УЗЕЛ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ПЛАСТИНЫ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H01M8/02 H01M8/04 

Изобретение относится, в общем, к топливным элементам. Более конкретно, данное изобретение относится к узлам разделительных пластин (составным разделительным пластинам) для топливных элементов.

Уровень техники

Топливные элементы хорошо известны. Анод и катод при соответствующих условиях функционируют известными способами, вырабатывая электроэнергию. Катод и анод обычно отделены друг от друга разделительной пластиной, проводящей электроны, но изолирующей электролит и реагенты смежных катодов и анодов.

В соответствии с традиционной технологией, разделительная пластина прикрепляется к пластине катодного поля потока одного элемента и пластине анодного поля потока смежного элемента. При обычных способах прикрепления применяются фторуглеродные пленки, так как типичные разделительные пластины состоят из углерода. Обычно пластины полей потоков изготовляются из композиционного материала на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы (далее - "углерод-углеродный композит"). В большинстве конфигураций пластины полей потоков являются пористыми и гидрофильными, благодаря чему они используются в качестве резервуаров электролита, в которых известными способами может быть помещен избыточный электролит.

Такие конфигурации имеют общепризнанные недостатки. Одно из улучшений предложено в патенте U.S. No.5,558,955, в котором предлагается пластина катодного поля потока, которая, в общих чертах, не имеет пор, или является плотной и гидрофобной. Конфигурация, предложенная в указанном документе, обладает лучшими свойствами по сравнению с традиционными конфигурациями, в которых по обе стороны углеродной разделительной пластины находятся пластины полей потоков, состоящие из углерод-углеродных композитов.

Специалисты в данной области постоянно стремятся к улучшениям. Отметим, в частности, что большую выгоду может принести создание более эффективных с экономической точки зрения составных разделительных пластин.

Данное изобретение предлагает узел разделительной пластины, обладающий лучшими свойствами, чем традиционные конфигурации, лишенный их недостатков и обеспечивающий повышение экономической эффективности.

Раскрытие изобретения

Пример узла разделительной пластины, применимого в топливных элементах, включает слой разделительной пластины. Первый слой поля потока, плотный и гидрофобный, содержит гидрофобный полимер, который скрепляет первый слой поля потока с первой стороной слоя разделительной пластины. Второй слой поля потока, плотный и гидрофобный, содержит гидрофобный полимер, скрепляющий второй слой поля потока со второй стороной слоя разделительной пластины.

В одном примере первый и второй слои полей потоков содержат пластинчатые частицы натурального графита и гидрофобный полимер.

В одном примере слой разделительной пластины содержит графит и гидрофобный полимер. В этом примере гидрофобный полимер слоя разделительной пластины служит также для прикрепления слоев полей потоков к противоположным сторонам слоя разделительной пластины.

В другом примере разделительная пластина является углеродной разделительной пластиной.

В другом примере узел разделительной пластины для топливных элементов имеет слой разделительной пластины, содержащий графит и гидрофобный полимер. Первый и второй слои полей потоков скрепляются с соответствующими противоположными сторонами слоя разделительной пластины по крайней мере посредством гидрофобного полимера, содержащегося в слое разделительной пластины. В одном примере по крайней мере один из слоев полей потоков содержит графит и гидрофобный полимер. В другом примере по крайней мере один из слоев полей потоков содержит пористый графит. В другом примере оба слоя потока содержат графит и гидрофобный полимер. В другом примере весь узел разделительной пластины является монолитной структурой, состоящей из сходных материалов. В этом примере не существует никакого разграничения по составу материала между слоем разделительной пластины и слоями полей потоков.

Примерный способ изготовления узла разделительной пластины для топливных элементов включает формирование слоя разделительной пластины. По крайней мере один плотный и гидрофобный слой поля потока формируется из графита и гидрофобного полимера. Примерный способ включает прикрепление слоя поля потока к слою разделительной пластины посредством по крайней мере гидрофобного полимера, входящего в слой поля потока.

В одном примере слой разделительной пластины формируется из графита и гидрофобного полимера. В подобных примерах два слоя скрепляются между собой гидрофобным полимером слоя разделительной пластины и гидрофобным полимером слоя поля потока.

Различные особенности и преимущества данного изобретения станут очевидными специалистам в данной области из следующего далее подробного описания предпочтительных в настоящее время воплощений. Чертежи, сопровождающие подробное описание, могут быть кратко охарактеризованы следующим образом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведен схематический вид в перспективе примера узла разделительной пластины, соответствующего некоторому воплощению данного изобретения.

На фиг.2-4 схематически представлен примерный способ изготовления узла разделительной пластины, в соответствии с некоторым воплощением данного изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан узел 20 разделительной пластины, применимый в топливных элементах. Узел 20 разделительной пластины данного примера имеет слой 22 разделительной пластины. Слой 24 первого потока прикреплен к одной стороне слоя 22 разделительной пластины. Слой 26 второго потока прикреплен ко второй стороне (находящейся напротив первой стороны) слоя 22 разделительной пластины.

Каждый из слоев 24, 26 потоков имеет каналы, которые могут быть известными способами сформированы в слое потока. Первый слой 24 потока имеет группу каналов 28, а второй слой 26 потока - группу каналов 30. Предпочтительно, чтобы каналы были направлены взаимно перпендикулярно, как показано на фиг.1.

Материалы, выбираемые для формирования различных слоев узла 20 разделительной пластины, могут варьироваться, чтобы удовлетворять требованиям, обусловленным конкретными ситуациями. Несколько не имеющих аналогов сочетаний материалов описаны в качестве примерных воплощений данного изобретения.

В одном примере слой 22 разделительной пластины содержит графит и гидрофобный полимер. В одном примере графит представляет собой натуральные пластинки графита, а гидрофобный полимер - фторзамещенный полимер. Натуральные пластинки графита в одном примере могут быть термически очищены до такой степени, как в продукте SGC 2900, поставляемом компанией Superior Graphite Company (Чикаго, штат Иллинойс), с целью уменьшить коррозию графита. Фторзамещенный полимер, фигурирующий в одном примере, предлагается компанией DuPont под торговой маркой FEP TEFLON. Могут применяться также тефлоны типа PFA.

В одном примере слой 22 разделительной пластины содержит от 70% до 80% пластинчатого графита, оставшаяся часть представляет собой гидрофобный полимер. В одном предпочтительном примере содержание гидрофобного полимера составляет 25%, а содержание пластинчатого графита - 75%.

Одно из преимуществ применения графита и гидрофобного полимера для формирования слоя 22 разделительной пластины состоит в том, что содержащийся в слое 22 разделительной пластины гидрофобный полимер может служить для прикрепления одного или большего числа слоев 24, 26 потоков к слою 22 разделительной пластины. При такой конфигурации в процессе производства становятся ненужными межслойные пленки, благодаря чему снижаются стоимость материалов и трудоемкость.

В другом примере узел разделительной пластины включает слой 22 разделительной пластины, сформированный из графита и гидрофобного полимера. По крайней мере один из слоев 24, 26 потоков содержит графит и гидрофобный полимер. Для формирования слоя потока и слоя разделительной пластины используются разные соотношения графита и гидрофобного полимера. В одном примере слой 24 потока состоит приблизительно из 11% FEP-тефлона, взятого в качестве гидрофобного полимера, и приблизительно из 89% пластинчатого графита. Слой 22 разделительной пластины в этом примере содержит графит в количестве 75% и FEP-тефлон в количестве 25%.

В другом примере один из слоев потоков содержит пористый графит. В одном примере слой 22 разделительной пластины содержит 75% графита и 25% полимера, слой 26 потока содержит 89% графита, и слой 24 потока содержит пористый графит.

Предпочтительно применять для формирования слоя 22 разделительной пластины более высокую концентрацию гидрофобного полимера, чтобы обеспечить достаточно низкую скорость диффузии водорода в направлении, поперечном по отношению к слою разделительной пластины. Кроме того, достаточно высокое содержание гидрофобного полимера в слое 22 разделительной пластины обеспечивает достаточно низкую скорость переноса кислоты через разделительную пластину. Слой разделительной пластины, изготовленный в соответствии с одним из воплощений данного изобретения, позволяет достичь беспрецедентно низкой скорости переноса кислоты по сравнению с предшествующими конфигурациями.

В одном примере оба слоя 24 и 26 потоков формируются с использованием графита и гидрофобного полимера. При такой конфигурации гидрофобный полимер каждого слоя служит для прикрепления этого слоя к соответствующему смежному слою. Как и раньше, тот факт, что гидрофобный полимер по крайней мере одного из слоев служит для прикрепления этого слоя к следующему слою, устраняет необходимость использовать межслойные пленки, полимеры или клеи для скрепления слоев.

В одном примере слой 22 разделительной пластины также содержит графит и гидрофобный полимер. Гидрофобный полимер может представлять собой любой термопласт, который химически и физически совместим со средой, создающейся в топливном элементе, и имеет поверхностную энергию, меньшую 25 дин/см.

В одном примере узел разделительной пластины включает слой 22 разделительной пластины, содержащий от примерно 15% до примерно 30% тефлона марки FEPTE9050, предлагаемого компанией DuPont. Соответственно, остальную часть материала слоя 22 разделительной пластины составляет термически очищенный пластинчатый графит степени очистки, соответствующей материалу #2901C компании Superior Graphite Company. В одном предпочтительном примере приблизительно 25% FEP-тефлона, взятого в качестве гидрофобного полимера, сочетаются примерно с 75% пластинчатого графита. Такой предпочтительный состав обеспечивает коэффициент теплопроводности, равный 4,2 БТЕ/ч/фут/°F (1 БТЕ=0,252 ккал), электрическое сопротивление, соответствующее падению напряжения на величину 0,055 мВ на 1 мил толщины (0,254 мм) при токе, равном 100 А/кв. фут (0,1 А/см²), пористость, равную примерно 2-3%, средний размере пор, равный 0,005 микрона, поверхностную энергию, равную примерно 35 дин/см, коэффициент теплового расширения, равный примерно 5-10 миллионных долей на °F, и коррозионный ток, примерно равный (при 1150 мВ в течение 100 минут) 0,5 мкА/мг в 100%-ной Н₃РO₄ при 400°F (204,4°C).

В другом примере оба слоя 24 и 26 потоков содержат графит и гидрофобный полимер. Слой 22 разделительной пластины содержит углерод и формируется как обычный слой разделительной пластины.

В другом примере узел 20 разделительной пластины имеет монолитную структуру, где поля 24, 26 потоков и слой 22 разделительной пластины имеют однородный состав, и в узле разделительной пластины отсутствуют какие-либо дискретные области. Другими словами, узел 20 разделительной пластины данного примера имеет однородный состав материала во всем объеме узла разделительной пластины, и отсутствуют какие-либо границы между слоями 22, 24 и 26, обусловленные различиями по составу или по физическим свойствам.

Узел 20 разделительной пластины примера содержит пластинчатый графит и гидрофобный полимер. В одном примере монолитный узел 20 разделительной пластины содержит приблизительно 15-25% гидрофобного полимера, а остальную часть составляет пластинчатый графит. Один предпочтительный состав содержит 20% гидрофобного полимера, а остальную часть составляет термически очищенный пластинчатый графит.

Примерные способы изготовления такого узла разделительной пластины (см. фиг.2-4) включают применение пресс-формы 40, имеющей формообразующее углубление 42, и соответствующего ему поршня (плунжера) 44, используемых для формирования слоев узла разделительной пластины. Как схематично показано на фиг.2, слой 26 потока может быть заранее создан в форме 40 путем помещения в нее соответствующего количества материала выбранного состава, требуемого для формирования слоя 26 потока. Для целей обсуждения описываемый примерный способ включает применение графита и гидрофобного полимера при формировании всех трех слоев узла разделительной пластины. В данном примере соответствующая смесь, состоящая из графита и гидрофобного полимера, помещается в углубление 42 формы. Поршень 44, соответствующий форме, уплотняет смесь при требуемом давлении, например, равном 2000 фунтов/кв. дюйм (13970 кПа).

Затем для формирования слоя 22 разделительной пластины, как схематично показано на фиг.3, на верхнюю поверхность уплотненного материала слоя 26 потока помещается смесь графита и гидрофобного полимера. Как сказано выше, предпочтителен такой состав смеси графита и полимера для слоя 22 разделительной пластины, который имеет более высокое содержание гидрофобного полимера, что позволяет достичь благоприятных (малых) величин диффузии в газовой фазе и скорости переноса кислоты, как указано выше. Когда материал слоя 22 разделительной пластины помещен в полость 42, поршень 44 уплотняет как этот слой, так и слой 26 потока, развивая давление, равное, например, 2000 фунтов/кв. дюйм (13970 кПа), нужное для уплотнения обоих слоев.

Как схематично показано на фиг.4, для формирования слоя 22 разделительной пластины в углубление 42 формы помещается слой смеси графита и гидрофобного полимера, который соприкасается со слоем уплотненного материала. Слой 24 для формирования потока в иллюстрирующем примере помещается поверх уплотненного материала слоя разделительной пластины 22. Затем с помощью поршня 44 сжатию подвергаются все три слоя при нужном давлении, например, равном 2000 фунтов/кв. дюйм (13970 кПа).

После уплотнения всех слоев они примыкают друг к другу в желательной конфигурации; далее весь узел пластины нагревается до температуры, равной в одном примере примерно 650°F (343,3°С) при давлении 750 фунтов/кв. дюйм (5171 кПа) в течение примерно двадцати минут. Затем весь узел пластины охлаждается при том же давлении до температуры, меньшей 400°F (204,4°C). Охлаждение до температуры окружающей среды может производиться при меньшем давлении (то есть, меньшем 750 фунтов/кв. дюйм (5171 кПа)). При нагревании узла пластины до 650°F (343,3°С) гидрофобный полимер плавится, что позволяет ему проникать в пустоты между частицами графита. Это делает пористость слоя минимальной. При охлаждении слоя до 400°F (204,4°С) расплавленный полимер затвердевает, в результате чего происходит скрепление графитовых частиц и слоев.

Весь узел пластины может быть далее извлечен из углубления 42 формы, а затем отделимые (антиадгезионные) пленки, покрывавшие самые внешние поверхности узла разделительной пластины, могут быть удалены. Далее в слоях потоков могут быть известными способами сформированы каналы для полей потоков.

В примере, где только слой 22 разделительной пластины содержит графит и гидрофобный полимер, слои потоков могут быть сформированы заранее, а уплотнение, описанное выше, может потребоваться только после помещения в углубление формы материала для слоя 22 разделительной пластины.

В другом примере порошкообразные материалы для слоев 26, 22, 24 последовательно загружаются в форму без какого-либо уплотнения при комнатной температуре.

В примере, где только один слой потока содержит графит и гидрофобный полимер, последовательность этапов термообработки, описанная выше, может выполняться после завершения этапов, результат которых схематично показан на фиг.3, например, при изготовлении пластины неполного состава, которая далее может быть известными способами скреплена с другим слоем потока.

В другом примере узлы 20 разделительных пластин могут быть подвергнуты уплотнению с помощью сдвоенного пресса с бесконечным формоносителем, который работает известным способом.

Формирование плотных гидрофобных слоев потоков на противоположных сторонах слоя разделительной пластины и использование гидрофобного полимера, содержащегося в слое потока, для прикрепления указанных слоев к слою разделительной пластины обеспечивает улучшенную конфигурацию, как указано выше. Для такой конфигурации возможно улучшить эксплуатационные показатели и снизить стоимость. Применение слоя разделительной пластины, содержащего графит и гидрофобный полимер, также способствует улучшению эксплуатационных показателей и снижению стоимости. Для того чтобы удовлетворить требованиям, обусловленным конкретными ситуациями, могут применяться сочетания одного или нескольких таких слоев. Специалисты в данной области, которым данное описание может оказаться полезным, смогут решить, какие именно сочетания окажутся наиболее эффективными в конкретных ситуациях.

Данное выше описание следует рассматривать как иллюстративное и не имеющее ограничительного характера. Вариации и модификации описанных примеров, которые могут оказаться очевидными для специалистов в данной области, необязательно будут выходить за пределы области, соответствующей сущности данного изобретения. Рамки патентно-правовой защиты данного изобретения могут быть определены только в результате изучения следующей далее формулы изобретения.

Изобретение относится к топливным элементам, более конкретно к узлам разделительных пластин для топливных элементов. Согласно изобретению узел разделительной пластины (20) для топливных элементов включает слой (22) разделительной пластины и слои (24, 26) полей потоков. Слой (22) разделительной пластины содержит графит и гидрофобный полимер. Гидрофобный полимер слоя (22) разделительной пластины служит для скрепления слоя разделительной пластины со слоями потоков, расположенными на противоположных сторонах слоя разделительной пластины. В одном примере по крайней мере один из слоев (24, 26) полей потоков содержит графит и гидрофобный полимер, и слой поля потока является гидрофобным и плотным. В другом примере два содержащих графит и гидрофобный полимер слоя поля потоков примыкают к противоположным сторонам слоя разделительной пластины. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных показателей и снижение стоимости. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Узел разделительной пластины для топливных элементов, отличающийся тем, что он содержит слой разделительной пластины, первый плотный гидрофобный слой поля потока, примыкающий к первой стороне слоя разделительной пластины, и второй плотный гидрофобный слой поля потока, примыкающий ко второй стороне слоя разделительной пластины.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что первый и второй слои полей потоков содержат пластинчатый графит и гидрофобный полимер.

3. Узел по п.2, отличающийся тем, что графит является натуральным пластинчатым графитом.

4. Узел по п.3, отличающийся тем, что графит является термически очищенным натуральным пластинчатым графитом.

5. Узел по п.4, отличающийся тем, что слой разделительной пластины является углеродной разделительной пластиной.

6. Узел по п.2, отличающийся тем, что слой разделительной пластины содержит пластинчатый графит и гидрофобный полимер.

7. Узел по п.6, отличающийся тем, что гидрофобный полимер имеет поверхностную энергию, меньшую 25 дин/см.

8. Узел по п.6, отличающийся тем, что графит, содержащийся в слое разделительной пластины, является термически очищенным натуральным пластинчатым графитом.

9. Узел по п.6, отличающийся тем, что первый и второй слои полей потоков содержат смесь пластинчатого графита и гидрофобного полимера, характеризующуюся первым процентным соотношением, а слой разделительной пластины содержит смесь пластинчатого графита и гидрофобного полимера, характеризующуюся вторым процентным соотношением, отличным от первого процентного отношения.

10. Узел по п.6, отличающийся тем, что слой разделительной пластины содержит примерно от 70 до 80% пластинчатого графита, а оставшуюся часть составляет гидрофобный полимер.

11. Узел по п.6, отличающийся тем, что он состоит из однородного материала, являющегося смесью пластинчатого графита и гидрофобного полимера.

12. Узел по п.11, отличающийся тем, что каждый слой содержит примерно 80% пластинчатого графита и примерно 20% гидрофобного полимера.

13. Узел по п.2, отличающийся тем, что гидрофобный полимер установлен с возможностью скрепления слоев полей потоков со слоем разделительной пластины.

14. Узел разделительной пластины для топливных элементов, отличающийся тем, что он содержит слой разделительной пластины, содержащий пластинчатый графит и гидрофобный полимер, и первый и второй слои полей потоков, смежные соответствующим противоположным сторонам слоя разделительной пластины.

15. Узел по п.14, отличающийся тем, что слой поля потока скреплен со слоем разделительной пластины по крайней мере гидрофобным полимером, содержащимся в слое разделительной пластины.

16. Узел по п.14, отличающийся тем, что по крайней мере один из слоев полей потоков является плотным и гидрофобным и содержит пластинчатый графит и гидрофобный полимер.

17. Узел по п.16, отличающийся тем, что первый и второй слои полей потоков содержат смесь пластинчатого графита и гидрофобного полимера, характеризующуюся первым процентным соотношением, а слой разделительной пластины содержит смесь пластинчатого графита и гидрофобного полимера, характеризующуюся вторым процентным соотношением, отличным от первого процентного отношения.

18. Узел по п.16, отличающийся тем, что оба слоя поля потоков являются плотными и гидрофобными.

19. Узел по п.18, отличающийся тем, что он состоит из однородного материала, являющегося смесью пластинчатого графита и гидрофобного полимера.

20. Узел по п.19, отличающийся тем, что каждый из слоев содержит примерно 80% пластинчатого графита и примерно 20% гидрофобного полимера.

21. Узел по п.20, отличающийся тем, что пластинчатый графит является термически очищенным натуральным пластинчатым графитом.

22. Узел по п.20, отличающийся тем, что гидрофобный полимер имеет поверхностную энергию, меньшую 25 дин/см.

23. Узел по п.14, отличающийся тем, что гидрофобный полимер имеет поверхностную энергию, меньшую 25 дин/см.

24. Узел по п.14, отличающийся тем, что один из слоев полей потоков является пористым и содержит графит.

25. Узел по п.14, отличающийся тем, что слой разделительной пластины содержит примерно от 70 до 80% пластинчатого графита, а остальную часть составляет гидрофобный полимер.

26. Способ изготовления узла разделительной пластины для топливных элементов, отличающийся тем, что формируют слой разделительной пластины с использованием пластинчатого графита и гидрофобного полимера, формируют по крайней мере один слой поля потока с использованием пластинчатого графита и гидрофобного полимера, причем по крайней мере один из этих слоев является плотным и гидрофобным, затем прикрепляют слой поля потока к слою разделительной пластины посредством гидрофобного полимера.

27. Способ по п.26, отличающийся тем, что формируют слой потока и слой разделительной пластины с использованием пластинчатого графита и гидрофобного полимера и затем прикрепляют слой поля потока к слою разделительной пластины посредством гидрофобного полимера, содержащегося в слое разделительной пластины и слое поля потока.

28. Способ по п.26, отличающийся тем, что формируют два плотных гидрофобных слоя полей потоков с использованием пластинчатого графита и гидрофобного полимера и затем прикрепляют слои полей потоков к соответствующим противоположным сторонам слоя разделительной пластины посредством гидрофобного полимера, содержащегося в соответствующих слоях полей потоков.

29. Способ по п.26, отличающийся тем, что при формировании слоя поля потока уплотняют пластинчатый графит и гидрофобный полимер, при формировании слоя разделительной пластины, примыкающего к уплотненному материалу слоя поля потока, уплотняют дополнительное количество пластинчатого графита и гидрофобного полимера, затем нагревают уплотненные материалы и тем самым скрепляют слой разделительной пластины со слоем поля потока.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что перед нагреванием уплотняют дополнительное количество пластинчатого графита и гидрофобного полимера и тем самым формируют второй плотный и гидрофобный слой поля потока на противоположной стороне уплотненного слоя разделительной пластины, скрепляют два слоя полей потоков со слоем разделительной пластины посредством гидрофобного полимера, содержащегося соответственно в слоях полей потоков и в слое разделительной пластины.