Результат интеллектуальной деятельности: ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к устройствам непосредственного преобразования химической энергии водородосодержащего топлива в электрическую энергию.

Одной из сильных сторон электрохимических преобразователей энергии, к которым относятся и топливные элементы (ТЭ), является их высокая энергоэффективность. За счет прямого преобразования энергии они имеют высокий КПД, который теоретически может достигать 100%, однако эффективность преобразования энергии в ТЭ зависит от многих факторов, и в том числе в значительной мере зависит от оптимального выполнения конструкции изделия. Весьма существенным фактором, определяющим общий КПД устройства, являются тепловые потери при токосъеме с электродов. Уменьшение потерь энергии, связанных с конструкцией ТЭ, в настоящее время является актуальной задачей.

Известен топливный элемент (см. заявка EP 2417663, МПК H01M 8/02, H01M 8/24, опубликована 15.02.2012), включающий мебрано-электродный блок, содержащий протонпроводящую мембрану, к которой примыкают соответственно анодный газодиффузионный слой и катодный газодиффузионный слой. К анодному газодиффузионному слою и катодному газодиффузионному слою примыкают соответственно анодная и катодная сепаратные пластины. По периферии мембрано-электродного блока расположена упругая герметизирующая прокладка.

Такая конструкция известного ТЭ позволяет стабилизировать его работу, что ограничивает область применения известного ТЭ. Кроме того, такая конструкция не обеспечивает стабильное низкое электрическое сопротивление во время работы ТЭ.

Известна батарея топливных элементов (см. патент RU 2387053, МПК H01M 8/10, H01M 8/24, опубликован 209.04.2010), включающая два ТЭ, каждый из которых включает анодный электрод с анодным газодиффузионным слоем, катодный электрод с катодным газодиффузионным слоем и протонпроводящую мембрану, расположенную между катодным и анодным диффузионными слоями. ТЭ обращены друг к другу анодными электродами, между которыми по всему периметру проложена диэлектрическая прокладка, образующая камеру для топлива.

Известная батарея топливных элементов имеет уменьшенную толщину и увеличенную удельную мощность за счет миниатюризации конструкции и взаимного расположения ее частей. Однако стабильность токосъема в процессе работы устройства не обеспечивается.

Известен топливный элемент (см. патент RU 2328060, МПК H01M 8/00, опубликован 27.06.2008), включающий анодный электрод, катодный электрод, расположенная между электродами протонпроводящая мембрана, анодный и катодный газодиффузионные слои, токовые коллекторы, по меньшей мере, из 2-х металлических сеток. Протонпроводящая мембрана с электродами, анодный и катодный газодиффузионные слои посредством полимерной рамки объединены в единую интегральную мембранно-электродную сборку.

Известный ТЭ сложен в изготовлении и не предотвращает деградацию электрических контактов в процессе эксплуатации.

Известна батарея топливных элементов (см. RU 2328060, МПК H01M 8/00, опубликован 27.06.2008), состоящая, по меньшей мере, из 2-х топливных элементов, каждый из которых включает анодный электрод, катодный электрод, расположенную между электродами протонпроводящую мембрану водородный и кислородный (воздушный) газодиффузионные коллекторы, токовые коллекторы из металлических сеток и, биполярную охлаждающую пластину, для разделения смежных топливных элементов, выполненную в виде тонкого пластинчатого теплообменника с рамкой и металлической сеткой внутри рамки, отличающаяся тем, что топливные элементы выполнены по любому из пп.1-7, рамка биполярной охлаждающей пластины снабжена каналами и отверстиями для подвода и распределения реагентов (водорода, кислорода, воздуха) по водородной и кислородной камерам ТЭ и удаления продуктов реакции, а боковые стенки, примыкающие к водородной и кислородной камерам топливных элементов, снабжены отверстиями для сообщения коллекторных систем батареи по водороду и кислороду (воздуху) с соответствующей газовой камерой ТЭ.

Известная батарея ТЭ сложна в изготовлении и не предотвращает деградацию электрических контактов в процессе эксплуатации.

Известен топливный элемент (см. заявка US 20120034542, МПК H01M 8/00, опубликована 09.02.2012), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. ТЭ включает мембранно-электродную сборку, содержащую протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем. К анодному газодиффузионному слою и катодному газодиффузионному слою примыкают соответственно анодная и катодная торцовые пластины. По периферии мембрано-электродной расположена рамка, одна относительно упругая прокладка и другая менее упругая прокладка.

Такая конструкция известного ТЭ позволяет стабилизировать его работу в основном при невысоких давлениях, что ограничивает область применения известного ТЭ. Кроме того, такая конструкция не обеспечивает стабильное низкое электрическое сопротивление во время работы ТЭ, так как сжатие элементов ТЭ происходит лишь по его периферии.

Известна батарея топливных элементов (см. патент RU 70051, МПК H01M 8/00, H01M 16/00, опубликован 10.01.2008), совпадающая с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Батарея-прототип содержит, по крайней мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами и ограничивающие общую топливную камеру, торцевые пластины, каналы для подвода анодного и катодного газов, токовые выводы и средства для герметизации и соединения указанных элементов. Батарея также содержит газораспределительную сборку, которая включает диэлектрическую пластину с газораспределительными каналами и укрепленными на ее противоположных сторонах анодными металлическими пластинами, снабженными окнами для подвода анодного газа к мембранно-электродным сборкам. Мембранно-электродные сборки герметично скреплены с газораспределительной сборкой посредством торцевых пластин, снабженных по периферии и в центре отверстиями, в которые пропущены винты для стяжки батареи, и окнами для подвода катодного газа к катодам мембранно-электродных сборок.

Стяжка конструкции батареи производится большим количеством винтов, в том числе и по центру конструкции. Центральный винт требует наличия соответствующего отверстия в конструкции и мембранно-электродном блоке, что ухудшает газоизолирующие свойства и может привести к сообщению анодного и катодного пространств, что, в свою очередь, приводит к ухудшению электрических характеристик источника питания. Кроме того, такое решение увеличивает сложность изготовления конструкции и добавляет лишний вес. Наличие центрального винта способствует сохранению электрического контакта в основном по центру батареи, что не так эффективно в случае усадки конструктивных составляющих батареи.

Задачей настоящего технического решения является создание конструкции топливного элемента и батареи топливных элементов, обладающих повышенной эффективностью преобразования энергии, за счет уменьшения потерь на электросопротивление токосъемных контактов, и увеличенной стабильностью этого сопротивления во времени при сохранении массогабаритных параметров, трудозатрат на его изготовление и стоимостных характеристик.

Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

В части топливного элемента задача решается тем, что топливный элемент включает мембранно-электродную сборку, пластину с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа, расположенную со стороны анода мембранно-электродной сборки, средства для стяжки топливного элемента, средства для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродной сборки и токовые выводы. Мембранно-электродная сборка содержит протонпроводящую мембрану, расположенную между анодным газодиффузионным слоем и катодным газодиффузионным слоем, к которым примыкают соответственно анод и катод, выполненный в виде электропроводящей пластины с окнами для подвода катодного газа. Новым является размещение между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом упругой пластинчатой диэлектрической прокладки из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка с центральным отверстием для прохода анодного газа, которая имеет модуль упругости больше модуля упругости газодиффузионных слоев, компенсирует их продавливание, за счет постоянного поджатия, тем самым поддерживает постоянной площадь поверхности электрических контактов между анодом и анодным газодиффузионным слоем, а также между катодом и катодным газодиффузионным слоем, а, следовательно, и сопротивление между ними.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины.

Топливный элемент может быть выполнен квадратной, прямоугольной, круглой или любой другой формы, а средства для стяжки топливного элемента могут быть выполнены в виде защелок, заклепок, скобок, винтов или болтов с гайками, пропущенными через отверстия в периферийных частях топливного элемента. Стяжка конструкции может производиться посредством клеевого соединения по периметру предварительно сжатой конструкции.

В части батареи топливных элементов задача решается тем, что батарея топливных элементов включает, по меньшей мере, две мембранно-электродные сборки, направленные друг к другу анодами, между которыми размещена пластина с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа. С внешней стороны каждой мембранно-электродной сборки катоды выполнены в виде пластины с окнами для подвода катодного газа, снабженные средствами для стяжки батареи. Батарея топливных элементов снабжена также средствами для герметизации в виде упругих прокладок в периферийной части мембранно-электродных сборок и токовыми выводами. Новым является размещение между пластиной с газораспределительными каналами для подвода и отвода анодного газа и анодом каждой мембранно-электродной сборки упругой пластинчатой диэлектрической прокладки из химически инертного материала с центральным отверстием для прохода анодного газа, модуль упругости которой больше модуля упругости анодного и катодного газодиффузионных слоев.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины.

Батарея топливных элементов может быть выполнена квадратной, прямоугольной, круглой или любой другой формы, а средства для стяжки топливного элемента могут быть выполнены в виде защелок, заклепок, скобок, винтов или болтов с гайками, пропущенными через отверстия в периферийных частях топливного элемента. Стяжка конструкции может производиться посредством клеевого соединения по периметру предварительно сжатой конструкции.

Упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка на протяжении работы или хранения батареи топливных элементов за счет своих упругих свойств постоянно поджимает сборку, чем обеспечивает хороший электрический контакт.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен вид сбоку на топливный элемент по настоящему изобретению;

на фиг.2 показан поперечный разрез по А-А топливного элемента, изображенного на фиг.1;

на фиг.3 изображен вид спереди на упругую пластинчатую диэлектрическую прокладку;

на фиг.4 показан вид сбоку на упругую пластинчатую диэлектрическую прокладку, изображенную на фиг.3;

на фиг.5 показана в аксонометрии мембранно-электродная сборка, разделенная для наглядности на отдельные элементы;

на фиг.6 изображен вид сбоку на батарею топливных элементов по настоящему изобретению;

на фиг.7 показан поперечный разрез по Б-Б батареи топливных элементов, изображенной на фиг.5;

на фиг.8 изображен в увеличенном масштабе узел I из фиг.6;

на фиг.9 приведена зависимость электрического сопротивления от времени батареи топливных элементов (●- батарея топливных элементов по настоящему изобретению; ■ - батарея топливных элементов без упругих пластинчатых прокладок.

Топливный элемент 1 по настоящему изобретению (см. фиг.1-фиг.4) содержит мембранно-электродную сборку 2, состоящую из: анода 3 (см. фиг.5), например, из алюминиевой фольги, с токовым выводом 4 в виде продолжения пластины анода 3; первой упругой диэлектрической прокладки 5 в виде рамки, из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины; анодного газодиффузионного слоя 6, например, из углеродной пористой бумаги или ткани, размещенного в проеме первой упругой диэлектрической прокладки 5; протонпроводящей мембраны 7 с анодным и катодным каталитическими слоями, например на основе мембраны типа Nation или МФ4-СК и катализатора на основе платины или других металлов, размещенной между первой упругой диэлектрической прокладкой 5 и второй упругой диэлектрической прокладкой 8 в виде рамки, из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины; катодного газодиффузионного слоя 9, например, из углеродной пористой бумаги или ткани, размещенного в проеме второй упругой диэлектрической прокладки 8; катода в виде пластины 10 с окнами И для подвода катодного газа (воздуха). К аноду 3 в топливном элементе 1 примыкает упругая пластинчатая диэлектрическая прокладка 12. Упругая пластинчатая прокладка 12 может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины. В центральной области прокладки 12 выполнено отверстие 13 для прохода анодного газа (водорода) к мембранно-электродной сборке 2. К упругой пластинчатой прокладке 12 примыкает пластина 14 с газораспределительными каналами 15 и патрубками 16, 17 для подвода и отвода анодного газа. Средства для стяжки топливного элемента 1 выполнены, например, в виде пропущенных через отверстия 18 в периферийных участках перечисленных выше компонентов топливного элемента 1 винтов 19 с гайками 20. Могут быть использованы и другие виды средств для стяжки топливного элемента 1, такие как, например, винты, скобки, защелки или клеевое соединение.

Батарея 21 топливных элементов (см. фиг.6-фиг.8) включает, по меньшей мере, две мембранно-электродные сборки 2 с катодами в виде пластин 10 с окнами 11 для подвода катодного газа, идентичные описанной выше, направленные друг к другу анодами 3, между которыми размещена пластина 22 с газораспределительными каналами 23, 24 и патрубками 16, 17 для подвода и отвода анодного газа, средства (например, винты 19 с гайки 20) для стяжки батареи 21. К анодам 3 мембранно-электродных сборок 2 примыкают упругие пластинчатые диэлектрические прокладки 12 (см. фиг.3-фиг.4). Упругая пластинчатая прокладка 12 может быть выполнена из силикона или другого упругого пластинчатого диэлектрического химически инертного материала, например резины. В центральной области прокладок 12 выполнены отверстия 13 для прохода анодного газа (водорода) к соответствующей мембранно-электродной сборке 2, а также отверстия 18 в периферийных участках прокладок 12 для средств стяжки батареи 21.

Топливный элемент 1 работает следующим образом.

Водород подается через патрубок 16 на анодное пространство топливного элемента 1, через газораспределительный канал 15 пластины 14, (патрубок 17 служит для кратковременной продувки анодного пространства и в рабочем режиме закрыт). По пористому анодному газодиффузионному слою 5 водород равномерно распределяется и поступает к протонпроводящей мембране 7 со стороны анодного каталитического слоя. На анодном каталитическом слое происходит анодная реакция. В результате чего образуются протоны и электроны. Протоны через протонпроводящую мембрану 7 поступают на катодный каталитический слой. Электроны с анодного каталитического слоя проходят через пористый катодный газодиффузионный слой 9 и с него поступают на анод 3, например, из алюминиевой фольги. С анода 3 электроны поступают через нагрузку на катод 10 в виде пластины с окнами 11 для подвода катодного газа (кислорода).

Кислород подается на катодное пространство топливного элемента 1 из воздуха, через окна 11 для подвода катодного газа (кислорода) в катодной пластине 10. По пористому катодному газодиффузионному слою 9 кислород равномерно распределяется и поступает к протонпроводящей мембране 7 со стороны катодного каталитического слоя. На катодном каталитическом слое происходит катодная реакция. В результате чего образуется вода из кислорода, протонов водорода, прошедших через мембрану 7 с анодной стороны, и электронов прошедших через нагрузку.

Роль прокладки заключается в постоянном прижимающем воздействии на топливный элемент 1, в результате чего обеспечивается хороший электрический контакт между анодом 3, пористым анодным газодиффузионным слоем 5 и протонпроводящей мембраной 7 со стороны анодного каталитического слоя, а также между катодом 10, пористым катодным газодиффузионным слоем 9 и протонпроводящей мембраной 7 со стороны катодного каталитического слоя.

Батарея 21 топливных элементов работает аналогичным образом.

Был изготовлен образец батареи из двух топливных элементов квадратной формы размером 50×50×14 мм. В одном случае образец батареи из двух топливных элементов не содержал в своей конструкции упругую пластинчатую прокладку, а в другом случае содержал. Результаты испытания образца батареи топливных элементов по настоящему изобретению и образца батареи топливных элементов без упругих пластинчатых прокладок показаны на фиг.9, где приведена зависимость электрического сопротивления батареи топливных элементов от времени его работы. Как видно фиг.9, электрическое сопротивление батареи топливных элементов по настоящему изобретению с упругой пластинчатой прокладкой и без прокладки в начальный момент времени одинаково, но с течением времени электрическое сопротивление батареи топливных элементов с упругой пластинчатой прокладкой не увеличивается в отличие от батареи топливных элементов без упругой пластинчатой прокладки. Так, например, в батарее топливных элементов без упругой пластинчатой прокладки через 20 минут сопротивление увеличилось до 5,0 Ом, а в батареи топливных элементов с упругой пластинчатой прокладкой сопротивление осталось на уровне 0,5 Ом.

Таким образом, упругая пластинчатая прокладка по настоящему изобретению позволяет поддерживать постоянной площадь поверхности электрических контактов, а, следовательно, и сопротивление между анодным и катодным газодиффузионными слоями и соответственно анодом и катодом.