equilateral regular hexagon with one collector located on each side, with the axis of rotation coinciding with one of the diagonals and the center of symmetry of the hexagon, with In this case, in the plate, on both sides of the rotation axis and parallel to the latter, there are collectors with a cooling medium, and each of them is located between adjacent gas collectors of the same name, while the corrugated relief in the elements, between the collectors with the same gas medium, is made in the form parts of channels parallel to the sides of the hexagon, both straight parts and wavy parts located only at one collector with the cooling medium, the length of the latter decreasing towards the axis of rotation, while the straight parts are connected to each other and change directions by 60° at the intersection points with hexagon diagonals, while all channels with straight parts, when changing the directions of the parts, are made with a general rotation of 180° in one direction around the center of symmetry of the hexagon and then smoothly connected to parts of the wavy channels with a simultaneous change of direction by 120°, while the internal channels between the plate elements for the cooling medium are made at the intersection of the corrugated reliefs of the elements. 2. Биполярная пластина по п. 1, отличающаяся тем, что внутренние каналы, между элементами пластины, для охлаждающей среды, выполнены, по меньшей мере, с тремя разновидностями участков, на одном - при поперечном пересечении прямолинейными каналами одного элемента прямолинейных каналов второго элемента, на втором - при продольном пересечении прямолинейными каналами одного элемента волнообразных каналов второго элемента между вершинами и впадинами волн в каждой волне, на третьем - при совпадении прямолинейных каналов у обоих элементов.2. Bipolar plate according to claim 1, characterized in that the internal channels between the elements of the plate for the cooling medium are made with at least three types of sections, on one - when the straight channels of one element cross transversely with the straight channels of the second element, on the second - when the straight channels of one element longitudinally intersect the wavy channels of the second element between the peaks and troughs of the waves in each wave, on the third - when the straight channels of both elements coincide. 3. Биполярная пластина по п. 1, отличающаяся тем, что внешний контур пластины выполнен в форме правильного шестиугольника с совпадающими диагоналями и центром симметрии с шестиугольником активной области.3. Bipolar plate according to claim 1, characterized in that the outer contour of the plate is made in the shape of a regular hexagon with coinciding diagonals and a center of symmetry with the hexagon of the active region. 4. Биполярная пластина по п. 1, отличающаяся тем, что внешний контур пластины выполнен в форме правильного шестиугольника с диагоналями шестиугольника, расположенными между диагоналей шестиугольника активной области.4. Bipolar plate according to claim 1, characterized in that the outer contour of the plate is made in the shape of a regular hexagon with hexagon diagonals located between the diagonals of the active region hexagon. 5. Биполярная пластина по п. 1, отличающаяся тем, что внешний контур пластины выполнен в форме окружности с центром, совпадающим с центром симметрии шестиугольника активной области.5. Bipolar plate according to claim 1, characterized in that the outer contour of the plate is made in the shape of a circle with a center coinciding with the center of symmetry of the hexagon of the active region. 6. Биполярная пластина по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что контурные сварные швы выполнены в виде смежных пересекающихся линейных отрезков швов, причем точки пересечения швов не совпадают с точками границ длины у смежных отрезков.6. Bipolar plate according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the contour welds are made in the form of adjacent intersecting linear sections of seams, and the intersection points of the seams do not coincide with the points of the length boundaries of adjacent sections.
RU2023117071A 2023-06-28 Bipolar fuel cell plate RU2803926C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2803926C1 true RU2803926C1 (en) 2023-09-22

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
KR20120022449A (en) * 2010-09-02 2012-03-12 삼성전기주식회사 Solid oxide fuel cell
RU2516245C1 (en) * 2012-11-29 2014-05-20 Открытое акционерное общество "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ" Bipolar plate of fuel element of round shape
RU2723294C1 (en) * 2019-12-30 2020-06-09 Акционерное общество "Группа компаний ИнЭнерджи" (АО "ГК ИнЭнерджи") Bipolar plate for stacks of fuel cells
CN114709440A (en) * 2022-05-31 2022-07-05 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 Proton exchange membrane fuel cell flow field plate
US20220376273A1 (en) * 2021-05-24 2022-11-24 National Tsing Hua University Fuel cell bipolar flow field plate and fuel cell stack
RU2785834C1 (en) * 2022-08-17 2022-12-14 Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") Bipolar fuel cell cold store

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
KR20120022449A (en) * 2010-09-02 2012-03-12 삼성전기주식회사 Solid oxide fuel cell
RU2516245C1 (en) * 2012-11-29 2014-05-20 Открытое акционерное общество "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ" Bipolar plate of fuel element of round shape
RU2723294C1 (en) * 2019-12-30 2020-06-09 Акционерное общество "Группа компаний ИнЭнерджи" (АО "ГК ИнЭнерджи") Bipolar plate for stacks of fuel cells
US20220376273A1 (en) * 2021-05-24 2022-11-24 National Tsing Hua University Fuel cell bipolar flow field plate and fuel cell stack
CN114709440A (en) * 2022-05-31 2022-07-05 武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司 Proton exchange membrane fuel cell flow field plate
RU2785834C1 (en) * 2022-08-17 2022-12-14 Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") Bipolar fuel cell cold store

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1269699A (en) Serially connected solid oxide fuel cells having monolithic cores
ES2261670T3 (en) PIPE SYSTEMS FOR SOLID OXIDE HORIZONTAL FUEL BATTERY AND PROCEDURES.
US20080003478A1 (en) High Temperature Solid Electrolyte Fuel Cell and Fuel Cell Installation Built with Said Fuel Cell
EP0961333B1 (en) Solid electrolyte fuel cell
KR102179909B1 (en) Fluid flow plate for a fuel cell
US4342816A (en) Fuel cell stack arrangements
CN107887623B (en) Interconnect for internal manifold solid oxide fuel cell stacks and related methods and power systems
JP4617159B2 (en) Integrated sleeve gas manifold for cell stack assemblies such as fuel cells
US11811103B2 (en) Separator plate for an electrochemical system
US20110274999A1 (en) Fuel cell stack
JPS622430B2 (en)
US10756357B2 (en) Bipolar plate with coolant flow channel
RU2002106226A (en) Solid polymer electrolyte fuel cell block, fuel cell battery and method of operating a fuel cell block
KR102179738B1 (en) Fluid flow plate for a fuel cell
KR102179910B1 (en) Fluid flow plate for a fuel cell
JP2021119570A (en) Fuel cell having modular base active area
JPH06267559A (en) Fuel cell
RU2803926C1 (en) Bipolar fuel cell plate
CN111788729B (en) Fuel cell, cell unit thereof, and stack structure
RU2785834C1 (en) Bipolar fuel cell cold store
JPS6262414B2 (en)
JP2989223B2 (en) Flat solid electrolyte fuel cell power generator
JPS6039773A (en) Layer-built fuel cell
JPH0521083A (en) Fuel cell
KR20070022728A (en) High temperature solid electrolyte fuel cell and fuel cell installation built with said fuel cell