Батарея водородно-воздушных топливных элементов Российский патент 2025 года по МПК H01M8/204 H01M8/26 H01M4/86 

Изобретение относится к области создания батарей водородно-воздушных топливных элементов (далее - ТЭ) с моно- и биполярными пластинами нового типа, отличающимися повышенной механической прочностью, газонепроницаемостью, высокой коррозионной устойчивостью и электропроводностью.

Батареи водородно-воздушных ТЭ состоят из ряда отдельных подключенных последовательно водородно-воздушных ячеек, включающих один мембранно-электродный блок (далее - МЭБ). Такая система (батарея) состоит из МЭБ, соединенных между собой биполярными электродными пластинами. На концах батареи находятся концевые монополярные пластины. В процессе работы батареи водород и кислород (воздух) поступают через биполярные пластины к электродам каждого МЭБ, и на катализаторах в активных слоях электродов протекает электрохимическая реакция.

Биполярные пластины являются одним из наиболее важных конструкционных элементов в батареях ТЭ, обеспечивающих протекание ряда процессов и обладающих необходимыми для их осуществления свойствами: механическая прочность, высокая электропроводность, герметичность в отношении пропускания газа в другую камеру, легкость и коррозионная устойчивость, эффективная подача газов и при необходимости обеспечение увлажнения, охлаждения или нагрева. В конструкции биполярной пластины (анодной и катодной половине) имеются входы и выходы для водорода, а также входы и выходы для воздуха, соответственно.

В ряде патентов обсуждается и предлагается структура каналов для подачи водорода и воздуха при использовании широкого круга материалов для изготовления биполярной пластины. В частности, в патенте CN 214203743 от 14.09.2021 описана композитная графитовая биполярная пластина на основе терморасширенного графита с введением специальных добавок, обеспечивающих высокую проводимость и подачу газов.

В патентах CN 112038666 от 04.12.2020 и CN 211320218 от 21.08.2020 предложена конструкция биполярной пластины с подробным описанием имеющихся в ней каналов и теплообменников, а также с изложением принципов выбора теплоносителя в зависимости от назначения биполярной пластины.

В патенте CN 109216734 от 15.01.2019 предложена конструкция биполярной пластины, включающая анодную и катодную пластины. Анодная пластина снабжена газораспределительным устройством для водорода (прямые или змеевидные каналы), а катодная пластина - множеством канавок для подачи воздуха. С обратной стороны катодной пластины имеются каналы для охлаждающей жидкости. Каналы охлаждения расположены перпендикулярно каналам подачи газа. Дополнительно применяется охлаждение воздухом. Такая двойная система охлаждения позволяет обеспечить однородное распределение температуры в биполярной пластине и ТЭ в целом. В состав материала пластин входит графен, что позволяет повысить проводимость пластины.

В патенте CN 208507831 от 15.02.2019 описана конструкция газораспределительной пластины, обеспечивающая герметичность, равнодоступность всей реакционной поверхности для поступающего газа и эффективный вывод продуктов реакции. Газораспределительная пластина обеспечивает разряд с высокими плотностями тока и включает соединенные вместе катодную и анодную газораспределительные пластины с ребристыми каналами для кислорода, водорода и воды (охлаждающей жидкости), причем часть каналов для воздуха, водорода и воды в катодной пластине соединена с соответствующими каналами в анодной пластине. Поверхность всей пластины гидрофилизирована, что обеспечивает эффективный вывод воды из гидрофобного газодиффузионного слоя и предотвращает затопление электродов.

В патенте CN 159110800 от 01.07.2015 предложена газораспределительная пластина, представляющая собой двойную прямоугольную конструкцию, в которой две короткие стороны двух длинных концов прямоугольной пластины образуют выступающие части, снабженные отверстиями для доступа воздуха и водорода. Отверстия для доступа охлаждающей жидкости расположены на коротких краях двух длинных концов пластины, канал для охлаждающей жидкости проходит насквозь через обе части пластины. Внешние поверхности пластины рифленые для направления потоков воздуха и водорода. Такая конструкция позволяет снизить сопротивление потоку охлаждающей жидкости, подходит одновременно для высокотемпературных и низкотемпературных ТЭ и обеспечивает уменьшение гидравлического сопротивления охлаждающей жидкости, снижение склонности к засорению и повышение эффективности системы в целом.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции водородно-воздушной батареи ТЭ, принимаемой за прототип, является конструкция для водородно-воздушной батареи ТЭ мощностью 15 Вт, с биполярными и монополярными пластинами, выполненная из мелкозернистого графита высокого качества с маркировкой МПГ-7, имеющего пористость до 15% (патент РФ №2757662 от 20.10.2021).

Недостатками известных конструкций, в том числе прототипа, с пластинами из графита различных марок, в том числе графита высокого качества с маркировкой МПГ-7, является:

- наличие пористости до 15%, что требует тщательной обработки (пропитки) пластин лаком ЛФ-32ЛН для снижения пористости, в результате чего происходит снижение электропроводности;

- низкая механическая прочность в тонком слое с нанесенными каналами для подачи газов;

- низкая устойчивость в коррозионно агрессивной среде протекания реакции восстановления кислорода.

Техническим результатом изобретения является создание батареи водородно-воздушных топливных элементов с моно- и биполярными пластинами нового типа с высокой механической прочностью, что особенно важно при увеличении размеров МЭБ, отсутствием пористости, и, соответственно, проницаемости газов, высокой коррозионной устойчивостью, тепло- и электропроводностью.

Технический результат изобретения достигается тем, что в качестве материала для пластин нового типа используют титан, толщина пластины 3-5 мм, на катодной стороне выполнены вертикальные каналы шириной 1,4-1,6 мм и глубиной 1,5-2,0 мм, а на анодной стороне - серпантин с шириной канала 1,4-1,6 мм и глубиной 0,9-1,1 мм, пластины покрыты нитридом титана.

Толщина пластины 3-5 мм обусловлена необходимостью сохранения механической прочности пластины при условии нанесения на ней каналов. Основное назначение каналов подачи реагентов - газов, заключается в равномерной подаче водорода на всю площадь анода и кислорода воздуха на всю площадь катода. При этом для подачи воздуха используют каналы, ширина и глубина которых, обеспечивает эффективную подачу воздуха и отвод продукта реакции - воды, что требует выбора оптимального соотношения площади каналов и сохранения прочности пластины. В данной конструкции расчетно были установлены и экспериментально подтверждены размеры вертикальных каналов на катодной стороне 1,4-1,6 мм ширины и 1,5-2,0 мм глубины. Механическая прочность при этом сохраняется при использовании титана в качестве материала пластин. Особое внимание уделяется подаче водорода, который должен быть максимально закрыт от возможности поступления в катодную камеру и равномерно подаваться ко всей поверхности анода и максимально участвовать в реакции окисления водорода в течение всего времени движения по длинному серпантину. Кроме того, такая конструкция серпантина для подачи водорода предусматривает возможность создания замкнутого контура поступления водорода, т.е. предполагается дожигание водорода, не полностью израсходованного при первом прохождении через серпантин. Глубина канала на анодной стороне в 0,9 мм достаточна для эффективного прохождения такого канала водородом, глубина канала более 1,1 мм не требуется и технически невозможна из-за ограничения по толщине пластины. При этом сохраняется механическая прочность самой пластины. Ширина канала на анодной стороне 1,4-1,6 мм была рассчитана и задана на основании анализа имеющихся данных и собственных экспериментальных результатов.

Наиболее важные преимущества предлагаемых изменений конструкции:

- титан позволяет существенно уменьшить толщину и вес биполярной пластины (за счет существенного, в 10-15 раз, уменьшения толщины пластины). Использовать тонкие графитовые пластины не представляется возможным из-за их хрупкости. Даже графитовые композитные пластины из графитового порошка с пластификатором не позволяют получить изделия толщиной менее 3-4 мм. За счет меньшей толщины габариты топливного элемента также уменьшатся;

- меньшая масса пластин позволит использовать вентилятор с меньшей мощностью;

- управляя способом обработки поверхности титана, можно уменьшить контактное сопротивление и потери на нем;

- существенно более высокая механическая прочность, стойкость к истиранию, отсутствие хрупкости;

- благодаря покрытию пластины нитридом титана обеспечивается высокая коррозионная устойчивость, тепло- и электропроводность.

Пример реализации.

Согласно изобретению: батарея водоро дно-воздушного низкотемпературного ТЭ, биполярные и монополярные пластины которой изготовлены из титана и покрыты нитридом титана. В соответствии с представленными фигурами 1-3, батарея ТЭ, содержащая 10 МЭБ, включает 9 биполярных пластин (фиг. 1), одну анодную монополярную пластину (фиг. 2) и одну катодную монополярную пластину (фиг. 3). Обработку пластин по разработанным эскизам проводят на станках, обеспечивающих требования по точности фрезеровки - погрешность не более 30 мкм.

Требования по плоскости деталей - погрешность не более 20 мкм.

Требование по шлифовке плоскости - чистота обработки поверхности в пределах 1,5-2,5 мкм (не ниже 6 класса).

Толщина покрытия - нитрида титана 3-4 мкм.

На фигуре 1 представлен общий вид биполярной пластины (материал - титан), где:

1 - серпантин для подачи водорода к газодиффузионному слою;

2 - каналы подачи воздуха из внешней среды;

3 - сквозные каналы ввода водорода/отвода продуктов реакции из серпантина;

4 - монтажное отверстие.

На фигуре 2 представлен общий вид анодной монополярной пластины (материал - титан), где:

1 - серпантин для подачи водорода к газодиффузионному слою;

2 - сквозные канаты ввода водорода/отвода продуктов реакции из серпантина;

3 - монтажное отверстие.

На фигуре 3 представлен общий вид катодной монополярной пластины (материал - титан), где:

1 - каналы подачи воздуха из внешней среды (катод);

2 - сквозные каналы ввода водорода/отвода продуктов реакции из серпантина;

3 - монтажное отверстие.

После выполнения работ по нанесению каналов для подачи газов и технологических отверстий для сборки на пластины наносят нитрид титана. Такая обработка обеспечивает высокую электропроводность, теплопроводность и предотвращает пассивацию титана.

Испытания функционирования батарей водородно-воздушного ТЭ проводили при использовании стандартного испытательного стенда для одиночного МЭБ (фиг. 4). На фигурах 5 и 6 представлены результаты измерений на модернизированном стенде, с нагрузкой, обеспечивающей пропускание тока до 50 A и напряжении до 10 В.

На фигуре 4 отражены токовые и мощностные характеристики топливного элемента (H₂ - воздух). На катоде с содержанием Pt 0,55 мг/см², на аноде с содержанием Pt 0,20 мг/см². Количество МЭБ - 1 шт. Мощность вентилятора 1,8 Вт. Расход водорода - 0,5 л/мин, без нагрева, без увлажнения.

На фигуре 5 отражены токовые и мощностные характеристики топливного элемента (Н₂ - воздух). На катоде с содержанием Pt 0,55 мг/см², на аноде с содержанием Pt 0,20 мг/см². Количество МЭБ - 4 шт. Расход водорода 1,0 л/мин (max значение для испытательного стенда), без нагрева, без увлажнения.

На фигуре 6 отражены токовые и мощностные характеристики топливного элемента (H₂ - воздух). На катоде с содержанием Pt 0,55 мг/см², на аноде с содержанием Pt 0,20 мг/см². Количество МЭБ - 7 шт. Мощность вентилятора 3,2 Вт. Расход водорода 2,0 л/мин, без нагрева, без увлажнения.

Как видно из представленных данных использование биполярных пластин из титана обеспечивает эффективную сборку батареи с различным числом МЭБ при этом габаритные характеристики батареи по меньшей мере в два раза меньше, чем при использовании пластин из углеродного материала при близких массовых характеристиках, не проницаемы для газов, и имеют высокие тепло- и электропроводность.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к созданию батарей водородно-воздушных топливных элементов с моно- и биполярными пластинами. Повышение механической прочности, газонепроницаемости, коррозионной устойчивости и электропроводности является техническим результатом, который достигается за счет того, что применяются моно- и биполярные пластины нового типа с высокой механической прочностью, что в качестве материала для пластин используют титан, покрытый нитридом титана, при этом толщина пластины составляет 3-5 мм, на катодной стороне выполнены вертикальные каналы шириной 1,4-1,6 мм и глубиной 1,5-2,0 мм, а на анодной стороне серпантин каналов с шириной канала 1,4-1,6 мм и глубиной 0,9-1,1 мм. 6 ил.

Батарея водородно-воздушных топливных элементов с моно- и биполярными пластинами, отличающаяся тем, что ее моно- и биполярные пластины изготовлены из титана толщиной 3-5 мм, на катодной стороне пластин нанесены вертикальные каналы шириной 1,4-1,6 мм и глубиной 1,5-2,0 мм, на анодную сторону пластин нанесен серпантин каналов шириной 1,4-1,6 мм и глубиной канала 0,9-1,1 мм для подачи водорода, пластина с двух сторон покрыта нитридом титана.