ЕЛЕКТРОХИМИЧНА ЕНЕРГИЯ. 2009. Т. 9, № 3. С.161-165
UDC 66.02; 536.7;
МЕТОДИ ЗА ПОВЪРХНОСТНА ОБРАБОТКА НА ТИТАНИЕВИ БИПОЛЯРНИ ПЛОЧИ НА ВОДОРОД-ВЪЗДУШНИ ГОРИВНИ КЛЕТКИ
М. С. Власкин, Е. И. Школников, Е. А. Киселева, А. А. Чиненов* и В. П. Харитонов*
Институт по нови енергийни проблеми JIHT RAS, Москва, Русия *CJSC "Rimos", Москва, Русия E-mail: [имейл защитен]
Постъпила на 11.06.2009 г
Статията е посветена на изследването на влиянието на повърхностните обработки на биполярни плочи (BP) върху специфичните електрически характеристики на горивните клетки (FC). Изследванията са проведени върху плочи на основата на титан. Разглеждат се два метода за обработка на BP: електрохимично позлатяване и имплантиране на въглеродни йони. Представени са кратки описания на горните технологии, както и методологията и резултатите от експериментите. Показано е, че както златното покритие, така и въглеродното легиране на повърхността на титаниеви BP подобряват електрическите характеристики на FC. Относителното намаление на FC омичните съпротивления в сравнение с титаниеви плочи без покритие е 1,8 за електрохимично позлатяване и 1,4 за йонна имплантация.
Ключови думиКлючови думи: водородно-въздушни горивни клетки, биполярни пластини на основата на титан, въглеродна имплантация, импедансна спектроскопия.
Работата е посветена на изследването на влиянието на повърхностните обработки на биполярни плочи (BP) върху специфичните електрически характеристики на гориво ce)(s (FC). Изследванията са проведени върху плочи на базата на титан. Два метода за обработка на BP са разгледани: електрохимично позлатяване и йонна имплантация на въглерод В работата са представени кратки описания на получените технологии, както и техника и резултати от експерименти В работата е показано, че като позлатяване и йонна имплантация на въглерод титанови BP електрическите характеристики FC се подобряват. Относителното намаление на омичното съпротивление FC в сравнение с "чистите" титанови плочи е 1,8 за електрохимично позлатяване и 1,4 за йонна имплантация.
Ключови думи: водородно-въздушни горивни клетки, биполярни титаниеви плочи, въглеродна имплантация, импедансна спектроскопия.
ВЪВЕДЕНИЕ
В момента в света се използват два основни вида материали за BP: BP от въглеродни или графитни полимерни композити и метални BP.
Изследванията в областта на графитните BP са довели до значително подобрение на техните физични и химични свойства и специфични характеристики. Базираните на графит PSU са по-устойчиви на корозия от металните, но основният им недостатък все още е слабата им механична якост, което не позволява използването им в горивни клетки за транспорт и преносими преносими електроцентрали.
В това отношение металите имат няколко неоспорими предимства пред въглеродните материали. Характеризират се с по-висока топло- и електропроводимост, липса на пори, газонепропускливост и висока механична якост. Металните PSU също са по-икономични от графитните PSU. Въпреки това, всички горепосочени предимства на металите са до голяма степен амортизирани от такива недостатъци като ниска устойчивост на корозия и висока устойчивост на контакт с дифузионни слоеве на въглероден газ (GDL).
Най-обещаващият метал като материал за производство на захранвания е титанът. Документът представя някои предимства на титаниевите PSU. Титанът има добри механични свойства и замърсяването с титанови йони не е опасно за катализатора на мембранния електроден модул (MEA). Корозионната устойчивост на титана също е една от най-високите сред металите, но в агресивната среда на горивни клетки титанът все още трябва да бъде защитен от корозия. Допълнителен фактор при търсенето на покрития за титан е неговата висока контактна устойчивост с въглеродни HDS.
Нашата лаборатория (JIHT RAS Laboratory of Aluminium Hydrogen Energy) се занимава с разработването на преносими източници на енергия, базирани на горивни клетки водород-въздух (HHFC). Титанът беше избран като материал за BP, включително поради гореизложеното. Извършените от нас по-рано работи потвърдиха необходимостта от търсене на покрития и/или методи за тяхната допълнителна обработка.
Добре познат начин за защита на повърхността на титан е да се покрие със злато. Това покритие повишава устойчивостта на корозия и намалява омичното съпротивление на горивната клетка, което води до подобряване на нейните електрически характеристики. Тази технология обаче е
© 2009
М. С. ВЛАСКИН, Е. И. ШКОЛНИКОВ, Е. А. КИСЕЛЕВА, А. А. ЧИНЕНОВ, В. П. ХАРИТОНОВ
скъпо, главно поради използването на благородни метали.
В тази статия, в допълнение към електрохимичното позлатяване, се разглежда метод за производство на PB от титан с последваща обработка чрез йонна имплантация. Легирането на повърхността на BP с въглерод създава допълнителна защита от корозия и намалява контактното съпротивление с въглероден GDS. Тази технология обещава да намали разходите за производство на PSU, като същевременно поддържа високи електрически характеристики.
Документът представя резултатите от експерименти, сравняващи електрическите характеристики на захранващ блок, изработен от "чист" титан (т.е. без покрития), титан, електрохимично покрит със злато, и титан, легиран с въглерод чрез метода на йонна имплантация.
1. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА ТЕХНИКА
Кривата ток-напрежение и импедансът FC бяха избрани като електрически характеристики, с помощта на които горните методи за производство на захранване от титан бяха сравнени един с друг. Експериментите са проведени на специализиран импедансметър Z-500PX (с функциите на потенциостат), произведен от Elins LLC. FC беше зареден с електронен товар, вграден в импеданса в потенциостатичен режим при напрежения от 800, 700, 600 и 500 mV. При всяко напрежение FC беше задържан за 2000 s, за да достигне стабилно състояние, след което последва измерването на импеданса. Във всеки случай, след излагане и
когато горивната клетка достигна стационарно състояние, бяха направени 5 ходографа. При измерване на импеданса амплитудата на смущаващия синусоидален сигнал на напрежение е 10 mV, честотният диапазон е 105–1 Hz. Кривите ток-напрежение бяха начертани от стационарни стойности.
Всички експерименти бяха проведени върху специално изработени тестови модели HVFE (фиг. 1). Тестовият елемент е единичен MEA, поставен между две токоприемни плочи, които са аналози на крайните плочи в FC батерии. Габаритният размер на токоприемните пластини е 28х22 мм, дебелината е 3 мм всяка. За удобство на токосъбиране табелите имат специални "опашки" 4х4 мм. Размер на активната повърхност 12x18 mm (2,16 cm2). Водородът се подава към MEA през анодната токоприемна плоча и се разпространява според даденото поле на потока върху активната повърхност на тази плоча. Въздухът захранва VVTE поради естествена конвекция. Катодната колекторна плоча има 4 канала с диаметър 2 мм с прорези в зоната на активната повърхност. Дължината на канала, през който се разпределя въздуха е 22 мм. Триелементните MEA са направени от Mayop 212, с консумация на платинен катализатор от 0,2 mg/cm2 на анода и 0,5 mg/cm2 на катода.
Тестовите VVTE бяха сглобени от същите компоненти, с изключение на пластините за токоприемник. Три чифта токоприемни плочи са направени от титан VT1-0. Първата двойка беше "чист" смлян титан
Ориз. 1. Тествайте горивната клетка в сгъваемо състояние. Подробности отляво надясно: анодна токоприемна плоча, уплътнение, анод GDS, MEA, катод HDS, уплътнение, катодна токоприемна плоча; отдолу - фиксиращи винтове и гайки
плочи, т.е. без покрития и допълнителна обработка. Вторият беше покрит със злато с дебелина 3 µm през никелов подслой с дебелина 2 µm по стандартния електрохимичен метод. Третата двойка беше легирана с въглерод чрез йонна имплантация.
Технологичният процес на йонна имплантация е известен от около 50 години. Основава се на въвеждането на ускорени йони на вещество в целевия материал, за да се променят физичните и химичните свойства на неговата повърхност. Йонна имплантация на титанови BP и крайни пластини беше извършена на специализиран щанд на ЗАО "РИМОС". Стойката е инжектор, способен да създава ускорени йонни лъчи от различни вещества при условия на висок безмаслен вакуум. Титаниеви плочи, имплантирани на тази стойка, имат висока устойчивост на корозия и непрекъснатост на легирането. Титаниеви плочи бяха подложени на обработка с йонен лъч при йонна енергия от 20 keV, имплантационна доза от 1018 cm-2 и температура на обработения продукт от 300 °C ± 10 °C.
Дозата на имплантиране на въглерод се измерва по дълбочината на профила на разпределение на полирана титанова плоча чрез метода на вторична йонна масспектрометрия на оборудването CAMECA 1M84B (Франция). Кривата на разпределение на концентрацията на въглерод в титан е показана на фиг. 2. Според фигурата дълбочината на въглеродния повърхностен слой е 200^220 nm, което е достатъчно за получаване на принципно нови физични и химични свойства на повърхността на BP.
1016 _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Дълбочина, микрони
Ориз. 2. Крива на разпределение на концентрацията на въглерод в титан
2. РЕЗУЛТАТИ И ОБСЪЖДАНЕ
На фиг. Фигура 3 показва волт-ампер кривите и съответните криви на плътност на мощността за горивни клетки с различни токоприемни пластини. Абсолютните стойности на тока и мощността са свързани с активната повърхност на MEA, която е 2,16 cm2. От фигурата ясно следва, че както легирането с въглерод, така и електрохимичното позлатяване води до подобряване на специфичните характеристики на горивните клетки. Трябва да се отбележи, че волт-амперните характеристики едновременно показват активационни, омични и дифузионни загуби в горивна клетка. Загубите от активиране са свързани с преодоляване на енергийната бариера на електродните реакции, омичните загуби са сумата от електрическите съпротивления на всеки от електропроводимите FC слоеве и контактните съпротивления между тях, а загубите от дифузия са свързани с липсата на доставка на реагенти към MEA реакционна област. Въпреки факта, че в различни области на плътност на тока, като правило, преобладава един от трите вида загуби, изброени по-горе, волт-амперните криви и кривите на плътността на мощността не са достатъчни за количествено определянеедин или друг метод за обработка на BP (крайни плочи). В нашия случай интерес представляват омичните загуби на FC. Загубите от активиране и дифузия са едни и същи за всички горивни клетки в първото приближение: загуби от активиране, дължащи се на използването на същия MEA със същия разход на катализатор, загуби от дифузия, дължащи се на еднакъв дизайн на тестовите токоприемни пластини.
Получените в хода на експериментите ходографи на импеданса са използвани за идентифициране на омичните загуби. Резултатите от тази част от експериментите са показани на фиг. 4. Като пример, фигурите показват един от петте ходографа, взети във всеки случай, след като FC достигне стационарно състояние.
Импедансната спектроскопия дава възможност да се определят количествено електрическите загуби на FCs. Документите предоставят описание този методвъв връзка с VVTE. В съответствие с правилата за тълкуване на ходографи, омичното съпротивление е реалната част от импеданса при високи честоти (/ = 105-104 Hz). Стойността се избира в точката на пресичане на ходографа с абсцисната ос (1m R = 0) във високочестотната област. Също така с помощта на ходографи се намира капацитетът на двойния слой върху повърхността на електрода/електролита. Диаметърът на полукръга на ходографа характеризира общото съпротивление на преминаването на заряд през този слой. На фиг. В гамата са представени 4 импедансни ходографа
М. С. ВЛАСКИН, Е. И. ШКОЛНИКОВ, Е. А. КИСЕЛЕВА, А. А. ЧИНЕНОВ, В. П. ХАРИТОНОВ
Ориз. 3. Волт-амперни криви (a) и съответните криви на плътност на мощността (b): - - - титан без покритие,
W- - титан + С, -■- - титан + N1 + Au
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1t, от 3,8 3,4 3,0 2,6 2,2 1,8 1,4 1,0 0,6
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Ориз. Фиг. 4. TE импеданс при постоянна поляризация, mV: a - 800, b - 700 c - 600, d - 500: - титан без покритие;
Титан + N1 + Au; o - титан + C
честоти от 105-1 Hz, тъй като си струва да се отбележат доста високите дифузионни загуби на горивните клетки (над 2 Ohm-cm2). Това обаче не е следствие от повърхностната обработка на титанови плочи, а е свързано с дизайна на катодната токоприемна плоча и условията на естествена конвекция, когато въздухът се подава към MEA.
Таблицата показва абсолютните стойности на омичните съпротивления в зависимост от поляризацията на горивната клетка и метода на обработка на нейните токоприемни плочи, както и техните систематични грешки. Резултатите показват, че златното покритие намалява общото омично съпротивление с фактор от около 1,8 в сравнение с непокрития титан поради намаляване на загубите при контакт. Допирането с въглеродни йони дава печалба съответно ~1,4 пъти. Стойността на доверителния интервал показва високата точност на измерванията на стойностите на омичното съпротивление.
Омично съпротивление на горивна клетка (Ohm) с токоприемни плочи, изработени от непокрит титан, титан, електрохимично покрит с N1, Au и титан, легиран с C+ йони, в зависимост от поляризацията на горивната клетка
Примерно TE напрежение, mV
Титан без покритие 0,186 0,172 0,172 0,169
Титан+Ni, Au 0,1 0,098 0,097 0,093
Титан+C 0,131 0,13 0,125 0,122
По този начин е доказано, че както златното покритие, така и въглеродното легиране на титан BP намаляват тяхната контактна устойчивост с въглеродни твърди дискове. Покриването на пластините със злато се оказва малко по-изгодно по отношение на електрическите характеристики от обработката им чрез йонна имплантация.
Всичко по-горе предполага, че както едната, така и другата от разглежданите технологии могат да се използват за обработка на титан BP.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Middelman E., Kout W, Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de, //J. Източници на захранване. 2003 том. 118. С. 44-46.
2. Доброволски Ю.А., Укше А.Е., Левченко А.В., Архангелски И.В., Йонов С.Г., Авдеев В.В., Алдошин С.М. // Журнал. Ros. хим. за тях. Д. И. Менделеев. 2006. Т. 1, № 6. С.83-94.
3. S.-Wang H, Peng J., Lui W.-B., Zhang J.-S. // J. Източници на енергия. 2006. Том 162. P.486-491.
4. Davies D.P., Adcock P.L., Turpin M., Rowen S.J., J. Appl. Електрохимия. 2000. Том 30. С.101-105.
5. Е. И. Школников, М. С. Власкин, А. С. Илюхин и А. Б. Тарасенко, Електрохим. енергия. 2007. Т.7, № 4 С. 175-182.
6. Школников Е.И., Власкин М.С., Илюхин А.С., Жук А.З., Шейндлин А.Е. // J. Източници на енергия. 2008. Том 185. P.967-972.
7. Фабиан Т., Познър Дж. Д., О "Хейр Р., Ча С.-В., Итън Дж. К., Принц Ф. Б., Сантяго Дж. Г. // J. Източници на енергия. 2006. Том 161. С. 168-182.
8. Йонна имплантация в полупроводници и други материали: сб. Изкуство. М.: Мир, 1980.
9. Плешивцев Н.В., Бажин А.И. Физика на въздействието на йонни лъчи върху материали. М.: Вузовская книга, 1998.
10. Йонна имплантация. Москва: Металургия, 1985 г.
11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027 / 24, H01J003 / 04 / Mashkovtsev BN Метод за производство на йонен лъч и устройство за неговото изпълнение.
12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2/00, A61L2/14 / Харитонов В.П., Чиненов А.А., Симаков А.И., Самков А.В. Устройство за йонно-лъчева обработка на изделия от медицинско оборудване.
13. Pat. 2109495 RF, IPC: A61F002/24 / Йосиф Н.А., Кеворкова Р.А.,. Самков А.В., Симаков А.И., Харитонов В.П., Чиненов А.А. Изкуствена сърдечна клапа и метод за нейното производство.
14. Купър К.Р., Рамани В., Фентън Дж.М., Кунц Х.Р. Експериментални методи и анализи на данни за горивни клетки с полимерен електролит, Scribner Associates, Inc., Илинойс, 2005 г. 122 p.
15. Национална лаборатория по енергийни технологии. Наръчник за горивни клетки, шесто издание, G&G Services Parsons, Inc. Моргантаун, Западна Вирджиния, 2002 г. 352 стр.
SOFC електроди, произведени в Института по физика на твърдото тяло RAS: зелен - анод и черен - катод. Горивните клетки са разположени върху биполярни плочи за SOFC батерии
Мой приятел наскоро посети Антарктида. Забавно пътуване! тя каза туристически бизнестя е еднакво разработена, за да доведе пътника до мястото и да го остави да се наслади на суровото великолепие на полярния регион, без да замръзне до смърт. И това не е толкова лесно, колкото може да изглежда - дори като се има предвид модерни технологии: електричеството и топлината в Антарктида струват теглото си в злато. Съдете сами, обикновените дизелови генератори замърсяват девствения сняг и изискват доставка Голям бройгориво, а възобновяемите енергийни източници все още не са много ефективни. Например в музейната станция, популярна сред антарктическите туристи, цялата енергия се генерира от силата на вятъра и слънцето, но вътре в музея е хладно и четирима пазачи вземат душ само на кораби, които носят гости при тях.
Проблемите с постоянното и непрекъснато захранване са познати не само на полярните изследователи, но и на всички производители и хора, живеещи в отдалечени райони.
Те могат да бъдат разрешени чрез нови начини за съхранение и генериране на енергия, сред които химическите източници на ток изглеждат най-обещаващи. В тези миниреактори енергията на химичните трансформации директно, без преобразуване в топлина, се преобразува в електричество. Така рязко намаляват загубите и съответно разходът на гориво.
В химическите източници на енергия могат да възникнат различни реакции и всеки има своите предимства и недостатъци: някои бързо се „провалят“, други могат да работят само при определени условия, например свръхвисоки температури или на строго определено гориво, като чисто водород. Група учени от Института по физика твърдо тяло RAS (ISSP RAS) под ръководството на Сергей Бредихинзаложи на така наречената горивна клетка с твърд оксид (SOFC). Учените са уверени, че при правилен подход той ще може да замени неефективните генератори в Арктика. Техният проект е подкрепен по Федералната целева програма "Научни изследвания и развитие за 2014-2020 г.".
Сергей Бредихин, ръководител на проекта FTP „Разработване на лабораторна мащабируема технология за производство на планарни SOFC и концепцията за създаване на тяхна база на електроцентрали за различни цели и структури, включително хибридни, с производството и тестването на малък мащабен експериментален образец на електроцентрала с мощност 500 - 2000 W"
Без шум и прах, но с пълна възвращаемост
Днес борбата в енергийната индустрия е за полезен добив на енергия: учените се борят за всеки процент ефективност. Широко приложение намират генератори, работещи на принципа на вътрешното горене на въглеводородни горива - мазут, въглища, природен газ (последният вид гориво е най-екологичен). Загубите по време на тяхното използване са значителни: дори при максимална оптимизация ефективността на такива инсталации не надвишава 45%. В същото време по време на тяхната работа се образуват азотни оксиди (NOx), които при взаимодействие с водата в атмосферата се превръщат в доста агресивни киселини.
SOFC батерия под механично натоварване
Горивните клетки с твърд оксид (SOFC) нямат тези „странични ефекти“. Такива инсталации имат ефективност над 50% (и това е само по отношение на производството на електроенергия, а като се вземе предвид топлинната мощност, ефективността може да достигне 85-90%) и не отделят опасни съединения в атмосферата.
„Това е много важна технология за Арктика или Сибир, където околната среда и проблемите с доставката на гориво са особено важни. Защото SOFC консумират няколко пъти по-малко гориво, обясни Сергей Бредихин. „Те трябва да работят без прекъсване, така че са много подходящи за работа на полярна станция или северно летище.“
При сравнително нисък разход на гориво такава инсталация работи и без поддръжка до 3-4 години. „Дизеловият генератор, който сега е най-използваният, изисква смяна на маслото на всеки хиляда часа. А SOFC работи 10-20 хиляди часа без поддръжка“, подчертава Дмитрий Агарков, младши научен сътрудник в ISSP.
От идея до батерия
Принципът на работа на SOFC е доста прост. Те представляват „батерия“, в която са сглобени няколко слоя твърди оксидни горивни клетки. Всеки елемент има анод и катод, горивото се подава към него от страната на анода, а въздухът се подава към него от страната на катода. Трябва да се отбележи, че най-подходящ за SOFC различни видовегорива от чист водород до въглероден окиси различни въглеводородни съединения. В резултат на реакциите, протичащи на анода и катода, се изразходват кислород и гориво и между електродите се създава йонен ток. Когато батерията е вградена в електрическа верига, токът започва да тече в тази верига.
Компютърна симулация на разпределението на токовете и температурните полета в батерия от SOFCs с размери 100×100 mm.
Неприятна характеристика на работата на SOFC е необходимостта от високи температури. Например проба, събрана в Института по физика на твърдото тяло, Руската академия на науките, работи при 850°C. За загряване до Работна температура, генераторът се нуждае от около 10 часа, но след това ще работи няколко години.
Клетките с твърд оксид, разработвани в Института по физика на твърдото тяло RAS, ще произвеждат до два киловата електроенергия, в зависимост от размера на горивната плоча и броя на тези плочи в батерията. Вече са сглобени и тествани малки макети на 50-ватови батерии.
Особено внимание трябва да се обърне на самите плочи. Една плоча се състои от седем слоя, всеки от които има своя собствена функция. Два слоя на катода и анода катализират реакцията и пропускат електрони, керамичният слой между тях изолира различни среди (въздух и гориво), но позволява преминаването на заредени кислородни йони. В същото време самата мембрана трябва да е достатъчно здрава (керамиката с тази дебелина е много лесно повредена), така че самата тя се състои от три слоя: централният дава необходимата физични свойства- висока йонна проводимост, - и допълнителни слоеве, отложени от двете страни, придават механична якост. Една горивна клетка обаче е много тънка – дебелина не повече от 200 микрона.
SOFC слоеве
Но една горивна клетка не е достатъчна - цялата система трябва да бъде поставена в топлоустойчив контейнер, който ще издържи на работа няколко години при температура от 850 ° C. Между другото, като част от проекта, за защита на металните конструктивни елементи, учените от Института по физика на твърдото тяло на Руската академия на науките използват покрития, разработени в хода на друг проект.
„Когато започнахме този проект, бяхме изправени пред факта, че нямаме нищо в нашата страна: нито суровини, нито лепила, нито уплътнители“, каза Бредихин. „Трябваше да направим всичко. Направихме симулации, практикувахме върху малки горивни клетки под формата на хапчета. Разбрахме какви трябва да бъдат по отношение на състав и конфигурация и как трябва да бъдат разположени.
Освен това трябва да се има предвид, че горивната клетка работи в среда с висока температура. Това означава, че е необходимо да се осигури плътност, да се провери дали при целевата температура материалите няма да реагират един с друг. Важна задача беше да се "синхронизира" разширението на всички елементи, тъй като всеки материал има свой линеен коефициент на топлинно разширение и ако нещо не е координирано, контактите могат да се отдалечат, уплътнителите и лепилата могат да се счупят. Изследователите получиха патент за производството на този елемент.
По пътя към изпълнението
Вероятно това е причината групата Бредихин в Института по физика на твърдото тяло да изгради цяла система за поетапна подготовка първо на материали, след това на плочи и накрая на горивни клетки и генератори. В допълнение към това приложно крило има и направление, занимаващо се с фундаментална наука.
В рамките на Института по физика на твърдото тяло се извършва строг контрол на качеството на всяка партида горивни клетки.
Основният партньор в този проект е Държавният изследователски център в Крилов, който действа като водещ разработчик на електроцентралата, включително разработването на необходимата проектна документация и производството на хардуер в нейната пилотна инсталация. Част от работата се извършва от други организации. Например, керамична мембрана, която разделя катода и анода, се произвежда от новосибирската компания NEVZ-Ceramics.
Между другото, участието на корабостроителния център в проекта не е случайно. Подводниците и подводните дронове могат да се превърнат в друга обещаваща област на приложение на SOFC. За тях също е изключително важно колко дълго могат да бъдат напълно офлайн.
Индустриалният партньор на проекта, фондация „Енергия без граници“, вероятно ще организира производството на малки партиди двукиловатови генератори на базата на Криловски научен център, но учените се надяват на значително разширяване на производството. Според разработчиците енергията, получена в генератора на SOFC, е конкурентна дори за битови нужди в отдалечени кътчета на Русия. Цената на kWh за тях се очаква да бъде около 25 рубли, а при сегашната цена на енергията в Якутия до 100 рубли на kWh, такъв генератор изглежда много привлекателен. Пазарът вече е подготвен, сигурен е Сергей Бредихин, основното е да имате време да се докажете.
Междувременно чуждестранни компании вече въвеждат генератори, базирани на SOFC. Лидер в това направление е американската Bloom Energy, която произвежда 100-киловатови инсталации за мощни компютърни центрове на компании като Google, Bank of America и Walmart.
Практическата полза е ясна - огромни центрове за данни, захранвани от такива генератори, трябва да са независими от прекъсвания на захранването. Но освен това големите фирми се стремят да поддържат имиджа на прогресивни компании, които се интересуват околен свят.
Само тук, в Съединените щати, се дължат големи държавни плащания за развитието на такива „зелени“ технологии - до 3000 долара за всеки киловат генерирана мощност, което е стотици пъти повече от финансирането на руски проекти.
В Русия има още една област, в която използването на SOFC генератори изглежда много обещаващо - това е катодната защита на тръбопроводите. На първо място, говорим за газопроводи и нефтопроводи, които се простират на стотици километри през пустия пейзаж на Сибир. Установено е, че когато се приложи напрежение към метална тръба, тя е по-малко податлива на корозия. Сега станциите за катодна защита работят на термогенератори, които трябва да бъдат постоянно наблюдавани и чиято ефективност е само 2%. Единственото им предимство е ниската им цена, но ако погледнете в дългосрочен план, вземете предвид цената на горивото (а те се захранват от съдържанието на тръбата) и тази тяхна „заслуга“ изглежда неубедителна. С помощта на станции, базирани на SOFC генератори, е възможно да се организира не само непрекъснато захранване на тръбопровода, но и предаване на електроенергия за телеметрични проучвания ... Казват, че Русия без наука е тръба. Оказва се, че и тази тръба без наука и нови технологии е тръба.
Собствениците на патент RU 2577860:
Изобретението се отнася до метод за защита срещу окисление на биполярни пластини на горивни клетки и токоотводи на електролизери с твърд полимерен електролит (SPE), който се състои в предварителна обработкаметален субстрат, нанасяне на електропроводимо покритие от благородни метали върху обработения метален субстрат чрез магнетронно-йонно разпръскване. Методът се характеризира с това, че върху третирания субстрат се нанася електропроводимо покритие на слоеве, като всеки слой се фиксира чрез импулсно имплантиране на кислородни йони или инертен газ. Техническият резултат е получаване на стабилно покритие с ресурс на работа, 4 пъти по-висок от този, получен от прототипа, и запазване на проводимите свойства. 7 т.п. f-ly, 3 ill., 1 tab., 16 pr.,
Техническа област
Изобретението се отнася до областта на химическите източници на ток, и по-специално до методи за създаване на защитни покрития за метални токоприемници (в случай на електролизери) и биполярни пластини (в случай на горивни клетки - FC) с твърд полимерен електролит ( SPE). По време на електролиза токоотводите, обикновено изработени от порест титан, са постоянно изложени на агресивни среди от кислород, озон, водород, което води до образуване на оксидни филми върху кислородния токоприемник (анод), в резултат на което електрическото съпротивление се увеличава, електрическата проводимост и намаляване на производителността.електролизатор. На водородния колектор (катод) на тока, в резултат на хидрогениране на повърхността на порест титан, възниква корозионно напукване. Работейки в такива тежки условия с постоянна влажност, токоприемниците и биполярните пластини се нуждаят от надеждна защита срещу корозия.
Основните изисквания към покритията за защита от корозия са ниско електрическо контактно съпротивление, висока електропроводимост, добра механична якост, равномерно нанасяне върху цялата повърхност за създаване на електрически контакт, ниска цена на материалите и производствени разходи.
За инсталации с TPE най-важният критерий е химическата устойчивост на покритието, невъзможността за използване на метали, които променят степента на окисление по време на работа и се изпаряват, което води до отравяне на мембраната и катализатора.
Имайки предвид всички тези изисквания, Pt, Pd, Ir и техните сплави имат идеални защитни свойства.
Състояние на техниката
В момента са известни много различни начинисъздаване на защитни покрития - галванично и термично възстановяване, йонна имплантация, физическо парно отлагане (PVD sputtering методи), химическо парно отлагане (CVD sputtering методи).
Метод за защита на метални субстрати е известен от нивото на техниката (патент на САЩ № 6,887,613 за изобретение, публикуван на 3 май 2005 г.). Оксидният слой, който пасивира повърхността, е предварително отстранен от металната повърхност чрез химическо ецване или механична обработка. Върху повърхността на субстрата е нанесено полимерно покритие, смесено с проводящи частици от злато, платина, паладий, никел и др. Полимерът се избира според съвместимостта му с металния субстрат - епоксидни смоли, силикони, полифеноли, флуорокополимери и др. Покритието се нанася като тънък филм с помощта на електрофоретично отлагане; четка; пръска се под формата на прах. Покритието има добри антикорозионни свойства.
Недостатъкът на този метод е високото електрическо съпротивление на слоя поради наличието на полимерен компонент.
От предшестващото състояние на техниката е известен метод за защита (виж патент на САЩ US № 7632592 за изобретението, публикуван 15.12.2009 г.), който предлага създаването на антикорозионно покритие върху биполярни плочи с помощта на кинетичен (студен) процес прах за пръскане от платина, паладий, родий, рутений и техните сплави. Пръскането се извършва с пистолет, като се използва сгъстен газ, като хелий, който се подава в пистолета под високо налягане. Скоростта на движение на праховите частици е 500-1500 m/s. Ускорените частици остават в твърдо и относително студено състояние. В процеса не се случва тяхното окисление и топене, средната дебелина на слоя е 10 nm. Адхезията на частиците към субстрата зависи от достатъчно количество енергия - при недостатъчна енергия се наблюдава слабо сцепление на частиците, при много високи енергии се получава деформация на частиците и субстрата, създавайки висока степенлокално отопление.
Метод за защита на метални субстрати е известен от предшестващото състояние на техниката (виж патент на САЩ US No. 7700212 за изобретението, публикуван на 20.04.2010 г.). Повърхността на субстрата беше предварително грапава, за да се подобри адхезията към покриващия материал. Нанесени са два слоя покритие: 1 - неръждаема стомана, дебелина на слоя от 0,1 μm до 2 μm, 2 - слой покритие от злато, платина, паладий, рутений, родий и техните сплави, с дебелина не повече от 10 nm. Слоевете са нанесени чрез термично пръскане с помощта на пистолет, от чиято дюза за пръскане се изхвърля поток от разтопени частици, които образуват химическа връзка с металната повърхност, възможно е също така да се нанесе покритие чрез PVD метод (физичен отлагане на пари). Наличието на 1 слой намалява скоростта на корозия и намалява производствените разходи, но наличието му води и до недостатък - образува се пасивен слой от хромен оксид от неръждаема стомана, което води до значително увеличаване на контактното съпротивление на анти- корозионно покритие.
От предшестващото състояние на техниката е известен метод за защита (виж патент на САЩ № 7803476 за изобретението, публикуван 28.09.2010 г.), в който се предлага да се създадат ултратънки покрития от благородния метал Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir и техните сплави, дебелината на покритието е от 2 до 10 nm, за предпочитане дори моноатомен слой с дебелина от 0,3 до 0,5 nm (дебелина, равна на диаметъра на атома на покритието). Преди това върху биполярната плоча беше нанесен слой от неметал с добра порьозност - въглища, графит, смесен с полимер, или метал - алуминий, титан, неръждаема стомана. Металните покрития бяха нанесени чрез електронно лъчево разпрашване, електрохимично отлагане и магнетронно йонно разпрашване.
Предимствата на този метод включват: премахване на етапа на ецване на субстрата за отстраняване на оксиди, ниско контактно съпротивление, минимални разходи.
Недостатъци - при неметален слой се увеличава електрическото контактно съпротивление поради разлики в повърхностните енергии и други молекулярни и физични взаимодействия; възможно е смесването на първия и втория слой, в резултат на което на повърхността могат да се появят неблагородни метали, подложени на окисление.
От предшестващото състояние на техниката е известен метод за защита на метален субстрат (виж патент на САЩ № 7150918 за изобретение, публикуван на 19 декември 2006 г.), включващ: обработка на метален субстрат за отстраняване на оксиди от неговата повърхност, прилагане на електропроводима корозия -устойчиво метално покритие от благородни метали, нанасяне на електропроводимо антикорозионно полимерно покритие.
Недостатъкът на този метод е високото електрическо съпротивление в присъствието на значително количество свързващ полимер, в случай на недостатъчно количество свързващ полимер, електропроводимите частици сажди се измиват от полимерното покритие.
Методът от предшестващото състояние на техниката за защита на биполярни пластини и токоотводи от корозия е прототип (виж патент на САЩ № 8785080 за изобретението, публикуван на 22.07.2014 г.), включително:
Обработка на субстрата във вряща дейонизирана вода или термична обработка при температура над 400°C, или накисване във вряща дейонизирана вода за образуване на пасивен оксиден слой с дебелина от 0,5 nm до 30 nm,
Отлагане на електропроводимо метално покритие (Pt, Ru, Ir) върху пасивен оксиден слой с дебелина от 0,1 nm до 50 nm. Покритието се нанася чрез магнетронно-йонно разпрашване, електронно-лъчево изпаряване или йонно отлагане.
Наличието на пасивен оксиден слой обаче повишава корозионната устойчивост на металното покритие и води до недостатъци - непроводимият оксиден слой рязко влошава проводимите свойства на покритията.
Разкриване на изобретението
Техническият резултат от претендираното изобретение е да се повиши устойчивостта на покритието срещу окисляване, да се увеличи устойчивостта на корозия и експлоатационния живот и да се запазят проводящите свойства, присъщи на неокисления метал.
Техническият резултат се постига чрез факта, че методът за защита срещу окисляване на биполярни плочи на горивни клетки и токоотводи на електролизери с твърд полимерен електролит (SPE) се състои в това, че металният субстрат е предварително обработен, електропроводим покритие от благородни метали се нанася върху обработения метален субстрат чрез магнетронно йонно разпрашаване, в този случай електропроводимото покритие се нанася на слоеве, като всеки слой се фиксира чрез импулсно имплантиране на кислородни йони или инертен газ.
За предпочитане като благородни метали се използва платина, или паладий, или иридий, или смес от тях. Имплантирането на импулсни йони се извършва с постепенно намаляване на йонната енергия и доза. Общата дебелина на покритието е от 1 до 500 nm. Последователно нанесените слоеве са с дебелина от 1 до 50 nm. Използваният инертен газ е аргон, или неон, или ксенон, или криптон. Енергията на имплантираните йони е от 2 до 15 keV, а дозата на имплантираните йони е до 10 15 йони/cm 2 .
Кратко описаниечертежи
Характеристиките и същността на заявеното изобретение са обяснени по-долу. Подробно описание, илюстриран с чертежи и таблица, показваща следното.
На фиг. 1 - разпределение на атомите на платина и титан, изместени в резултат на имплантиране на аргон (изчислено от програмата SRIM).
На фиг. 2 - разрез на титанов субстрат с разпръсната платина преди имплантиране на аргон, където
1 - титанов субстрат;
2 - слой от платина;
3 - пори в платиновия слой.
На фиг. 3 - разрез на титанов субстрат с разпръсната платина след имплантиране на аргон, където:
1 - титанов субстрат;
4 - междинен титаново-платинен слой;
5 - платинено покритие.
Таблицата показва характеристиките на всички примери за изпълнение на заявеното изобретение и прототип.
Изпълнение и примери на изобретението
Методът на магнетронно-йонно разпрашване се основава на процес, основан на образуването на пръстеновидна плазма над повърхността на катода (мишената) в резултат на сблъсък на електрони с газови молекули (обикновено аргон). Положителните газови йони, образувани при разряда, когато към субстрата се приложи отрицателен потенциал, се ускоряват в електрическо поле и избиват атоми (или йони) от целевия материал, които се отлагат върху повърхността на субстрата, образувайки филм върху неговия повърхност.
Предимствата на метода на магнетронно-йонно разпрашване са:
Висока скорост на разпръскване на отложеното вещество при ниски работни напрежения (400-800 V) и при ниски налягания на работния газ (5·10 -1 -10 Pa);
Възможност за регулиране в широк диапазон на скоростта на разпръскване и отлагане на разпръскваното вещество;
Ниска степен на замърсяване на нанесените покрития;
Възможността за едновременно разпръскване на цели от различни материали и в резултат на това възможността за получаване на покрития със сложен (многокомпонентен) състав.
Относителна лекота на изпълнение;
Ниска цена;
Лесно мащабиране.
В същото време полученото покритие се характеризира с наличие на порьозност, има ниска якост и недостатъчно добра адхезия към материала на субстрата поради ниската кинетична енергия на разпръснатите атоми (йони), която е приблизително 1–20 eV. Такова ниво на енергия не позволява проникването на атоми от отложения материал в близките до повърхността слоеве на материала на субстрата и създаването на междинен слой с висок афинитет към субстрата и материала на покритието, висока устойчивост на корозия и относително ниска устойчивост дори с образуването на оксиден повърхностен филм.
В рамките на претендираното изобретение, задачата за увеличаване на съпротивлението и поддържане на проводимите свойства на електродите и защитните покрития на структурните материали се решава чрез излагане на покритието и субстрата на поток от ускорени йони, които движат материала на покритието и субстрата при атомно ниво, което води до взаимно проникване на субстрата и материала на покритието, което води до размиване на границата между покритието и субстрата с образуването на фаза с междинен състав.
Видът на ускорените йони и тяхната енергия се избират в зависимост от материала на покритието, неговата дебелина и материала на субстрата по такъв начин, че да предизвикат движение на атомите на покритието и субстрата и тяхното смесване на фазовата граница с минимално разпръскване на покритието материал. Изборът се извършва чрез подходящи изчисления.
На фиг. Фигура 1 показва изчислените данни за изместването на атоми на покритие, състоящо се от платина с дебелина 50 A и атоми на субстрат, състоящ се от титан, под действието на аргонови йони с енергия 10 keV. Йони с по-ниска енергия на ниво от 1-2 keV не достигат фазовата граница и няма да осигурят ефективно смесване на атоми за такава система на фазовата граница. Но при енергии над 10 keV се получава значително разпръскване на платиненото покритие, което се отразява негативно на експлоатационния живот на продукта.
По този начин, в случай на еднослойно покритие с голяма дебелина и висока енергия, необходима за проникването на имплантирани йони до фазовата граница, атомите на покритието се разпръскват и се губят благородни метали; субстрати и покрития и увеличават здравината на покритието . Такава малка (1–10 nm) дебелина на покритието обаче не осигурява дълъг живот на продукта. За да се увеличи здравината на покритието, неговия експлоатационен живот и да се намалят загубите по време на разпрашване, импулсната йонна имплантация се извършва със слой по слой (дебелината на всеки слой е 1-50 nm) покритие с постепенно намаляване на йони енергия и доза. Намаляването на енергията и дозата позволява практически да се елиминират загубите при разпрашване, но дава възможност да се осигури необходимата адхезия на нанесените слоеве към основата, върху която вече е нанесен същият метал (без разделяне на фазите) повишава тяхната равномерност . Всичко това също допринася за увеличаването на ресурса. Трябва да се отбележи, че филмите с дебелина 1 nm не осигуряват значително (необходимо за токоприемници) увеличение на експлоатационния живот на продукта, а предложеният метод значително увеличава тяхната цена. Филмите с дебелина над 500 nm също трябва да се считат за икономически неизгодни, тъй като консумацията на метали от платиновата група се увеличава значително, а ресурсът на продукта като цяло (клетка) започва да се ограничава от други фактори.
При нанасяне на многослойно покритие, третирането с йони с по-висока енергия е препоръчително само след отлагане на първия слой с дебелина 1–10 nm, а при обработка на последващи слоеве с дебелина до 10–50 nm, аргоновите йони с енергия от 3–5 keV са достатъчни за уплътняването им. Имплантирането на кислородни йони по време на отлагането на първите слоеве на покритието, заедно с решаването на горните проблеми, прави възможно създаването на устойчив на корозия оксиден филм върху повърхността, легирана с атоми на покритието.
Пример 1 (прототип).
Проби от титаниево фолио марка VT1-0 с площ от 1 cm 2, дебелина 0,1 mm и порест титан марка TPP-7 с площ от 7 cm 2 се поставят в пещ и се държат при температура от 450 ° C в продължение на 20 минути.
Пробите се захващат последователно в рамка и се поставят в специален държач за проби на модула за магнетронно-йонно разпрашване MIR-1 с подвижна платинена мишена. Камерата е затворена. Механичната помпа се включва и въздухът се евакуира от камерата до налягане от ~10 -2 Torr. Камерите блокират евакуацията на въздуха и отварят евакуацията на дифузионната помпа и включват нейното отопление. След около 30 минути дифузионната помпа влиза в работен режим. Камерата се вакуумира чрез дифузионна помпа. След достигане на налягане от 6 × 10 -5 Torr отворете входа на аргон в камерата. Изтичане на зададено налягане на аргон 3×10 -3 Torr. Чрез плавно увеличаване на напрежението на катода разрядът се запалва, мощността на разряд се настройва на 100 W и се прилага напрежението на отклонение. Отворете капака между целта и държача и започнете да отчитате времето за обработка. По време на обработка се контролира налягането в камерата и разрядния ток. След 10 минути обработка разрядът се изключва, въртенето се изключва и подаването на аргон се прекъсва. След 30 минути изпомпването от камерата е блокирано. Изключва се отоплението на дифузионната помпа, а след като изстине се изключва механичната помпа. Камерата се отваря към атмосферата и рамката с пробата се отстранява. Дебелината на отложеното покритие е 40 nm.
Получените покрити материали могат да се използват в електрохимични клетки, предимно в електролизери с твърд полимерен електролит, като катодни и анодни материали (токови колектори, биполярни пластини). Анодните материали причиняват най-много проблеми (интензивно окисляване); следователно са извършени тестове за живот, когато са използвани като аноди (тоест при положителен потенциал).
Към получената проба от титаново фолио по метода точково заваряванетокопроводът се заварява и поставя като тестов електрод в триелектродна клетка. Като противоелектрод се използва Pt фолио с площ от 10 cm 2, а като референтен електрод се използва стандартен електрод от сребърен хлорид, свързан към клетката чрез капиляр. Използваният електролит е разтвор на 1M H 2 SO 4 във вода. Измерванията се извършват с помощта на устройство AZRIVK 10-0,05A-6 V (произведено от LLC "Buster", Санкт Петербург) в галваностатичен режим, т.е. към изследвания електрод се прилага положителен потенциал на постоянен ток, който е необходим за постигане на стойност на тока от 50 mA. Тестът се състои в измерване на промяната в потенциала, необходима за достигане на даден ток с течение на времето. Ако потенциалът надвишава стойността от 3,2 V, ресурсът на електрода се счита за изчерпан. Получената проба е с ресурс от 2 часа 15 минути.
Примери 2-16 за изпълнение на заявеното изобретение.
Проби от титаниево фолио марка VT1-0 с площ от 1 cm 2, дебелина 0,1 mm и порест титан марка TPP-7 с площ от 7 cm 2, варени в изопропилов алкохол в продължение на 15 минути. След това алкохолът се източва и пробите се кипват 2 пъти за 15 минути в дейонизирана вода със смяна на водата между кипенията. Пробите се нагряват в разтвор на 15% солна киселина до 70°C и се поддържат при тази температура в продължение на 20 минути. След това киселината се отцежда и пробите се кипват 3 пъти в продължение на 20 минути в дейонизирана вода със смяна на водата между кипенията.
Пробите се поставят последователно в модул за магнетронно-йонно разпрашване MIR-1 с платинена мишена и се нанася платинено покритие. Токът на магнетрона е 0,1 A, напрежението на магнетрона е 420 V, газът е аргон с остатъчно налягане 0,86 Pa. За 15 минути отлагане се получава покритие с дебелина 60 nm. Полученото покритие се излага на поток от аргонови йони чрез метода на плазмено импулсно йонно имплантиране.
Имплантирането се извършва в поток от аргонови йони с максимална йонна енергия 10 keV, средна енергия 5 keV. Дозата по време на експозиция е 2 х 10 14 йони/cm 2 . Разрезът на покритието след имплантиране е показан на фиг. 3.
Получената проба се тества в триелектродна клетка, процесът е подобен на този, показан в пример 1. Получената проба има ресурс от 4 часа. За сравнение, данните за ресурса на титаново фолио с първоначално разпръснат платинен филм (60 nm) без имплантиране на аргон са 1 час.
Примери 3-7.
Процесът е подобен на този в пример 2, но дозата на имплантиране, йонната енергия и дебелината на покритието варират. Дозата на имплантиране, йонната енергия, дебелината на покритието, както и експлоатационният живот на получените проби са показани в таблица 1.
Процесът е подобен на показания в пример 2 и се различава по това, че проби с дебелина на отложения слой до 15 nm се обработват в поток от криптон с максимална йонна енергия от 10 keV и доза от 6*10 14 йони/cm 2 . Получената проба е с ресурс 1 час 20 минути. Според електронна микроскопия, дебелината на платиновия слой беше намалена до стойност от 0–4 nm, но се образува титанов слой с вградени в него платинови атоми.
Процесът е подобен на показания в пример 2 и се различава по това, че проби с дебелина на отложения слой от 10 nm се обработват в поток от аргонов йон с максимална йонна енергия от 10 keV и доза от 6*10 14 йони/cm 2 . След отлагането на втория слой с дебелина 10 nm, обработката се извършва в поток от аргонови йони с енергия 5 keV и доза 2*10 14 йона/cm 2, след което отлагането се повтаря 4 пъти с дебелина на нов слой 15 nm, като всеки следващ слой се обработва в поток от йони аргон с йонна енергия 3 keV и доза 8*10 13 йон/cm 2 . Получената проба има ресурс от 8 часа 55 минути.
Пример 10
Процесът е подобен на показания в пример 2 и се различава по това, че проби с дебелина на отложения слой от 10 nm се обработват в поток от кислородни йони с максимална йонна енергия от 10 keV и доза от 2*10 14 йона/cm 2 . След отлагането на втория слой с дебелина 10 nm, обработката се извършва в поток от аргонови йони с енергия 5 keV и доза 1*10 14 йон/cm 2 , след което отлагането се повтаря 4 пъти с нов дебелина на слоя 15 nm, като всеки следващ слой се обработва в поток от аргонови йони с йонна енергия 5 keV и доза 8 * 10 13 йона / cm 2 (за да няма разпрашване!). Получената проба има ресурс от 9 часа 10 минути.
Пример 11.
Процесът е подобен на този, показан в пример 2, и се различава по това, че пробите се поставят в устройството за магнетронно-йонно разпрашване MIR-1 с иридиева мишена и се нанася иридиево покритие. Токът на магнетрона е 0,1 A, напрежението на магнетрона е 440 V, газът е аргон с остатъчно налягане 0,71 Pa. Скоростта на отлагане осигурява образуването на покритие с дебелина 60 nm за 18 минути. Полученото покритие се излага на поток от аргонови йони чрез метода на плазмено импулсно йонно имплантиране.
Проби с дебелина на първия отложен слой от 10 nm се обработват в поток от аргонов йон с максимална йонна енергия от 10 keV и доза от 2 х 10 14 йона/cm2. След отлагането на втория слой с дебелина 10 nm, обработката се извършва в поток от аргонови йони с енергия 5-10 keV и доза 2*10 14 йона/cm 2, след което отлагането се повтаря 4 пъти с нова дебелина на слоя 15 nm, всеки следващ слой се обработва в поток от аргонови йони с йонна енергия 3 keV и доза 8*10 13 йона/cm 2 . Получената проба има ресурс от 8 часа 35 минути.
Пример 12.
Процесът е подобен на показания в пример 2 и се различава по това, че пробите се поставят в инсталация за магнетронно-йонно разпрашване MIR-1 с мишена, изработена от сплав от платина с иридий (сплав Pli-30 съгласно GOST 13498-79 ), нанася се покритие, състоящо се от платина и иридий. Токът на магнетрона е 0,1 A, напрежението на магнетрона е 440 V, газът е аргон с остатъчно налягане 0,69 Pa. Скоростта на отлагане осигурява образуването на покритие с дебелина 60 nm за 18 минути. Полученото покритие се излага на поток от аргонови йони чрез метода на плазмено импулсно йонно имплантиране.
Проби с дебелина на отложения слой от 10 nm се обработват в поток от аргонов йон с максимална йонна енергия от 10 keV и доза от 2*10 14 йона/cm 2 и след това отлагането се повтаря 5 пъти с нова дебелина на слоя от 10 nm. След нанасяне на втория слой обработката се извършва в поток от аргонови йони с енергия 5-10 keV и доза 2*10 14 йона/cm 2, а всеки следващ слой се обработва в поток от аргонови йони с йонна енергия от 3 keV и доза от 8*10 13 йона/cm 2. Получената проба има ресурс от 8 часа 45 минути.
Пример 13
Процесът е подобен на показания в пример 2 и се различава по това, че пробите се поставят в модула за магнетронно-йонно разпрашване MIR-1 с мишена от паладий и се нанася покритие от паладий. Токът на магнетрона е 0,1 A, напрежението на магнетрона е 420 V, газът е аргон с остатъчно налягане 0,92 Pa. За 17 минути отлагане се получава покритие с дебелина 60 nm. Проби с дебелина на отложения първи слой от 10 nm се обработват в поток от аргонов йон с максимална йонна енергия от 10 keV и доза от 2 х 10 14 йона/cm2. След отлагането на втория слой с дебелина 10 nm, обработката се извършва в поток от аргонови йони с енергия 5-10 keV и доза 2*10 14 йона/cm 2, след което отлагането се повтаря 4 пъти с нова дебелина на слоя 15 nm, всеки следващ слой се обработва в поток от аргонови йони с йонна енергия 3 keV и доза 8*10 13 йона/cm 2 . Получената проба има ресурс от 3 часа 20 минути.
Пример 14
Процесът е подобен на този в пример 2 и се различава по това, че пробите се поставят в инсталация за магнетронно-йонно разпрашване MIR-1 с мишена, състояща се от платина, включително 30% въглерод, и се нанася покритие, състоящо се от платина и въглерод. Токът на магнетрона е 0,1 A, напрежението на магнетрона е 420 V, газът е аргон с остатъчно налягане 0,92 Pa. За 20 минути отлагане се получава покритие с дебелина 80 nm. Проби с дебелина на отложения слой от 60 nm се обработват в поток от аргонов йон с максимална йонна енергия от 10 keV и доза от 2*10 14 йона/cm 2 и след това разпрашването се повтаря 5 пъти с нова дебелина на слоя от 10 nm. След нанасяне на втория слой обработката се извършва в поток от аргонови йони с енергия 5-10 keV и доза 2*10 14 йона/cm 2, а всеки следващ слой се обработва в поток от аргонови йони с йонна енергия от 3 keV и доза от 8*10 13 йона/cm 2. Получената проба е с ресурс 4 часа 30 минути.
Пример 15
Процесът е подобен на дадения в пример 9 и се различава по това, че се отлагат 13 слоя, като дебелината на първия и втория е по 30 nm, следващите са по 50 nm, енергията на йоните последователно се намалява от 15 на 3 keV. , имплантационната доза е от 5 10 14 до 8 10 13 йона/cm2. Получената проба има ресурс от 8 часа 50 минути.
Пример 16
Процесът е подобен на показания в пример 9 и се различава по това, че дебелината на първия слой е 30 nm, следващите шест слоя са по 50 nm всеки, дозата на имплантиране е от 2·10 14 до 8·10 13 йона/cm 2 . Получената проба има ресурс от 9 часа 05 минути.
По този начин заявеният метод за защита на биполярни FC плочи и токоприемници на TPE електролизери от окисляване позволява да се получи стабилно покритие с експлоатационен живот 4 пъти по-висок от този, получен съгласно прототипа, и запазване на проводимите свойства.
1. Метод за защита на биполярни плочи на горивни клетки и токови колектори на електролизери с твърд полимерен електролит (SPE) от окисляване, който се състои в предварителна обработка на метална основа, нанасяне на електропроводимо покритие от благородни метали върху третирания метал субстрат чрез магнетронно йонно разпрашаване, характеризиращ се с това, че се нанася върху обработения субстрат като електропроводимо покритие слой по слой с фиксиране на всеки слой чрез импулсно имплантиране на кислородни йони или инертен газ.
2. Методът за защита съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че като благородни метали се използва платина, или паладий, или иридий, или смес от тях.
3. Методът за защита съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че имплантирането на импулсни йони се извършва с постепенно намаляване на йонната енергия и доза.
4. Метод за защита съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че общата дебелина на покритието е от 1 до 500 nm.
5. Метод за защита съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че последователно нанесените слоеве имат дебелина от 1 до 50 nm.
6. Защитен метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че като инертен газ се използва аргон, или неон, или ксенон, или криптон.
7. Методът за защита съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че енергията на имплантираните йони е от 2 до 15 keV.
8. Методът за защита съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че дозата на имплантираните йони е до 10 15 йони/cm2.
Подобни патенти:
Изобретението се отнася до областта на електротехниката, а именно до батерия от тръбни твърди оксидни горивни клетки (SOFC), която включва най-малко два възела от тръбни твърди оксидни горивни клетки, поне един общ токоприемник и държач за задържане на секция на модули горивни клетки и общ токоотвод при свързване с тях с точно прилягане, докато коефициентът на топлинно разширение на държача е по-малък или равен на коефициента на топлинно разширение на модулите горивни клетки.
Изобретението се отнася до полимерни мембрани за ниско или високотемпературни полимерни горивни клетки. Протон-проводима полимерна мембрана на базата на полиелектролитен комплекс, състоящ се от: а) азотсъдържащ полимер като поли-(4-винилпиридин) и неговите производни, получени чрез алкилиране, поли-(2-винилпиридин) и неговите производни, получени чрез алкилиране , полиетиленимин, поли(2-диметиламино)етилметакрилат)метил хлорид, поли(2-диметиламино)етилметакрилат)метил бромид, поли(диалилдиметиламониев) хлорид, поли(диалилдиметиламониев) бромид, б) Нафион или друг полимер, подобен на Нафион, избран от групата , включително Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta и йонообменни смоли, съдържащи карбоксилни и сулфонови групи; в) течна смес, съдържаща разтворител, избран от групата, състояща се от метанол, етилов алкохол, n-пропилов алкохол, изопропилов алкохол, n-бутилов алкохол, изобутилов алкохол, tert-бутилов алкохол, формамиди, ацетамиди, диметилсулфоксид, N-метилпиролидон , както и дестилирана вода и смеси от тях; в който моларното съотношение на азотсъдържащ полимер към Nafion или Nafion-подобен полимер е в диапазона от 10-0.001.
Изобретението се отнася до областта на електротехниката, а именно до получаване на оксиден филм от електролит с дебелина, сравнима с размера на порите на електродния материал, по по-опростен и технологичен, а също и по-икономичен начин от йонно-плазмения.
Изобретението осигурява среда за дифузия на газ в горивна клетка, която има ниска пропускливост на въздуха в равнината и добро дренажно свойство и е способна на висока производителност на горивна клетка в широк температурен диапазон от ниски до високи температури.
Изобретението се отнася до областта на електротехниката, а именно до метод за производство на каталитичен електрод на мембранно-електродна единица, главно за водородни и метанолови горивни клетки.
Изобретението се отнася до областта на електротехниката и може да се използва в горивни клетки. Биполярната плоча за горивни клетки включва плочата, пространство за флуиден поток, образувано от двете страни на плочата, направляваща решетка за флуид, монтирана в пространството за флуиден поток. Плочата е оформена с входящ канал, свързан с пространството за флуиден поток, и изходящ канал, свързан с пространството за флуиден поток. Биполярната плоча се изработва с помощта на определена форма и подходяща обработка. Резултатът е по-равномерно разпределение на потока и намаляване на съпротивлението на горивните и въздушните потоци съответно към горивния електрод и въздушния електрод на горивната клетка. В допълнение, реакционната зона с мембранния електроден възел и зоната на дифузия могат да бъдат увеличени и производството може да бъде опростено и улеснено, 6N. и 14 з.п. f-ly, 16 ил.
Техническа област
Изобретението се отнася до горивна клетка и по-специално до биполярна плоча за горивна клетка и метод за производство на такава плоча, способна да придаде равномерно разпределение на потока, намалявайки съпротивлението на потоците гориво и въздух, протичащи в горивния електрод и въздушния електрод на съответно горивна клетка и опростяване на нейното производство.
Състояние на техниката
Горивната клетка генерира като цяло екологична енергия и е проектирана да замени традиционната енергия от изкопаеми горива. Както е показано на фигура 1, горивната клетка включва пакет 100, който трябва да бъде комбиниран с поне една единична клетка 101, в която протича електрохимична реакция; тръба за подаване на гориво 200, свързана към комина 100, така че да доставя гориво; канал за подаване на въздух 300, свързан към стека 100, така че да подава въздух; и изпускателни тръбопроводи 400, 500 за освобождаване на странични продукти от протичащата реакция на гориво и въздух, съответно. Единичната клетка 101 включва горивен електрод (анод) (не е показан), към който се подава гориво; и въздушен електрод (катод) (не е показан), към който се подава въздух.
Първо, горивото и въздухът се подават към горивния електрод и въздушния електрод на купчината 100 през тръбопровода за подаване на гориво 200 и тръбопровода за подаване на въздух 300, съответно. Горивото, подадено към горивния електрод, се йонизира в положителни йони и електрони (e-) чрез електрохимична реакция на окисление в горивния електрод, йонизираните положителни йони се движат през електролита към въздушния електрод, а електроните се движат към горивния електрод. Положителните йони, прехвърлени към въздушния електрод, влизат в реакция на електрохимична редукция с въздуха, подаден към въздушния електрод, и генерират странични продукти като топлина от реакцията и вода и др. В този процес движението на електрони генерира електричество. Горивото след реакцията при горивния електрод, както и водата и допълнителните странични продукти, генерирани при въздушния електрод, се изхвърлят през изпускателните тръбопроводи 400, 500, съответно.
Горивните клетки могат да бъдат класифицирани в различни типове според използвания в тях електролит и гориво и т.н.
Междувременно, както е показано на фигура 2, единичният елемент 101, съставляващ купчината 100, включва две биполярни плочи 10, имащи отворен проход 11, през който протича въздух или гориво; и мембранен електроден възел (MEA, от английския "membrane electrode assembly" или MEA) 20, поставен между тези две биполярни плочи 10, така че да има определена дебелина и площ. Две биполярни плочи 10 и MEU 20, поставени между тях, се комбинират една с друга с помощта на допълнителни средства 30, 31 на асоциацията. Каналът, образуван от канала 11 на биполярната плоча 10 и страната на MED 20, съставлява горивния електрод и когато горивото протича през този канал на горивния електрод, възниква реакция на окисление. В допълнение, каналът, образуван от канала 11 на другата биполярна плоча 10 и другата страна на MED 20, представлява въздушен електрод и когато въздухът протича през този канал на въздушния електрод, възниква реакция на редукция.
Формата на биполярната плоча 10, по-специално формата на канала 11, влияе на контактното съпротивление, осигурено от потока гориво и въздух и разпределението на потоците и други подобни, а контактното съпротивление и разпределението на потоците влияят на мощността мощност (енергийна ефективност). В допълнение биполярните плочи 10 имат определена форма, подходяща за улесняване на процеса и масовото производство.
Както е показано на фигура 3, проходните отвори 13, 14, 15, 16, съответно, са оформени в конвенционалната биполярна плоча на всеки ръб на плочата 12, имаща определена дебелина и правоъгълна форма.
В допълнение, множество канали 11 са оформени отстрани на плочата 12, така че да свързват проходния отвор 13 с диагонално разположения проходен отвор 16. Тези канали 11 имат зигзагообразна форма. Както е показано на фигура 4, в напречното сечение на канала 11, този канал 11 има определена ширина и дебелина и една отворена страна. От другата страна на плочата 12 са оформени множество канали 11, така че да свързват два диагонално разположени проходни отвора 14, 16, като тези канали 11 имат същата форма като каналите, оформени от противоположната страна.
По-долу е описана работата на конвенционална биполярна плоча. Първо, горивото и въздухът протичат в проходните отвори 13, 14, съответно, и горивото и въздухът, преминаващи през проходните отвори 13, 14, протичат в каналите 11. Горивото или въздухът в каналите 11 тече в зигзагообразен модел по продължение на канали 11 и се изхвърля навън през проходните отвори 15, 16. В този процес, в MED 20 (показан на фиг. 2), в който протича гориво, протича реакция на окисление и едновременно с това протича реакция на редукция в MED в който тече въздух.
Въпреки това, в случай на конвенционална биполярна плоча, тъй като каналите 11 са оформени по зигзагообразен начин, потокът може да бъде равномерно разпределен само до известна степен. Освен това, тъй като каналите, през които преминават горивото и въздушния поток, са сложни и дълги, съпротивлението на потока се увеличава и следователно загубата на налягане за създаване на потока от гориво и въздух се увеличава. Освен това, тъй като производственият процес е сложен и тромав, производствените разходи са високи.
Техническа същност на настоящото изобретение
За да се решат проблемите, описани по-горе, цел на настоящото изобретение е да осигури биполярна плоча с горивна клетка и метод за производство на такава плоча, способна да придаде равномерно разпределение на потока, намалявайки съпротивлението на гориво и въздушни потоци, протичащи в горивото електрод и въздушен електрод на горивната клетка, съответно, и опростете производството му.
За да се постигнат горните цели, биполярната плоча с горивна клетка включва плоча с определена дебелина и площ; пространство за флуиден поток, образувано от двете страни на тази плоча, така че да има определена ширина, дължина и дълбочина; направляваща флуидна решетка, монтирана в пространството на флуидния поток, така че да има определена форма; входящ отвор, оформен върху плочата, за да бъде свързан с пространството за флуиден поток и да приема флуида; и изходен отвор, оформен върху плочата, така че да бъде свързан с пространството за флуиден поток и да изпуска флуида.
В допълнение, методът за производство на биполярна плоча с горивни клетки включва производство на матрица за обработка на плочата, върху която от двете страни е оформено пространство за флуиден поток с определена площ и дълбочина и е оформен вътрешен канал с помощта на опора решетка, стърчаща във формата на решетка от пространството на флуидния поток; оформяне на плоча с тази форма; обработка на плочата с изпълнението на входа, така че да позволи вливането на флуиден поток в пространството за флуиден поток, имащо поддържаща решетка; и обработване на плочата за образуване на изпускателен отвор, така че да позволи на потока да изтича извън пространството за флуиден поток.
В допълнение, биполярната плоча с горивна клетка включва плоча с определена дебелина и площ; зона на канала, имаща решетъчни издатини до множество решетъчни жлебове, оформени по протежение на определена област от двете страни на плочата; входен канал, образуван от страната на плочата, така че да бъде свързан с решетъчните процепи в зоната на канала и да приема флуида; и изходящ канал, оформен от страната на плочата, така че да изпуска флуида, преминаващ през решетъчните процепи на зоната на канала.
В допълнение, методът за производство на плоча с биполярна горивна клетка включва производство на плоча с определена дебелина и площ; производителност механична обработказа оформяне на решетъчни процепи до решетъчните издатини, оформени от двете страни на плочата; и обработване на плочата за образуване на вход и изход, така че да са свързани към решетъчните процепи.
В допълнение, биполярната плоча с горивни клетки включва плоча с определена дебелина и площ, в която от двете страни в средата, множество канали, съставени от множество нагоре и надолу, се формират чрез натискане, за да имат определена ширина и дължина; и уплътняващ елемент, съответно прикрепен към контура на двете страни на плочата, така че да образува вътрешни канали, заедно с каналите на плочата, входящ канал и изходящ канал, през които флуидът протича във и от тези канали.
В допълнение, методът за производство на биполярна плоча с горивни клетки включва рязане на плочата, така че да има определен размер; притискане на двете страни на изрязаната плоча, така че да се образуват множество канали, през които тече течност; и комбиниране на уплътнителния елемент с контура на пресованата плоча.
Кратко описание на чертежите
Придружаващите чертежи, които са включени, за да осигурят по-добро разбиране на изобретението, формират част от тази спецификация, илюстрират изпълнения на изобретението и заедно с описанието служат за обяснение на принципите на изобретението.
На тези чертежи:
Фиг. 1 илюстрира конвенционална система с горивни клетки;
Фигура 2 е разглобен изглед в перспектива, илюстриращ част от конвенционален пакет с горивни клетки;
Фиг. 3 е изглед отгоре, илюстриращ биполярна плоча на конвенционална горивна клетка;
Фиг. 4 е изглед в разрез по линията А-В на Фиг. 3;
Фиг. 5 е изглед отгоре, илюстриращ първо изпълнение на биполярна плоча с горивна клетка съгласно настоящото изобретение;
Фиг. 6 е разглобен изглед в перспектива, илюстриращ част от биполярна плоча с горивна клетка съгласно първо изпълнение на настоящото изобретение;
7 е блок-схема, илюстрираща първо изпълнение на метод за производство на биполярна плоча с горивна клетка съгласно настоящото изобретение;
Фигура 8 е разглобен изглед в перспектива, илюстриращ купчина биполярни пластини на горивна клетка съгласно първо изпълнение на настоящото изобретение;
Фиг. 9 е изглед отгоре, илюстриращ работно състояние на плочата с биполярна горивна клетка съгласно първото изпълнение на настоящото изобретение;
10 и 11 са разрези отгоре и отпред, илюстриращи второ изпълнение на плоча с биполярна горивна клетка в съответствие с настоящото изобретение;
12 е блок-схема, илюстрираща второ изпълнение на метод за производство на биполярна плоча с горивна клетка съгласно настоящото изобретение;
Фиг. 13 е изглед отгоре, илюстриращ работно състояние на биполярната плоча с горивна клетка съгласно второто изпълнение на настоящото изобретение;
14 и 15 са разрези отгоре и отпред, илюстриращи трето изпълнение на плоча с биполярна горивна клетка съгласно настоящото изобретение; и
16 е блок-схема, илюстрираща трето изпълнение на метод за производство на биполярна плоча с горивна клетка съгласно настоящото изобретение.
Първо ще бъде описано първо изпълнение на биполярна плоча с горивна клетка съгласно настоящото изобретение.
Фиг. 5 е изглед отгоре, илюстриращ първо изпълнение на плоча с биполярна горивна клетка съгласно настоящото изобретение, и Фиг. 6 е разглобен изглед в перспектива, илюстриращ част от плоча с биполярна горивна клетка съгласно първо изпълнение на настоящото изобретение ..
Както е показано на фигури 5 и 6, първо изпълнение на биполярна плоча с горивна клетка съгласно настоящото изобретение включва плоча 40 с определена дебелина и площ; пространство за флуиден поток 41, оформено от двете страни на плочата 40, така че да има определена ширина, дължина и дълбочина; решетка за насочване на флуида 42, монтирана в пространството за флуиден поток 41, така че да има определена форма; входен порт 43, оформен върху плочата 40, свързана с пространството за флуиден поток 41 за въвеждане на флуида; и изходен порт 44, оформен върху плочата 40, свързана с пространството за флуиден поток 41 за изпускане на флуида.
Плочата 40 има правоъгълна форма и определена дебелина, пространство за флуиден поток 41 е оформено съответно от двете страни на правоъгълната плоча 40 и има правоъгълна форма и определена дълбочина. Плочата 40 е изработена от материал от неръждаема стомана. Плочата 40 и пространството за флуиден поток 41 могат да имат форми, различни от правоъгълни.
Мрежата за насочване на флуида 42 има правоъгълна форма, по-малка от пространството за флуиден поток 41, така че да може да бъде вкарана в пространството за флуиден поток 41 на плочата 40, и има дебелина не по-голяма от дълбочината на флуидното пространство 41.
Входният порт 43 е оформен като поне един проходен отвор и е оформен от едната страна на плочата 40. Изходният порт 43 е направен като поне един проходен отвор и е оформен от противоположната страна на входния порт 43, така че бъде диагонал по отношение на този вход 43.
7 е блок-схема, илюстрираща първо изпълнение на метод за производство на биполярна плоча с горивна клетка в съответствие с настоящото изобретение.
Както е показано на ФИГ. 7, в първото изпълнение на метода за производство на биполярна плоча с горивна клетка съгласно настоящото изобретение се формира матрица за обработка на плочата, върху която се формира пространство за поток на течност с определена площ и дълбочина от двете страни и образува решетка, стърчаща в пространството на потока на течната среда. След това плочата се обработва с тази форма. В същото време правоъгълно пространство за флуиден поток с определена дълбочина се формира в плочата от двете страни на правоъгълната плоча с определена дълбочина и се оформя решетка в пространството за флуиден поток, така че да образува канал. Тази мрежа може да се формира в различни форми.
След това плочата се обработва, за да образува входен отвор, така че да позволи на потока на флуид да тече в пространството на мрежестия поток на флуида, и се обработва, за да образува изход, така че да позволи на потока да изтече от пространството на флуидния поток. Входящият канал и съответно изходящият канал са направени под формата на най-малко един проходен отвор или отворен канал.
Първо се подреждат плочите с биполярни горивни клетки. По-подробно, както е показано на фиг. 8, MEAs (M) се поставят между биполярните плочи (BP) и те се комбинират една с друга посредством комбинация (не е показана). В този случай пространството за флуиден поток 41, образувано от страната на биполярната плоча (BP), решетката за посока на флуида 42, оформена в пространството за флуиден поток 41, и страната на MED (M) образуват път (канал) през по който тече горивото. Другата страна на MED (M), пространството за флуиден поток 41, образувано от страната на другата биполярна плоча (BP), обърната към първата биполярна плоча (BP), и решетката за посока на флуида 42, образувана в пространството за флуиден поток 41, са образуван път (канал), през който протича въздух.
С тази структура, когато горивото се подава към входа 43 на биполярната плоча (BP), както е показано на ФИГУРА 9, горивото във входа 43 се влива в пространството за флуиден поток 41. Освен това, горивото в пространството за флуиден поток 41 се разпространява (разпределя) в пространството за флуиден поток 41 чрез направляващата решетка за флуид 42, поставена в пространството за флуиден поток 41, и след това горивото се изхвърля навън през изходния порт 44.
В този процес, направляващата флуидна решетка 42 в пространството за флуиден поток 41 изпълнява не само насочваща функция чрез равномерно разпръскване на горивото в пространството за флуиден поток 41, но също и функция на "дифузия" (функция на дифузия) чрез правилно контролиране на плътността на потока . В този случай разпределението и налягането могат да се регулират от размера на "клетките" на мрежата 42 на посоката на флуида. Междувременно, поради формирането на решетката за посока на флуида 42 под формата на решетка, контактната площ с MED (M) в контакт с биполярната плоча (BP) е относително намалена и, съответно, ефективната контактна площ на горивото и MED (M) се увеличават.
В допълнение към това, въздухът преминава през същия процес, както е описано по-горе.
В случая на метода за производство на плоча с биполярна горивна клетка съгласно първото изпълнение на настоящото изобретение, чрез производство на плочата с матрица, тя може лесно да бъде масово произведена. По-подробно, чрез производството на опорната решетъчна плоча и направата на входа и изхода биполярната плоча може да бъде просто и лесно произведена.
10 и 11 са разрези отгоре и отпред, илюстриращи второ изпълнение на плоча с биполярна горивна клетка в съответствие с настоящото изобретение.
Както е показано на фигури 10 и 11, биполярната плоча с горивна клетка съгласно второто изпълнение на изобретението включва плоча 50 с определена дебелина и площ; зона на канала 53, имаща решетъчни издатини 52, съседни на множество решетъчни жлебове 51, оформени по протежение на определена област от двете страни на плочата 50; вход 54, оформен от едната страна на плочата 50, така че да бъде свързан към решетъчните процепи 51 на зоната за преминаване на флуида 53; и изходящ канал 55, оформен от тази страна на плочата 50, така че да изпуска флуида, преминаващ през решетъчните процепи 51 на зоната на канала 53.
Плочата 50 има правоъгълна форма и определена дебелина. Областта на канала 53 е съответно оформена от двете страни на плочата 50, така че да има правоъгълна форма. Плочата 50 и областта на канала 53 могат да бъдат оформени в различни форми, различни от правоъгълна форма.
Решетъчните издатини 52 са оформени във формата на правоъгълен конус и всеки решетъчен жлеб 51 е оформен между тези решетъчни издатини 52 под формата на правоъгълен конус. Решетъчната издатина 52 може да бъде оформена така, че да има формата на триъгълен конус.
Решетъчните издатини 52 са подредени по правилен начин (на равни интервали). В една модификация решетъчните издатини 52 могат да бъдат поставени по неправилен начин.
Входният порт 54 и изходният порт 55, съответно, са оформени от едната страна на плочата 50, имаща отворена форма, с определени ширина и дълбочина. В допълнение, входният порт 54 и изходният порт 55 могат съответно да бъдат оформени като поне един проходен отвор.
Биполярната плоча с горивна клетка съгласно второто изпълнение на настоящото изобретение е направена от неръждаема стомана.
12 е блок-схема, илюстрираща второ изпълнение на метод за производство на биполярна плоча с горивна клетка съгласно настоящото изобретение.
Както е показано на ФИГУРА 12, в метода за производство на плоча с биполярна горивна клетка съгласно второто изпълнение на настоящото изобретение, първата стъпка е да се произведе плоча с определена дебелина и площ. След това се извършва втора стъпка под формата на механична обработка за оформяне на решетъчните процепи до решетъчните издатини от двете страни на плочата. Тази втора стъпка включва подетапите на нарязване на двете страни на плочата, за да се образуват решетъчни издатини; и шлайфане на двете назъбени страни на плочата. Решетъчните издатини, образувани от прореза, са във формата на правоъгълен конус, но те могат да бъдат оформени във форми, различни от правоъгълния конус. Чрез набраздяване се формират решетъчни процепи сред решетъчните издатини, при което решетъчните процепи образуват канали, през които тече течност. Чрез извършване на шлайфане е възможно да се отстранят неравностите, генерирани от нарязването, и да се обработят острите краища (върховете) на решетъчните издатини, така че да са тъпи.
И накрая, третата стъпка е да се обработи плочата, за да се образуват вход и изход, така че да се свържат със слотовете на решетката.
Пластините с биполярни горивни клетки са сглобени в пакет. В този случай зоната на канала 53, образувана от едната страна на биполярната плоча (ВР) и страната на MEU (М), образува път (канал), през който тече горивото. Другата страна на MED (M) и страната на другата биполярна плоча (BP), обърната към първата биполярна плоча (BP), образуват път (канал), през който протича въздух.
При тази конструкция, когато горивото се подава към входния канал 54 на биполярната плоча (BP), както е показано на ФИГ. 53, има канали и след това това гориво се изхвърля навън през изходния канал 55.
В този процес, поради малката и еднаква форма на такава решетка, образувана от решетъчните прорези 51, образувани от решетъчните издатини 52 в зоната на канала 53, флуидът може не само да бъде равномерно разпределен, но и разсеян. В същото време, поради решетъчните издатини 52, образувани в областта 53 на канала, контактната площ на биполярната плоча (BP) и MEA (M) е относително намалена и ефективната контактна площ на горивото и MEA (M) се увеличава.
В допълнение към това, въздухът преминава през същия процес, както е описано по-горе.
В случая на метода за производство на биполярна плоча с горивна клетка съгласно второто изпълнение на настоящото изобретение, чрез механична обработка на правоъгълна плоча с определена дебелина от двете страни, за да се образува вход и изход с ролка и т.н., производството е просто и бързо.
14 и 15 са разрези отгоре и отпред, илюстриращи трето изпълнение на плоча с биполярна горивна клетка в съответствие с настоящото изобретение.
Както е показано на ФИГУРИ 14 и 15, биполярната плоча с горивна клетка съгласно третото изпълнение на настоящото изобретение включва плоча 60 с определена дебелина и площ, в която, от двете страни в средата, множество канали 61, съставени от множество изкачвания и спускания, така че да имат определена ширина и дължина; и уплътнителен елемент 65, съответно прикрепен към контура на двете страни на плочата 60, така че да образуват канали 62а, 62b, 62с заедно с каналите 61 на плочата 60, вход 63 и изход 64, през които тече течност и навън.
Плочата 60 е направена под формата на правоъгълна метална плоча, а каналите 61 са оформени в определена вътрешна област на тази правоъгълна метална плоча. Когато плочата 60 се натисне, каналите 61 се оформят съответно от двете страни на плочата 60 и каналите 61 имат еднаква дълбочина.
Уплътнителният елемент 65 има правоъгълна форма и определена ширина и има същата дебелина като височината на щранговете на канала 61 и има същия размер като плочата 60. Височината на щранговете на канала 61 е приблизително 2,5 mm.
Вход 63, през който тече флуид, е оформен от едната страна на уплътнителния елемент 65, а изход 64 е оформен така, че да бъде срещу входа 63.
Вътрешният канал, образуван от уплътнителния елемент 65, включва входящ буферен канал 62а за разпределяне на флуид през каналите 61 на плочата 60; изходящ буферен канал 62b за позволяване на флуида, преминаващ през каналите 61 на плочата 60, да тече в изходния канал 64; и свързващ канал 62с за свързване на входния буферен канал 62а и изходния буферен канал 62b.
16 е блок-схема, илюстрираща трето изпълнение на метод за производство на биполярна плоча с горивна клетка съгласно настоящото изобретение.
Както е показано на ФИГ. 16, в производствения метод на плочата с биполярна горивна клетка съгласно третото изпълнение на настоящото изобретение, първата стъпка е да се получи плоча 60 чрез изрязване на метална плоча с определена дебелина и площ според определен размер, а втората стъпка е да се пресова плочата 60, така че да се образуват множество канали 61 от двете страни на плочата 60. Металната плоча 60 има правоъгълна форма.
Каналите 61 на плочата 60 са направени прави и имат определена дължина, а височината на издиганията на каналите 61 е същата. Каналът 61 на плочата 60 може да има различни форми на напречно сечение, като форма на вълна или правоъгълна форма.
Третата стъпка е да се комбинира уплътняващият елемент 65 с контура на пресованата плоча 60. Уплътняващият елемент 65 се оформя в правоъгълен разделител с определена ширина и дебелина и този уплътняващ елемент 65 се комбинира с контура на плоча 60, така че да обгражда вътрешната област на плочата 60 и по този начин да образува канали 62а, 62b, 62с. Вход 63 и изход 64 са оформени върху уплътнителния елемент 65. Входът 63 и изходът 64 могат да бъдат оформени чрез изрязване на част от уплътнителния елемент 65.
Както е описано по-горе в първото изпълнение на настоящото изобретение, пакетът от горивни клетки е сглобен. В същото време, чрез повдигане на правия канал 61, образуван от страната на биполярната плоча (BP) и от страната на MEU (M), се образува път (канал), по който тече горивото. Другата страна на MED (M) и наклоните на прави канали 61, образувани от страната на другата биполярна плоча (BP), обърната към първата биполярна плоча (BP), образуват път (канал), през който протича въздух.
С тази конструкция, когато горивото се подава към входния порт 63 на биполярната плоча (BP), горивото във входния порт 63 тече по този път, а именно през входния буферен порт 62а, свързващия порт 62с, порта 61 и изхода буферен порт 62b. След това горивото се изхвърля навън през изходния отвор 64. Освен това въздухът преминава през същия процес, както е описано по-горе.
В допълнение, в настоящото изобретение, чрез производството на металната плоча чрез обработка с преса, производството е просто и бързо. В допълнение, чрез намаляване на дебелината на биполярната плоча, размерът и теглото на опаковката могат да бъдат намалени.
Индустриална приложимост
Както е описано по-горе, в случая на биполярната плоча с горивна клетка и метода за нейното производство съгласно настоящото изобретение, чрез превръщане на горивния и въздушния поток съответно в горивния електрод и въздушния електрод на горивната клетка еднакви, увеличавайки ефективния зоната на реакция с MEA и увеличаването на изходната мощност на дифузионната зона (изходната енергия) може да се увеличи. Чрез намаляване на съпротивлението на потока гориво и въздух може да се намали загубата на налягане, генерираща потока гориво и въздух, т.е. изпомпваща сила. В допълнение, чрез опростяване и улесняване на производството, производствените разходи могат да бъдат значително намалени и следователно е възможно масово производство.
1. Биполярна плоча с горивни клетки, съдържаща плоча с определена дебелина и площ; пространство за флуиден поток, образувано от двете страни на плочата, като пространството за флуиден поток е конфигурирано да има определена ширина, дължина и дълбочина; решетка за насочване на флуид, монтирана в пространството на потока на флуида, като решетката за насочване на флуид има определена форма; входящ отвор, оформен върху плочата, свързана с пространството за флуиден поток за въвеждане на флуида; и изходен отвор, оформен върху плочата, свързана с пространството за флуиден поток за изпускане на флуида.
2. Биполярна плоча съгласно претенция 1, при която пространството за флуиден поток е оформено да бъде с правоъгълна форма и направляващата флуидна решетка е с правоъгълна форма, не по-голяма от размера на пространството за флуиден поток.
3. Биполярна плоча съгласно претенция 1, при която направляващата флуидна решетка има дебелина не по-голяма от дълбочината на пространството за флуиден поток.
4. Биполярна плоча съгласно претенция 1, където входният порт и изходящият порт са съответно оформени като поне един проходен отвор и са оформени от страната на плочата.
5. Биполярна плоча съгласно претенция 1, при която входът и изходът са диагонални един спрямо друг.
6. Биполярна плоча съгласно претенция 1, като плочата е изработена от материал от неръждаема стомана.
7. Метод за производство на биполярна плоча с горивна клетка, включващ изработване на матрица за обработка на плочата, върху която от двете страни е оформено пространство за поток на флуид, имащо определена площ и дълбочина, и решетка от флуид, стърчаща в пространството на потока на флуид е формиран; изработване на чиния с помощта на тази форма; обработка на плочата за осигуряване на вход за флуид, който да тече в мрежестото пространство за флуиден поток; и обработка на плочата за осигуряване на изходен канал за изтичане на флуид от пространството за флуиден поток.
8. Биполярна плоча с горивни клетки, съдържаща плоча с определена дебелина и площ; зона на канала, имаща решетъчни издатини до множество решетъчни жлебове, оформени по протежение на определена област от двете страни на плочата; входящ отвор, оформен от страната на плочата, свързан с прорезите на решетката за въвеждане на течност; и изходен канал, оформен отстрани на плочата, свързан със слотовете на решетката, за изпускане на течност в слотовете на решетката.
9. Биполярна плоча съгласно претенция 8, при която издатината на решетката е оформена във форма на правоъгълен конус.
10. Биполярна плоча съгласно претенция 8, при която решетъчните издатини са оформени на равни интервали.
11. Биполярна плоча съгласно претенция 8, при която входният порт и изходният порт са съответно оформени от страната на плочата в отворена форма с определена ширина и дълбочина.
12. Биполярна плоча съгласно претенция 8, като плочата е изработена от материал от неръждаема стомана.
13. Метод за производство на биполярна плоча с горивна клетка, включващ производство на плоча с определена дебелина и площ; извършване на машинна обработка за формиране на решетъчните прорези до решетъчните издатини, оформени от двете страни на плочата; и обработка на плочата с входящия канал и изходящия канал, свързани към жлебовете на решетката.
14. Методът съгласно претенция 13, при който етапът на механична обработка включва подетапи: прорези от двете страни на плочата за образуване на решетъчни издатини; и шлайфане на двете назъбени страни на плочата.
15. Биполярна плоча с горивни клетки, включваща: плоча с определена дебелина и площ, в която от двете страни в средата чрез натискане се образуват множество канали, състоящи се от множество изкачвания и спускания, така че да имат определена ширина и дължина; и уплътняващ елемент, съответно прикрепен към контура на двете страни на плочата, така че да образува вътрешни канали, заедно с каналите на плочата, входящ канал и изходящ канал, през които флуидът тече навътре и навън от каналите.
16. Биполярна плоча съгласно претенция 15, в която вътрешните канали включват входящ буферен канал за разпределяне на течност през каналите на плочата; изходящ буферен канал за позволяване на течността, преминаваща през каналите на плочата, да тече в изходния канал; и свързващ канал за свързване на входния буферен канал и изходния буферен канал.
17. Метод за производство на плоча с биполярна горивна клетка, включващ изрязване на плочата, така че да има определен размер; преса, обработваща двете страни на изрязаната плоча, така че да образува множество канали, през които тече течността; и комбиниране на уплътнителния елемент с контура на пресованата плоча.
18. Метод съгласно претенция 17, характеризиращ се с това, че по време на етапа на пресоване издиганията, образувани от каналите, се обработват така, че да имат еднаква височина.
Изобретението се отнася до областта на електротехниката и може да се използва в горивни клетки
За начинаещи: отглеждане на бройлери у дома Преварена вода за бройлери
Само влюбените ще оцелеят
Характеристики на рекламата, насочена към деца
ретуширане на стари снимки във photoshop ретуширане на стари снимки
Какво е НПО: декодиране, дефиниране на цели, видове дейности Има ли право организация с нестопанска цел