ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2008 года по МПК H01M8/00 

Изобретение относится к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии в электрическую, а именно к топливному элементу (ТЭ) и батарее топливных элементов (БТЭ) с полимерной электролитной мембраной, использующим водород в качестве топлива и кислород (в чистом виде или содержащийся в воздухе) в качестве окислителя.

Известны конструкции БТЭ с полимерной электролитной мембраной, использующих водород как топливо и кислород в чистом виде, или содержащийся в воздухе, в качестве окислителя (см. патенты США № 5879826, 1999 г. № 6207310 В1, 2001 г.).

Известно, что ТЭ включает водородный электрод, кислородный электрод, полимерный электролит (мембрану), расположенный между электродами, а также расположенные с водородной и кислородной сторон газодиффузионные коллекторные пластины для распределения и подвода реагентов к мембранно-электродной сборке (МЭС) и токовые коллекторы. Известно, что ТЭ в БТЭ разделены биполярной пластиной, имеющей контакт с токовыми коллекторами. ТЭ могут собираться в батарею посредством пакетирования и стяжки с помощью крышек и шпилек.

Из всех известных конструкций БТЭ и собственно ТЭ наиболее близким аналогом представленного изобретения является ТЭ с металлической распределительной сеткой и БТЭ на основе этого ТЭ по патенту США № 6207310 В1.

В соответствии с этим патентом БТЭ состоит, по меньшей мере, из двух ТЭ, разделенных электрически проводимой тонкой биполярной охлаждающей пластиной (БОП). БОП выполнена из тонкой металлической фольги и металлической плетеной сетки, расположенной в прямоугольной области рамки, имеющей вход в одном углу и выход в другом, расположенных диагонально друг к другу. Рамка уплотнена по периметру, образуя проточную часть для охлаждающей среды. В водородной и кислородной камерах ТЭ также установлены металлические сетки каждая в своей рамке, которая, аналогично рамке БОП, имеет входной и выходной каналы, расположенные диагонально. Сетки обеспечивают равномерное распределение реагентов по поверхности электродов.

МЭС представляет собой законченный сборочный узел. Мембрана помещена между двумя рамками из нержавеющей стали (толщина листа 0,254 мм) и по периметру уплотняется с помощью адгезива. Газодиффузионные электроды с водородной и кислородной сторон припрессовываются к мембране. Сеточные токовые коллекторы, вложенные в промежуточные прокладки-рамки, расположены с каждой из сторон МЭС. Каналы подвода реагентов в газовые камеры ТЭ выполнены непосредственно в промежуточных прокладках-рамках. Уплотнение ТЭ в батарее производится обжатием промежуточных прокладок-рамок, изготовленных из силиконовой ленты, армированной тканью. Степень сжатия пакета ТЭ в батарее контролируется и ограничивается ограничителями, предусмотренными на промежуточных рамках.

В варианте с жесткой комбинированной пластиковой рамкой из полисульфона, исключающей промежуточную прокладку-рамку, герметизация ТЭ в батарее производится специальным клеем, нанесенным на обе поверхности жесткой пластиковой рамки.

Токовые сеточные коллекторы выполнены из набора сеток с мелкой и крупной ячейками. Сетка с мелкими ячейками находится в контакте с газодиффузионными коллекторами. Поверхность этих сеток гидрофобизирована композицией из углерода и тефлона для исключения накопления в ячейках капель воды.

Недостатками реализованных в аналоге технических решений, являются:

1. Отсутствие защиты мембраны по периметру в местах заделки и соприкосновения газодиффузионных коллекторов и металлических рамок от механических повреждений и возможных разрушений.

2. Сосредоточенный (местный) подвод/отвод рабочих сред в ТЭ, не гарантирующий равномерного распределения сред по поверхности электродов в широком диапазоне расходов.

3. Возможное «залипание» воды в ячейках сеточных токовых коллекторов и образование в результате этого в сетках участков с заполненными водой ячейками, исключающих подвод реагентов к электродам и приводящих к снижению эффективности электродов.

4. Наличие промежуточных прокладок-рамок для размещения сеточных токовых коллекторов, усложняющих конструкцию топливного элемента и увеличивающих в два раза количество сопрягаемых поверхностей, требующих герметизации (для варианта с промежуточными рамками).

5. Определенные ограничения по минимизации зазора в газовых камерах ТЭ, связанные с необходимостью формирования каналов, сообщающих коллекторную систему батареи с газовыми камерами ТЭ непосредственно в рамках ТЭ, при соблюдении требований по прочности рамки и допустимым размерам каналов.

Сущность изобретения

С целью устранения отмеченных выше недостатков ТЭ по патенту США № 6207310 В1, упрощения конструкции и повышения надежности ТЭ предмет настоящего изобретения может заключать в себе ТЭ и БТЭ с полимерной электролитной мембраной, использующие водород и кислород в чистом виде или содержащийся в воздухе.

ТЭ включает водородный электрод, кислородный электрод, расположенный между электродами полимерный электролит, водородный и кислородный газодиффузионные коллекторы, токовые коллекторы из металлических сеток. Смежные ТЭ в батарее разделены БОП, выполненной в виде пластинчатого теплообменника из тонкой металлической фольги и металлической сетки внутри для распределения охлаждающей среды по поверхности теплообменника и отвода тепла, генерируемого в ТЭ. БОП имеет контакт с токовыми коллекторами и выполняет также функцию передачи электричества. ТЭ с помощью крышек и шпилек собираются в батарею.

Особенностями изобретения являются:

1. МЭС, в которой газодиффузионные коллекторы совместно с мембраной вложены в паз полимерной рамки, обеспечивая защиту мембраны по всей поверхности. Уплотнение мембраны и коллекторов в рамке производится герметиком, размещаемым в свободном пространстве паза по периметру мембраны за пределом электродов, и клеепереносящей пленкой, расположенной в узле уплотнения.

Конструкция рамки МЭС одновременно предусматривает размещение в ней над газодиффузионными коллекторами сеточных токовых коллекторов, исключая необходимость в промежуточных рамках.

2. БОП состоит из двух листов тонкой фольги (с водородной и кислородной сторон) и расположенных между ними металлических сеток и рамки с каналами на периферийной поверхности для подвода через БОП и равномерного распределения реагентов по поверхности электродов. В прямоугольном поле рамки предусмотрены перегородки для организации потока охлаждающей среды через сетки по принципу «серпантина».

3. Другой особенностью изобретения является размещение в сеточных токовых коллекторах водородной и кислородной камер ТЭ тонкого сетчатого материала, обладающего способностью изменять угол смачивания капель воды и способствовать образованию пленочного течения вдоль поверхности сеток, обеспечивая естественное стекание воды в коллекторную систему ТЭ и батареи.

4. Следующей особенностью изобретения является узел герметизации ТЭ в батарее, состоящий, по меньшей мере, из двух ТЭ, разделенных БОП, с использованием клеепереносящей пленки, выполняющей функции адгезива, без применения прокладок из эластомера или специального клея.

Перечень чертежей

На фиг.1 представлена МЭС.

На фиг.2 представлена БОП.

На фиг.3 представлена рамка БОП.

На фиг.4 представлена кислородная пластина БОП.

На фиг.5 представлена водородная пластина БОП.

На фиг.6 представлена упрощенная схема ТЭ.

Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения

В соответствии с представленным изобретением МЭС ТЭ (фиг.1) состоит из полимерной мембраны (1), двух электродов, газодиффузионных коллекторов водородного и кислородного (2), расположенных по обеим сторонам мембраны, и полимерной (например, из поликарбоната) рамки (3) с пазом по внутреннему контуру, в котором формируется узел герметизации мембраны и газодиффузионных коллекторов. Рамка может быть выполнена из трех деталей (вариант 1), изготовленных из листового материала: двух наружных (4) и одной средней (5).

Средняя деталь (5) имеет меньшую ширину, в результате чего при сборке рамки с ее внутренней стороны формируется паз, в который закладывается мембрана с электродами и газодиффузионными слоями. Герметизация мембраны производится герметиком (6), размещаемым в свободном пространстве паза по периметру мембраны за пределами электродов. Для повышения надежности и увеличения прочности узла герметизации между материалом рамки, герметиком и газодиффузионными слоями проложена клеепереносящая пленка, выполняющая функцию адгезивного слоя (7). Детали рамки также соединены и загерметизированы клеепереносящей пленкой. Одна из наружных деталей рамки, в области расположения герметика, имеет отверстия (8), равномерно расположенные по периметру рамки, для удаления излишков герметика при сборке и исключения его выдавливания во внутреннее пространство на диффузионные коллекторы. На периферийной поверхности рамки предусмотрены отверстия, которые при сборке пакета топливных элементов совмещаются с аналогичными отверстиями в БОП и деталях соседних ТЭ, образуя коллекторную систему подачи (удаления) реагентов, продуктов реакции и охлаждающей среды. Отверстия (9) образуют коллекторную систему по кислороду, отверстия (10) - по водороду, отверстия (11) - по охлаждающей среде.

Рамка может быть выполнена из двух пластин, в которых подготовлены площадки для формирования паза (вариант 2).

Газодиффузионные коллекторы, имея заделку в рамке, предохраняют мембрану от возможных механических повреждений при сборке пакета ТЭ и его обжатии, а также в процессе эксплуатации, являясь, по существу, защитным элементом для мембраны.

БОП (фиг.2) состоит из рамки (12), по обе стороны которой расположены пластины водородная (13), кислородная (воздушная) (14). В прямоугольном поле рамки размещена распределительная сетка (15).

Рамка (12) и пластины (13, 14) соединены между собой и герметизированы клеепереносящей пленкой (16).

Конструкция БОП предусматривает совмещение следующих функций в составе ТЭ:

- отвод тепла, генерируемого в топливном элементе;

- передача электрической энергии;

- подвод и распределение реагентов по поверхности газодиффузионных коллекторов (электродов);

- удаление продуктов реакции.

Выполнение этих функций обеспечивается конструкцией рамки, которая является определяющей деталью БОП. Рамка (фиг.3) выполняется из листового проводящего или непроводящего материала. В центральном окне рамки (17), в области размещения распределительной сетки, предусмотрены перегородки (18), обеспечивающие «серпантинное» обтекание распределительной сетки (15). На периферийной поверхности рамки предусмотрена система отверстий и каналов. Отверстия (19) предназначены для образования коллекторной системы на входе кислорода, отверстия (20) - на выходе кислорода, отверстия (21) - на входе водорода, отверстия (22) - на выходе водорода, отверстия (23) - на входе охлаждающей среды, отверстия (24) - на выходе охлаждающей среды. Каналы (25, 26, 27, 28, 29, 30) сообщают коллекторные системы батареи с кислородной камерой ТЭ (каналы 25, 26), с водородной камерой ТЭ (каналы 27, 28) и с внутренней полостью БОП, обтекаемой охлаждающей средой (каналы 29, 30). Каналы подачи кислорода (25) и подачи водорода (27) имеют местные сужения (31), которые при сборке БОП с пластинами (13, 14) образуют дроссельные каналы, обеспечивающие равномерную раздачу реагентов по входным каналам. Коллекторные системы реагентов равномерно распределены по ширине кислородной и водородной камер, что обеспечивает с учетом входного дросселирования каждого канала равномерное распределение реагентов по камерам.

Кислородная (воздушная) пластина (14) БОП (фиг.4) имеет ответные отверстия (19, 20, 21, 22, 23, 24) коллекторной системы, а также отверстия (32, 33), которые при наложении пластины на рамку (12) сообщают каналы (25, 26) рамки с кислородной камерой ТЭ. Каналы (27, 28) рамки перекрываются кислородной пластиной, исключая сообщения водородных каналов с кислородной камерой.

Водородная пластина БОП (фиг.5) также имеет отверстия (19, 20, 21, 22, 23, 24) коллекторной системы и отверстия (34, 35), которые при наложении пластины на рамку (12) сообщают каналы (27, 28) рамки с водородной камерой топливного элемента. Каналы (25, 26) рамки перекрываются водородной пластиной, исключая сообщения кислородных каналов с водородной камерой. Таким образом, реагенты из коллекторной системы через каналы в рамке и отверстия в водородной и кислородной пластинах поступают: водород - только в водородную камеру, кислород (воздух) - только в кислородную камеру, в связи с этим нет необходимости в промежуточных рамках для подачи реагентов в водородную и кислородную камеры. Токовые сеточные коллекторы в этом случае размещаются в центральном поле МЭС, а зазор в камерах регулируется высотой рамки над газодиффузионными коллекторами.

Соединение деталей БОП между собой и их герметизация по сопрягаемым поверхностям производится клеепереносящей пленкой, обладающей адгезивными свойствами.

На фиг.6 приведена упрощенная схема одного ТЭ, который включает МЭС (36), БОП (37), токовые сеточные коллекторы в водородной (38) и кислородной (39) камерах. Все составляющие ТЭ имеют электрический и механический контакт между собой. Сеточные токовые коллекторы изготавливаются не менее чем из двух сеток - с мелкими ячейками со стороны газодиффузионного коллектора и с крупными ячейками со стороны БОП. Между металлическими сетками размещена промежуточная сетка (40) из натурального (например, из хлопка) или синтетического материала, обладающего свойствами изменять угол смачивания капель воды и способствовать образованию пленочного течения вдоль сеток и пластин БОП.

Система из не менее чем двух ТЭ образует батарею ТЭ, разделенных БОП. Герметизация ТЭ между собой в батарее производится клеепереносящей пленкой, выполняющей функции адгезива.

Техническим результатом предложенного изобретения является упрощение конструкции и улучшение технологии изготовления ТЭ и батареи ТЭ, повышение электрических и ресурсных характеристик ТЭ и батареи ТЭ, снижение массогабаритных характеристик батареи.

Заявленный технический результат достигается следующими техническими решениями:

- полимерный электролит (мембрана) с электродами, водородный и кислородный газодиффузионные коллекторы посредством полимерной рамки объединены в единую интегральную МЭС;

- в интегральной МЭС мембрана с электродами и газодиффузионными коллекторами помещены в паз рамки и загерметизированы герметиком, располагаемым в свободном объеме паза в рамке по периметру мембраны за пределами электродов и газодиффузионных коллекторов;

- для надежности герметизации и увеличения прочности заделки между рамкой, герметиком и газодиффузионными коллекторами проложена клеепереносящая пленка, выполняющая функции адгезивного слоя;

- в интегральной МЭС газодиффузионные коллекторы совместно с мембраной заделаны в рамку, закрывая всю поверхность мембраны за исключением области герметизации мембраны, и предохраняют мембрану от возможных механических повреждений;

- в интегральной МЭС, в области узла герметизации мембраны, одна из пластин рамки имеет отверстия для удаления излишков герметика, равномерно расположенные по периметру мембраны;

- сеточные токовые коллекторы в ТЭ размещаются и фиксируются в центральной прямоугольной области рамки интегральной МЭС; а степень обжатия активной (центральной) области интегральной МЭС обеспечивается заданным превышением толщины сеточных токовых коллекторов над толщиной рамки МЭС от уровня газодиффузионных коллекторов;

- в токовых сеточных коллекторах (между сетками) размещена неметаллическая сетка из натурального (например, из хлопка) или синтетического материала, обладающего свойствами изменять угол смачивания капель воды и способностью к образованию пленочного течения вдоль сеток и поверхности БОП;

- БОП выполняет также функцию подвода и распределения реагентов (водорода, кислорода, воздуха) по водородной и кислородной камерам ТЭ и удаления продуктов реакции посредством каналов в рамке БОП, сообщающих коллекторную систему батареи по водороду и кислороду с соответствующей газовой камерой ТЭ через отверстия в боковых пластинах БОП;

- в центральном окне рамки БОП, в области размещения металлической распределительной сетки, предусмотрены перегородки, обеспечивающие «серпантинное» обтекание теплоносителем распределительной сетки внутри БОП с числом ходов не менее трех;

- подача реагентов в газовые камеры ТЭ и их отвод производится через множество мелких каналов в рамке и отверстий в боковых пластинах БОП, равномерно распределенных по ширине газовой камеры, а каналы на входе реагентов в газовые камеры задросселированы;

- минимизация толщины ТЭ и, как следствие, габаритов батареи ТЭ за счет минимизации зазора в газовых камерах ТЭ, обеспечиваемая принципом подачи реагентов в топливный элемент через БОП, и минимизации зазора между боковыми пластинами БОП;

- соединение и герметизация ТЭ между собой в пакете клеепереносящей пленкой без использования прокладок из эластомера и специального клея.

Изобретение относится к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии в электрическую, а именно к топливному элементу (ТЭ) и батарее ТЭ с полимерной электролитной мембраной, использующим водород в качестве топлива и кислород (в чистом виде или содержащийся в воздухе) в качестве окислителя. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и улучшение технологичности изготовления ТЭ, повышение электрических и ресурсных характеристик батареи, снижение малогабаритных характеристик. Согласно изобретению в ТЭ электролитная мембрана, электроды, газодиффузионные коллекторы объединены в единую конструкцию - интегральную мембранно-электродную сборку (МЭС) с рамкой из полимерного материала. Обеспечена герметизация мембраны и прочная заделка газодиффузионных коллекторов в рамке, а также защита мембраны газодиффузионными коллекторами от механических повреждений. Путем введения в токовые сеточные коллекторы (между сеток) промежуточной неметаллической сетки, способствующей образованию пленочного течения, обеспечены условия удаления реакционной воды. Биполярная охлаждающая пластина (БОП), выполненная в виде тонкого пластинчатого теплообменника, обеспечивает подачу реагентов в газовые камеры ТЭ и их отвод через множество мелких каналов в рамке БОП и отверстий в боковых стенках БОП, равномерно распределенных по ширине газовых камер. Каналы на входе реагентов задросселированы. Герметизация составляющих ТЭ и ТЭ в батарее производится клеепереносящей пленкой, выполняющей функции адгезива, без использования прокладок из эластомера и специального клея. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Топливный элемент, включающий водородный электрод, кислородный (воздушный) электрод, расположенный между электродами полимерный электролит (мембрану), водородный и кислородный (воздушный) газодиффузионные коллекторы, токовые коллекторы, по меньшей мере, из 2-х металлических сеток, отличающийся тем, что полимерный электролит (мембрана) с электродами, водородный и кислородный газодиффузионные коллекторы посредством полимерной рамки объединены в единую интегральную мембрано-электродную сборку.2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что в интегральной мембрано-электродной сборке мембрана с электродами и газодиффузионными коллекторами помещена в паз рамки и загерметизирована герметиком, располагаемым в свободном объеме паза в рамке по периметру мембраны за пределами электродов и газодиффузионных коллекторов.3. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что между рамкой, герметиком и газодиффузионными коллекторами проложена клеепереносящая пленка, выполняющая функции адгезивного слоя.4. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что в интегральной мембрано-электродной сборке газодиффузионные коллекторы совместно с мембраной заделаны в рамку, закрывая всю поверхность мембраны, за исключением области герметизации мембраны, и предохраняют мембрану от возможных механических повреждений.5. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что в интегральной мембрано-электродной сборке, в области узла герметизации мембраны, одна из пластин рамки имеет отверстия, для удаления излишков герметика равномерно расположенные по периметру мембраны.6. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что сеточные токовые коллекторы размещаются и фиксируются в центральной прямоугольной области рамки интегральной мембрано-электродной сборки, при этом степень обжатия рабочей области интегральной мембрано-электродной сборки обеспечивается заданным превышением толщины сеточных токовых коллекторов над толщиной рамки мембрано-электродной сборки, от уровня газодиффузионных коллекторов.7. Топливный элемент по п.1 или 6, отличающийся тем, что в токовых сеточных коллекторах (между сетками) размещена промежуточная сетка из натурального (например, из хлопка) или синтетического материала, обладающего свойствами изменять угол смачивания капель воды и способствовать образованию пленочного течения вдоль сеток и поверхности биполярной охлаждающей пластины.8. Батарея топливных элементов, состоящая, по меньшей мере, из 2-х топливных элементов, каждый из которых включает водородный электрод, кислородный (воздушный) электрод, расположенный между электродами полимерный электролит (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.9. Батарея топливных элементов по п.8, отличающаяся тем, что в центральном окне рамки биполярной охлаждающей пластины в области размещения металлической сетки, предусмотрены перегородки, обеспечивающие «серпантинное» обтекание сетки внутри биполярной охлаждающей пластины с числом ходов не менее трех.10. Батарея топливных элементов по п.8, отличающаяся тем, что подача реагентов в газовые камеры ТЭ и их отвод производится через множество мелких каналов в рамке биполярной охлаждающей пластины и отверстий в боковых стенках биполярной охлаждающей пластины, равномерно распределенных по ширине газовой камеры, а каналы на входе реагентов в газовые камеры задросселированы.11. Батарея топливных элементов по п.8, отличающаяся тем, что соединение и герметизация топливных элементов между собой в пакете производится клеепереносящей пленкой, выполняющей функции адгезива, без использования прокладок из эластомера и специального клея.