Биполярная пластина топливного элемента Российский патент 2023 года по МПК H01M8/02 H01M8/263 

Изобретение относится к области прямого преобразования химической энергии в электрическую, в частности к конструкции биполярной пластины топливного элемента (ТЭ).

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).

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.

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.

Указанная конструкция биполярной пластины ТЭ является наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемого устройства и принимается за прототип.

Недостатками технических решений аналога являются:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Техническим результатом заявляемой конструкции биполярной пластины ТЭ, при устранении указанных недостатков, является упрощение конструкции, повышение надежности и расширение компоновочных возможностей.

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°.

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.

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.

Внешний контур пластины также может быть выполнен в форме окружности с центром, совпадающим с центром симметрии шестиугольника активной области.

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.

Заявленное техническое решение проиллюстрировано графическими материалами, где:

На фиг.1 изображен тонколистовой металлический элемент биполярной пластины ТЭ с совпадающими центрами симметрий и диагоналями шестиугольников активной области и внешнего контура;

На фиг.2 изображена биполярная пластина ТЭ из двух, соединенных сваркой элементов с фиг.1;

На фиг.3 изображена биполярная пластина ТЭ с диагоналями шестиугольников активной области и внешнего контура, расположенных между друг другом;

На фиг.4 изображена биполярная пластина ТЭ с внешним контуром в форме окружности;

На фиг.5 (элемент А с фиг.2) изображен фрагмент участка пересечения прямолинейными каналами волнообразных каналов между элементами в активной области;

На фиг.6 (элемент Б с фиг.2) изображен фрагмент контурного сварного шва с местом пересечения линейных отрезков швов.

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:

- в форме правильного шестиугольника с совпадающими диагоналями 14 и центром симметрии 15 шестиугольника 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;

- в форме окружности с центром, совпадающим с центром симметрии 15 шестиугольника 3 активной области 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.

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.

Предлагаемая биполярная пластина ТЭ позволяет достичь следующих результатов:

1. Упростить конструкцию за счет существенного уменьшения площади занимаемой волнообразными каналами в активной области.

2. Повысить надежность в работе за счет:

- равномерного расположения коллекторов с рабочими средами по периметру шестиугольной активной области;

- упрощения конструкций каналов для охлаждающей среды в активной области;

- исключения сварочных деформаций биполярной пластины ТЭ.

3. Повысить компоновочные возможности за счет:

- расположения одноименных газовых коллекторов, с коллектором охлаждающей среды между ними, с каждой стороны от оси поворота;

- выполнения смены направлений частей прямолинейных каналов и общего их поворота на 180° вокруг центра симметрии шестиугольника активной области;

- 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.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к биполярной пластине топливного элемента, которая содержит два одинаковых тонколистовых элемента с гофрированным рельефом. Повышение надежности биполярной пластины, а также расширение компоновочных возможностей является техническим результатом, который обеспечивается тем, что элементы биполярной пластины соединены контурными сварными швами с предварительным поворотом друг относительно друга на 180°, при этом гофрированный рельеф выполнен в равносторонней шестиугольной активной области в виде прямолинейных и волнообразных каналов, при этом напротив каждой стороны шестиугольника расположено по одному коллектору. Волнообразные и прямолинейные части каналов соединены друг с другом в точках пересечения диагоналей шестиугольника, где многократно меняют направления на 60° с общим поворотом на 180° вокруг центра симметрии с последующим соединением с волнообразными частями с одновременной сменой направления на 120°. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

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.

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.

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.

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.

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.

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.