ELEKTROHEMIJSKA ENERGIJA. 2009. V. 9, br. 3. S.161-165
UDK 66.02; 536.7;
METODE ZA POVRŠINSKU OBRADU TITAN BIPOLARNIH PLOČA VODIK-VAZDUH GORIVNIH ĆELIJA
M. S. Vlaskin, E. I. Shkolnikov, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov* i V. P. Kharitonov*
Institut za nove energetske probleme JIHT RAS, Moskva, Rusija *CJSC "Rimos", Moskva, Rusija E-mail: [email protected]
Primljeno 11. juna 2009. godine
Članak je posvećen proučavanju utjecaja površinskih tretmana bipolarnih ploča (BP) na specifične električne karakteristike gorivnih ćelija (FC). Istraživanja su provedena na pločama na bazi titana. Razmatraju se dvije metode obrade BP: elektrohemijska pozlata i implantacija ugljičnih jona. Dati su kratki opisi navedenih tehnologija, kao i metodologija i rezultati eksperimenata. Pokazano je da i pozlaćenje i dopiranje ugljikom površine titanijumskih BP poboljšavaju električne karakteristike FC. Relativno smanjenje FC omskih otpora u odnosu na neobložene titanijumske ploče iznosilo je 1,8 za elektrohemijsku pozlatu i 1,4 za ionsku implantaciju.
Ključne riječi Ključne riječi: vodonik-vazdušne gorive ćelije, bipolarne ploče na bazi titana, implantacija ugljika, spektroskopija impedancije.
Rad je posvećen istraživanju uticaja površinskih obrada bipolarnih ploča (BP) na specifične električne karakteristike goriva CE)(s (FC). Istraživanja su sprovedena na pločama na bazi titana. Dva načina obrade BP su razmatrano: elektrohemijsko pozlaćivanje i jonska implantacija ugljenika.U radu su prikazani kratki opisi dobijenih tehnologija, kao i tehnika i rezultati eksperimenata.U radu je pokazano da se pozlatom i jonskom implantacijom ugljenik titanski BP poboljšavaju električne karakteristike FC. Relativno smanjenje omskog otpora FC u poređenju sa "čistim" titanskim pločama je iznosilo 1,8 za elektrohemijsko pozlatu i 1,4 za ionsku implantaciju.
Ključne riječi: vodonik-vazdušne gorivne ćelije, bipolarne ploče na bazi titana, implantacija ugljika, impedansna spektroskopija.
UVOD
Trenutno se u svijetu koriste dvije glavne vrste materijala za BP: BP od karbonskih ili grafitnih polimernih kompozita i metalni BP.
Istraživanja u oblasti grafita BP dovela su do značajnog poboljšanja njihovih fizičkih i hemijskih svojstava i specifičnih karakteristika. Napojne jedinice na bazi grafita otpornije su na koroziju od metalnih, ali njihov glavni nedostatak je i dalje slaba mehanička čvrstoća, što onemogućava njihovu upotrebu u gorivnim ćelijama za transport i prijenosnim prijenosnim elektranama.
U tom smislu, metali imaju nekoliko neospornih prednosti u odnosu na ugljične materijale. Odlikuje ih veća toplotna i električna provodljivost, odsustvo pora, nepropusnost za gas i visoka mehanička čvrstoća. Metalne PSU su takođe ekonomičnije od grafitnih. Međutim, sve gore navedene prednosti metala su u velikoj mjeri umanjene nedostacima kao što su niska otpornost na koroziju i visoka otpornost na kontakt sa difuzijskim slojevima ugljičnog plina (GDL).
Metal koji najviše obećava kao materijal za proizvodnju izvora napajanja je titanijum. U radu su prikazane neke prednosti titanijumskih napojnih jedinica. Titan ima dobra mehanička svojstva, a kontaminacija jonima titana nije opasna za katalizator membranske elektrode (MEA). Otpornost titanijuma na koroziju je takođe jedna od najviših među metalima, međutim, u agresivnom okruženju gorivih ćelija, titanijum još uvek treba da bude zaštićen od korozije. Dodatni faktor u potrazi za premazima za titanijum je njegova visoka kontaktna otpornost sa ugljeničnim HDS-ima.
Naša laboratorija (JIHT RAS Laboratory of Aluminium Hydrogen Energy) bavi se razvojem prenosivih izvora energije na bazi vodonik-vazduh gorivnih ćelija (HHFC). Titanijum je izabran kao BP materijal, uključujući i zbog prethodno navedenog. Radovi koje smo ranije izveli potvrdili su potrebu traženja premaza i/ili metoda za njegovu dodatnu obradu.
Dobro poznat način zaštite površine titanijuma je prekrivanje zlatom. Ovaj premaz povećava otpornost na koroziju i smanjuje omski otpor gorivne ćelije, što dovodi do poboljšanja njegovih električnih karakteristika. Međutim, ova tehnologija jeste
© 2009
M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. KHARITONOV
skupo, uglavnom zbog upotrebe plemenitih metala.
U ovom radu, pored elektrohemijskog pozlata, razmatra se i metoda proizvodnje PB od titanijuma sa njegovom naknadnom obradom ionskom implantacijom. Legiranje površine BP ugljenikom stvara dodatnu zaštitu od korozije i smanjuje otpornost na kontakt sa ugljeničnim GDS. Ova tehnologija obećava smanjenje troškova proizvodnje PSU-a, uz zadržavanje visokih električnih karakteristika.
U radu su prikazani rezultati eksperimenata upoređivanja električnih karakteristika jedinice za napajanje od „čistog“ titanijuma (tj. bez premaza), titana elektrohemijski presvučenog zlatom i titana legiranog ugljenikom metodom ionske implantacije.
1. EKSPERIMENTALNA TEHNIKA
Kao električne karakteristike odabrane su krivulja strujnog napona i FC impedansa, uz pomoć kojih su gore navedene metode izrade PSU od titanijuma međusobno upoređene. Eksperimenti su izvedeni na specijalizovanom impedancemetru Z-500PX (sa funkcijama potenciostata) proizvođača Elins LLC. FC je bio opterećen elektronskim opterećenjem ugrađenim u impedanciju u potenciostatskom režimu na naponima od 800, 700, 600 i 500 mV. Pri svakom naponu, FC je držan 2000 s da bi postigao stabilno stanje, nakon čega je uslijedilo mjerenje impedance. U svakom slučaju, nakon izlaganja i
kada je gorivna ćelija došla u stacionarno stanje, snimljeno je 5 hodografa. Prilikom mjerenja impedanse, amplituda uznemirujućeg sinusoidnog naponskog signala bila je 10 mV, opseg frekvencija 105–1 Hz. Strujno-naponske krive su iscrtane iz stacionarnih vrijednosti.
Svi eksperimenti su izvedeni na posebno napravljenom modelu test HVFE (slika 1). Ispitni element je jedan MEA, u sendviču između dvije ploče za prikupljanje struje, koje su analogne završnim pločama u FC baterijama. Ukupna veličina ploča strujnog kolektora je 28x22 mm, svaka debljina je 3 mm. Za praktičnost prikupljanja struje, ploče imaju posebne "repove" 4x4 mm. Veličina aktivne površine 12x18 mm (2,16 cm2). Vodik se dovodi do MEA kroz ploču anodne kolektorske struje i širi se prema datom polju strujanja na aktivnoj površini ove ploče. Vazduh napaja VVTE zbog prirodne konvekcije. Katodna kolektorska ploča ima 4 kanala prečnika 2 mm sa prorezima u području aktivne površine. Dužina kanala kroz koji se distribuira vazduh je 22 mm. Troelementni MEA su napravljeni od Mayop 212, sa potrošnjom platinskog katalizatora od 0,2 mg/cm2 na anodi i 0,5 mg/cm2 na katodi.
Ispitni VVTE sastavljeni su od istih komponenti, sa izuzetkom ploča strujnog kolektora. Tri para strujnih ploča napravljena su od titanijuma VT1-0. Prvi par je bio "čisti" brušeni titanijum
Rice. 1. Testirajte gorivnu ćeliju u sklopivom stanju. Detalji s lijeva na desno: anodna strujna ploča, brtva, anoda GDS, MEA, katoda HDS, brtva, katodna strujna ploča; dno - pričvrsni vijci i matice
ploče, odnosno bez premaza i bilo kakve dodatne obrade. Drugi je premazan zlatom debljine 3 µm kroz podsloj nikla debljine 2 µm standardnom elektrohemijskom metodom. Treći par je dopiran ugljikom ionskom implantacijom.
Tehnološki proces ionske implantacije poznat je oko 50 godina. Zasniva se na uvođenju ubrzanih jona neke supstance u ciljni materijal kako bi se promijenila fizička i kemijska svojstva njegove površine. Jonska implantacija titanijuma BP i završnih ploča obavljena je na specijalizovanom štandu CJSC "RIMOS". Stalak je injektor sposoban da stvara ubrzane snopove jona različitih supstanci u uslovima visokog vakuuma bez ulja. Titanijumske ploče implantirane na ovom postolju imaju visoku otpornost na koroziju i kontinuitet legiranja. Titanijumske ploče su podvrgnute tretmanu jonskim snopom pri energiji jona od 20 keV, dozi implantacije od 1018 cm-2 i temperaturi obrađenog proizvoda od 300 °C ± 10 °C.
Doza implantacije ugljika mjerena je po dubini profila distribucije polirane titanijumske ploče metodom sekundarne jonske masene spektrometrije na opremi CAMECA 1M84B (Francuska). Kriva raspodjele koncentracije ugljika u titanu prikazana je na sl. 2. Prema slici, dubina površinskog sloja ugljenika je 200^220 nm, što je dovoljno za dobijanje fundamentalno novih fizičkih i hemijskih svojstava BP površine.
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
Dubina, mikroni
Rice. 2. Kriva raspodjele koncentracije ugljika u titanu
2. REZULTATI I DISKUSIJA
Na sl. Slika 3 prikazuje krivulje volt-ampera i odgovarajuće krive gustine snage za gorivne ćelije s različitim pločama za prikupljanje struje. Apsolutne vrijednosti struje i snage odnose se na MEA aktivnu površinu, koja iznosi 2,16 cm2. Iz slike jasno proizlazi da i legiranje ugljikom i elektrohemijsko pozlaćivanje dovode do poboljšanja specifičnih karakteristika gorivih ćelija. Treba napomenuti da karakteristike volt-ampera istovremeno prikazuju aktivacijske, omske i difuzijske gubitke u gorivoj ćeliji. Aktivacijski gubici povezani su s prevladavanjem energetske barijere reakcija elektroda, omski gubici su zbir električnih otpora svakog od električno vodljivih FC slojeva i kontaktnih otpora između njih, a difuzijski gubici povezani su s nedostatkom opskrbe reagensima. MEA reakcijska regija. Unatoč činjenici da u različitim područjima gustoće struje, po pravilu, prevladava jedna od tri gore navedene vrste gubitaka, krivulje volt-ampera i krivulje gustine snage nisu dovoljne za kvantifikacija jedan ili drugi način obrade BP (završne ploče). U našem slučaju interesantni su omski gubici FC. Gubici aktivacije i difuzije su isti za sve gorivne ćelije u prvoj aproksimaciji: aktivacijski gubici zbog upotrebe istog MEA sa istom potrošnjom katalizatora, gubici difuzije zbog istog dizajna testnih strujnih kolektorskih ploča.
Za identifikaciju omskih gubitaka korišteni su hodografi impedanse dobiveni tijekom eksperimenata. Rezultati ovog dijela eksperimenata prikazani su na sl. 4. Kao primjer, slike prikazuju jedan od pet hodografa snimljenih u svakom slučaju nakon što FC dostigne stacionarno stanje.
Spektroskopija impedancije omogućava kvantifikaciju električnih gubitaka FC. Radovi daju opis ovu metodu u odnosu na VVTE. U skladu sa pravilima za tumačenje hodografa, omski otpor je stvarni dio impedanse na visokim frekvencijama (/ = 105-104 Hz). Vrijednost se bira u tački presjeka hodografa sa osom apscise (1m R = 0) u području visokih frekvencija. Takođe, uz pomoć hodografa se utvrđuje kapacitet dvostrukog sloja na površini elektroda/elektrolita. Prečnik polukruga hodografa karakteriše ukupni otpor prolasku naelektrisanja kroz ovaj sloj. Na sl. U rasponu su predstavljena 4 hodografa impedancije
M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. KHARITONOV
Rice. 3. Volt-amper krivulje (a) i odgovarajuće krive gustine snage (b): - - - neobloženi titan,
W- - titan + C, -■- - titan + N1 + Au
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1t, od 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
Rice. Slika 4. TE impedansa pri konstantnoj polarizaciji, mV: a - 800, b - 700 c - 600, d - 500: - neobloženi titanijum;
Titan + N1 + Au; o - titan + C
frekvencije od 105-1 Hz, budući da je vrijedno napomenuti prilično visoke difuzijske gubitke gorivih ćelija (preko 2 Ohm-cm2). Međutim, to nije posljedica površinske obrade titanskih ploča, već je povezano s dizajnom katodne ploče kolektora struje i uvjetima prirodne konvekcije pri dovodu zraka u MEA.
U tabeli su prikazane apsolutne vrijednosti omskih otpora u zavisnosti od polarizacije gorivne ćelije i načina obrade njenih strujnih ploča, kao i njihove sistematske greške. Rezultati pokazuju da pozlaćenje smanjuje ukupni omski otpor za faktor od oko 1,8 u odnosu na neobloženi titan zbog smanjenja kontaktnih gubitaka. Dopiranje sa jonima ugljenika daje dobit od ~1,4 puta, respektivno. Vrijednost intervala pouzdanosti ukazuje na visoku tačnost mjerenja vrijednosti omskog otpora.
Ohmski otpor gorivne ćelije (Ohm) sa pločama za prikupljanje struje od neobloženog titanijuma, titana elektrohemijski obloženog N1, Au i titana dopiranog C+ jonima, u zavisnosti od polarizacije gorivne ćelije
Uzorak TE napona, mV
Titan bez premaza 0,186 0,172 0,172 0,169
Titan+Ni, Au 0,1 0,098 0,097 0,093
Titan+C 0,131 0,13 0,125 0,122
Dakle, dokazano je da i pozlaćenje i legiranje titanijuma BP ugljikom smanjuju njihovu otpornost na kontakt sa karbonskim HDD-ovima. Premazivanje vafla zlatom pokazuje se nešto povoljnijim u pogledu električnih karakteristika od njihove obrade ionskom implantacijom.
Sve navedeno sugerira da se i jedna i druga od razmatranih tehnologija mogu koristiti za obradu titanijuma BP.
BIBLIOGRAFIJA
1. Middelman E., Kout W, Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de, //J. Izvori napajanja. 2003 Vol. 118. P. 44-46.
2. Dobrovolsky Yu.A., Ukshe A.E., Levchenko A.V., Arkhangelsky I.V., Ionov S.G., Avdeev V.V., Aldoshin S.M. // Journal. Ros. chem. o njima. D. I. Mendeljejev. 2006. Tom 1, br. S.83-94.
3. S.-Wang H, Peng J., Lui W.-B., Zhang J.-S. // J. Power Sources. 2006. Vol.162. P.486-491.
4. Davies D.P., Adcock P.L., Turpin M., Rowen S.J., J. Appl. Electrochem. 2000. Vol.30. P.101-105.
5. E. I. Shkolnikov, M. S. Vlaskin, A. S. Ilyukhin i A. B. Tarasenko, Elektrokhim. energije. 2007. V.7, br. 4 S. 175-182.
6. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Iljukhin A.S., Zhuk A.Z., Sheindlin A.E. // J. Power Sources. 2008. Vol.185. P.967-972.
7. Fabian T., Posner J. D., O "Hayre R., Cha S.-W., Eaton J. K., Prinz F. B., Santiago J. G. // J. Power Sources. 2006. Vol. 161. P. 168-182.
8. Implantacija jona u poluprovodnike i druge materijale: Sat. Art. M.: Mir, 1980.
9. Pleshivtsev N.V., Bazhin A.I. Fizika uticaja jonskih zraka na materijale. M.: Vuzovskaja knjiga, 1998.
10. Ionska implantacija. Moskva: Metalurgija, 1985.
11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027 / 24, H01J003 / 04 / Mashkovtsev BN Metoda za proizvodnju jonskog snopa i uređaj za njegovu implementaciju.
12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2/00, A61L2/14 / Kharitonov V.P., Chinenov A.A., Simakov A.I., Samkov A.V. Uređaj za obradu proizvoda medicinske opreme jonskim snopom.
13. Pat. 2109495 RF, IPC: A61F002/24 / Iosif N.A., Kevorkova R.A.,. Samkov A.V., Simakov A.I., Kharitonov V.P., Chinenov A.A. Umjetni srčani zalistak i način njegove izrade.
14. Cooper K.R., Ramani V., Fenton J.M., Kunz H.R. Eksperimentalne metode i analize podataka za gorive ćelije s polimernim elektrolitom, Scribner Associates, Inc., Illinois, 2005. 122 str.
15. Nacionalna laboratorija za energetske tehnologije. Priručnik o gorivnim ćelijama, šesto izdanje, G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, West Virginia, 2002. 352 str.
SOFC elektrode proizvedene u Institutu za fiziku čvrstog stanja RAS: zelena - anoda i crna - katoda. Gorivne ćelije se nalaze na bipolarnim pločama za SOFC baterije
Moj prijatelj je nedavno posjetio Antarktik. Zabavno putovanje! ona je rekla turistički posao jednako je razvijena da dovede putnika na to mjesto i pusti ga da uživa u surovoj veličanstvenosti polarnog područja, bez smrzavanja do smrti. A to nije tako lako kao što se čini - čak i ako se uzme u obzir moderne tehnologije: struja i toplota na Antarktiku vrijede zlata. Procijenite sami, obični dizel agregati zagađuju djevičanski snijeg i zahtijevaju isporuku veliki broj gorivo i obnovljivi izvori energije još nisu veoma efikasni. Na primjer, na muzejskoj stanici popularnoj među antarktičkim turistima, svu energiju proizvodi snaga vjetra i sunca, ali je u muzeju prohladno, a četiri čuvara se tuširaju samo na brodovima koji dovoze goste.
Problemi sa stalnim i neprekidnim napajanjem poznati su ne samo polarnim istraživačima, već i svim proizvođačima i ljudima koji žive u udaljenim područjima.
Oni se mogu riješiti novim načinima skladištenja i proizvodnje energije, među kojima su kemijski izvori struje najperspektivniji. U ovim mini reaktorima energija hemijskih transformacija direktno, bez pretvaranja u toplotu, pretvara se u električnu energiju. Tako su gubici i, shodno tome, potrošnja goriva naglo smanjeni.
U hemijskim izvorima energije mogu se javiti različite reakcije, a svaka ima svoje prednosti i nedostatke: neke brzo „propadnu“, druge mogu da rade samo pod određenim uslovima, na primer, na ultravisokim temperaturama, ili na strogo definisanom gorivu, kao što je čisto gorivo. vodonik. Grupa naučnika sa Instituta za fiziku čvrsto telo RAS (ISSP RAS) pod upravom Sergej Bredikhin kladio se na takozvanu gorivnu ćeliju čvrstog oksida (SOFC). Naučnici su uvjereni da će uz pravi pristup moći zamijeniti neefikasne generatore na Arktiku. Njihov projekat je podržan u okviru Federalnog ciljnog programa „Istraživanje i razvoj za 2014-2020.
Sergej Bredikhin, voditelj FTP projekta „Razvoj laboratorijske skalabilne tehnologije za proizvodnju planarnih SOFC-a i koncept stvaranja na njihovoj osnovi elektrana za različite namjene i strukture, uključujući i hibridne, uz proizvodnju i ispitivanje malog- eksperimentalni uzorak elektrane snage 500 - 2000 W"
Bez buke i prašine, ali sa punim povratom
Danas se borba u energetskoj industriji vodi za koristan izlaz energije: naučnici se bore za svaki procenat efikasnosti. Generatori koji rade na principu unutrašnjeg sagorijevanja na ugljikovodična goriva - lož ulje, ugalj, prirodni plin (posljednja vrsta goriva je ekološki najprihvatljivija). Gubici tokom njihove upotrebe su značajni: čak i uz maksimalnu optimizaciju, efikasnost takvih instalacija ne prelazi 45%. Istovremeno, tijekom njihovog rada nastaju dušikovi oksidi (NOx) koji se, u interakciji s vodom u atmosferi, pretvaraju u prilično agresivne kiseline.
SOFC baterija pod mehaničkim opterećenjem
Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC) nemaju ove "nuspojave". Takve instalacije imaju efikasnost veću od 50% (i to samo u smislu izlazne električne energije, a uzimajući u obzir toplinsku snagu, efikasnost može doseći 85-90%) i ne emituju opasna jedinjenja u atmosferu.
“Ovo je veoma važna tehnologija za Arktik ili Sibir, gdje su okoliš i problemi s isporukom goriva posebno važni. Budući da SOFC troše nekoliko puta manje goriva, objasnio je Sergej Bredikhin. „Moraju da rade bez prestanka, tako da su pogodni za rad na polarnoj stanici ili na severnom aerodromu.”
Uz relativno nisku potrošnju goriva, takva instalacija radi i bez održavanja do 3-4 godine. “Dizel agregat, koji se danas najviše koristi, zahtijeva promjenu ulja svakih hiljadu sati. A SOFC radi 10-20 hiljada sati bez održavanja”, naglasio je Dmitrij Agarkov, mlađi istraživač na ISSP-u.
Od ideje do baterije
Princip rada SOFC-a je prilično jednostavan. Oni su "baterija" u kojoj je sastavljeno nekoliko slojeva čvrstih oksidnih gorivnih ćelija. Svaki element ima anodu i katodu, gorivo mu se dovodi sa anodne strane, a zrak mu se dovodi sa katodne strane. Važno je napomenuti da je najprikladniji za SOFC različite vrste goriva od čistog vodonika do ugljen monoksid i razna ugljovodonična jedinjenja. Kao rezultat reakcija koje se odvijaju na anodi i katodi, troše se kisik i gorivo, a između elektroda se stvara jonska struja. Kada se baterija ugradi u električni krug, struja počinje teći u tom krugu.
Kompjuterska simulacija distribucije struja i temperaturnih polja u bateriji SOFC-a veličine 100×100 mm.
Neugodna karakteristika rada SOFC-a je potreba za visokim temperaturama. Na primjer, uzorak prikupljen na Institutu za fiziku čvrstog stanja Ruske akademije nauka radi na 850°C. Za zagrijavanje Radna temperatura, generatoru je potrebno oko 10 sati, ali će tada raditi nekoliko godina.
Ćelije čvrstog oksida koje se razvijaju na Institutu za fiziku čvrstog stanja RAS proizvodiće do dva kilovata električne energije, u zavisnosti od veličine ploče za gorivo i broja ovih ploča u bateriji. Mali modeli baterija od 50 vati već su sastavljeni i testirani.
Posebnu pažnju treba obratiti na same ploče. Jedna ploča se sastoji od sedam slojeva, od kojih svaki ima svoju funkciju. Dva sloja na katodi i anodi katalizuju reakciju i propuštaju elektrone, keramički sloj između njih izolira različite medije (vazduh i gorivo), ali omogućava prolazak nabijenih jona kisika. Istovremeno, sama membrana mora biti dovoljno čvrsta (keramika ove debljine se vrlo lako ošteti), pa se i sama sastoji od tri sloja: središnji daje potrebne fizička svojstva- visoka jonska provodljivost, - i dodatni slojevi naneseni na obje strane daju mehaničku čvrstoću. Međutim, jedna gorivna ćelija je vrlo tanka - ne više od 200 mikrona debljine.
SOFC slojevi
Ali jedna gorivna ćelija nije dovoljna - cijeli sistem mora biti smješten u spremnik otporan na toplinu koji će izdržati rad nekoliko godina na temperaturi od 850 ° C. Inače, u okviru projekta, za zaštitu metalnih konstrukcijskih elemenata, naučnici sa Instituta za fiziku čvrstog stanja Ruske akademije nauka koriste premaze razvijene u toku drugog projekta.
„Kada smo započeli ovaj projekat, bili smo suočeni sa činjenicom da u našoj zemlji nemamo ništa: nema sirovina, nema lepkova, nema zaptivača“, rekao je Bredikhin. “Morali smo učiniti sve. Radili smo simulacije, vježbali na malim gorivnim ćelijama u obliku tableta. Shvatili smo kakvi bi trebali biti u smislu sastava i konfiguracije i kako bi trebali biti smješteni.”
Osim toga, mora se uzeti u obzir da gorivna ćelija radi u okruženju visoke temperature. To znači da je potrebno osigurati nepropusnost, provjeriti da na ciljnoj temperaturi materijali neće međusobno reagirati. Važan zadatak je bio "sinhronizacija" širenja svih elemenata, jer svaki materijal ima svoj linearni koeficijent toplinskog širenja, a ako nešto nije usklađeno, kontakti se mogu odmaknuti, brtvila i ljepila mogu puknuti. Istraživači su dobili patent za proizvodnju ovog elementa.
Na putu implementacije
Vjerovatno je to razlog zašto je Bredikhin grupa na Institutu za fiziku čvrstog stanja izgradila cijeli sistem postupne pripreme materijala prvo, zatim ploča i, na kraju, gorivnih ćelija i generatora. Pored ovog primijenjenog krila, postoji i smjer koji se bavi fundamentalnom naukom.
Unutar zidova Instituta za fiziku čvrstog stanja vrši se rigorozna kontrola kvaliteta svake serije gorivih ćelija.
Glavni partner u ovom projektu je Državni istraživački centar Krylov, koji djeluje kao vodeći programer elektrane, uključujući razvoj potrebne projektne dokumentacije i proizvodnju hardvera u njenom pilot postrojenju. Dio posla obavljaju druge organizacije. Na primjer, keramičku membranu koja odvaja katodu i anodu proizvodi novosibirska kompanija NEVZ-Ceramics.
Inače, učešće centra za brodogradnju u projektu nije slučajno. Podmornice i podvodni dronovi mogu postati još jedno obećavajuće područje primjene SOFC-a. I za njih je izuzetno važno koliko dugo mogu biti potpuno van mreže.
Industrijski partner projekta, Fondacija Energy Without Borders, vjerovatno će organizirati proizvodnju malih serija dvokilovatnih generatora na bazi Krilovskog. naučni centar, ali se naučnici nadaju značajnom proširenju proizvodnje. Prema programerima, energija primljena u SOFC generatoru je konkurentna čak i za domaću upotrebu u udaljenim krajevima Rusije. Očekuje se da će cijena kWh za njih biti oko 25 rubalja, a uz trenutnu cijenu energije u Jakutiji do 100 rubalja po kWh, takav generator izgleda vrlo atraktivno. Tržište je već pripremljeno, siguran je Sergej Bredikhin, glavna stvar je imati vremena da se dokažete.
U međuvremenu, strane kompanije već uvode generatore na bazi SOFC-a. Lider u ovom pravcu je američka Bloom Energy koja proizvodi instalacije od 100 kilovata za moćne kompjuterske centre kompanija kao što su Google, Bank of America i Walmart.
Praktična korist je jasna - ogromni podatkovni centri napajani takvim generatorima trebali bi biti neovisni o nestancima struje. Ali pored toga, velike firme nastoje održati imidž progresivnih kompanija do kojih je stalo okruženje.
Samo ovdje u Sjedinjenim Državama za razvoj takvih “zelenih” tehnologija dospijevaju velike državne isplate - do 3.000 dolara za svaki kilovat proizvedene energije, što je stotine puta više od finansiranja ruskih projekata.
U Rusiji postoji još jedna oblast u kojoj upotreba SOFC generatora izgleda vrlo obećavajuće - to je katodna zaštita cjevovoda. Prije svega, riječ je o plinovodima i naftovodima koji se protežu stotinama kilometara kroz napušteni krajolik Sibira. Utvrđeno je da kada se napon dovede na metalnu cijev, ona je manje podložna koroziji. Sada katodne zaštitne stanice rade na termogeneratorima koje je potrebno stalno pratiti i čija je efikasnost samo 2%. Njihova jedina prednost je niska cijena, ali ako gledate dugoročno, uzmite u obzir cijenu goriva (a napajaju se sadržajem cijevi), a ova njihova "zasluga" izgleda neuvjerljivo. Uz pomoć stanica baziranih na SOFC generatorima moguće je organizovati ne samo nesmetano snabdevanje naponom gasovoda, već i prenos električne energije za telemetrijska istraživanja... Kažu da je Rusija bez nauke cev. Ispostavilo se da je i ova cijev bez nauke i novih tehnologija cijev.
Vlasnici patenta RU 2577860:
Pronalazak se odnosi na metodu zaštite od oksidacije bipolarnih ploča gorivnih ćelija i strujnih kolektora elektrolizera sa čvrstim polimernim elektrolitom (SPE), koji se sastoji od predtretman metalnu podlogu, nanošenjem elektroprovodljivog premaza od plemenitih metala na tretiranu metalnu podlogu raspršivanjem magnetron-jona. Metoda se odlikuje činjenicom da se na tretiranu podlogu slojevito nanosi elektroprovodljivi premaz, pri čemu se svaki sloj fiksira impulsnom implantacijom kisikovih jona ili inertnog plina. Tehnički rezultat je dobivanje stabilnog premaza sa resursom rada, 4 puta većim od onog dobivenog prototipom, i zadržavanjem provodljivih svojstava. 7 w.p. f-ly, 3 ill., 1 tab., 16 pr.,
Tehnička oblast
Pronalazak se odnosi na oblast hemijskih izvora struje, a posebno na metode izrade zaštitnih premaza za metalne kolektore struje (u slučaju elektrolizera) i bipolarne ploče (u slučaju gorivih ćelija - FC) sa čvrstim polimernim elektrolitom ( SPE). Prilikom elektrolize strujni kolektori, obično napravljeni od poroznog titanijuma, stalno su izloženi agresivnim medijima kiseonika, ozona, vodonika, što dovodi do stvaranja oksidnih filmova na kolektoru struje kiseonika (anodi), usled čega se povećava električni otpor, električna provodljivost i smanjenje performansi elektrolizer. Na vodonikovom kolektoru (katodi) struje, kao rezultat hidrogenacije površine poroznog titana, dolazi do njegovog korozionog pucanja. Rad u tako teškim uslovima sa konstantnom vlažnošću, strujni kolektori i bipolarne ploče zahtevaju pouzdanu zaštitu od korozije.
Glavni zahtjevi za premaze za zaštitu od korozije su niska otpornost na električni kontakt, visoka električna provodljivost, dobra mehanička čvrstoća, ujednačena primjena po cijeloj površini za stvaranje električnog kontakta, niska cijena materijala i troškovi proizvodnje.
Za instalacije sa TPE najvažniji kriterijum je hemijska otpornost premaza, nemogućnost upotrebe metala koji menjaju stepen oksidacije tokom rada i isparavaju, što dovodi do trovanja membrane i katalizatora.
Uzimajući u obzir sve ove zahtjeve, Pt, Pd, Ir i njihove legure imaju idealna zaštitna svojstva.
Stanje tehnike
Trenutno su mnogi poznati razne načine stvaranje zaštitnih premaza - galvanski i termički oporavak, jonska implantacija, fizičko taloženje parom (metode PVD raspršivanja), hemijsko taloženje pare (CVD metode raspršivanja).
Metoda za zaštitu metalnih supstrata poznata je iz prethodnog stanja tehnike (U.S. patent br. 6,887,613 za pronalazak, objavljen 3. maja 2005.). Sloj oksida, koji pasivizira površinu, prethodno je uklonjen s površine metala kemijskim jetkanjem ili mehaničkim tretmanom. Na površinu podloge nanesen je polimerni premaz, pomešan sa provodljivim česticama zlata, platine, paladija, nikla itd. Polimer se bira prema njegovoj kompatibilnosti sa metalnom podlogom - epoksidne smole, silikoni, polifenoli, fluorokopolimeri itd. Prevlaka je nanesena u obliku tankog filma elektroforetskim taloženjem; četkica; prskano u obliku praha. Premaz ima dobra antikorozivna svojstva.
Nedostatak ove metode je visoka električna otpornost sloja zbog prisustva polimerne komponente.
Metoda zaštite poznata je iz prethodnog stanja tehnike (vidi US patent US br. 7632592 za pronalazak, objavljen 15.12.2009.), koja predlaže stvaranje antikorozivnog premaza na bipolarnim pločama pomoću kinetičkog (hladnog) procesa praha za prskanje platine, paladija, rodijuma, rutenijuma i njihovih legura. Prskanje je vršeno pištoljem pomoću komprimovanog gasa, kao što je helijum, koji se ubacuje u pištolj pod visokim pritiskom. Brzina kretanja čestica praha je 500-1500 m/s. Ubrzane čestice ostaju u čvrstom i relativno hladnom stanju. U tom procesu ne dolazi do njihove oksidacije i topljenja, prosječna debljina sloja je 10 nm. Adhezija čestica na podlogu zavisi od dovoljne količine energije - sa nedovoljnom energijom uočava se slaba adhezija čestica, pri veoma visokim energijama dolazi do deformacije čestica i podloge, stvarajući visok stepen lokalno grijanje.
Metoda za zaštitu metalnih podloga poznata je iz prethodnog stanja tehnike (videti US patent US br. 7700212 za pronalazak, objavljen 20.04.2010.). Površina podloge je prethodno hrapava kako bi se poboljšala adhezija na materijal za premazivanje. Nanesena su dva sloja prevlake: 1 - nerđajući čelik, debljine sloja od 0,1 μm do 2 μm, 2 - sloj prevlake od zlata, platine, paladija, rutenija, rodijuma i njihovih legura, debljine ne više od 10 nm. Slojevi su nanošeni termičkim prskanjem, pištoljem, iz čije mlaznice je izbačen mlaz rastopljenih čestica koje su formirale hemijsku vezu sa metalnom površinom, a moguće je nanošenje premaza i PVD metodom (fizički taloženje pare). Prisutnost 1 sloja smanjuje stopu korozije i smanjuje troškove proizvodnje, međutim, njegovo prisustvo također dovodi do nedostatka - pasivni sloj krom oksida se formira od nehrđajućeg čelika, što dovodi do značajnog povećanja otpornosti na kontakt anti- korozijski premaz.
Metoda zaštite je poznata iz prethodnog stanja tehnike (vidjeti patent SAD br. 7803476 za pronalazak, objavljen 28.09.2010.), u kojoj se predlaže stvaranje ultra tankih premaza od plemenitog metala Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir i njihove legure, debljina premaza je od 2 do 10 nm, po mogućnosti čak i jednoatomni sloj debljine od 0,3 do 0,5 nm (debljina jednaka promjeru atoma prevlake). Prethodno se na bipolarnu ploču nanosio sloj nemetala koji ima dobru poroznost - ugalj, grafit pomiješan s polimerom, ili metal - aluminij, titan, nehrđajući čelik. Metalni premazi su nanošeni raspršivanjem elektronskim snopom, elektrohemijskim taloženjem i magnetronskim ionskim raspršivanjem.
Prednosti ove metode uključuju: eliminaciju faze jetkanja podloge radi uklanjanja oksida, nisku kontaktnu otpornost, minimalne troškove.
Nedostaci - u slučaju nemetalnog sloja, električni kontaktni otpor se povećava zbog razlika u površinskim energijama i drugim molekularnim i fizičkim interakcijama; moguće je miješati prvi i drugi sloj, zbog čega se na površini mogu pojaviti neplemeniti metali koji su podložni oksidaciji.
Metoda zaštite metalne podloge poznata je iz prethodnog stanja tehnike (vidjeti američki patent br. 7150918 za izum, objavljen 19. decembra 2006.), uključujući: obradu metalne podloge za uklanjanje oksida sa njene površine, primjenu elektroprovodljive korozije -otporni metalni premaz od plemenitih metala, nanošenjem elektroprovodljivog polimernog premaza otpornog na koroziju.
Nedostatak ove metode je visoka električna otpornost u prisustvu značajne količine vezivnog polimera, u slučaju nedovoljne količine vezivnog polimera, električno provodljive čestice čađi se ispiru iz polimernog premaza.
Metoda dosadašnje tehnike za zaštitu bipolarnih ploča i strujnih kolektora od korozije je prototip (vidi US patent br. 8785080 za pronalazak, objavljen 22.07.2014.), uključujući:
Obrada podloge u kipućoj deioniziranoj vodi ili toplinska obrada na temperaturi iznad 400°C, ili namakanje u kipućoj deioniziranoj vodi kako bi se formirao sloj pasivnog oksida debljine od 0,5 nm do 30 nm,
Nanošenje elektroprovodljivog metalnog premaza (Pt, Ru, Ir) na sloj pasivnog oksida debljine od 0,1 nm do 50 nm. Prevlaka je nanesena magnetron-jonskim raspršivanjem, isparavanjem elektronskim snopom ili taloženjem jona.
Međutim, prisutnost pasivnog oksidnog sloja povećava otpornost metalnog premaza na koroziju i dovodi do nedostataka - nevodljivi oksidni sloj naglo pogoršava vodljiva svojstva premaza.
Otkrivanje pronalaska
Tehnički rezultat predmetnog izuma je povećanje otpornosti premaza na oksidaciju, povećanje otpornosti na koroziju i vijek trajanja i održavanje provodljivih svojstava svojstvenih neoksidiranom metalu.
Tehnički rezultat postignut je činjenicom da se metoda zaštite od oksidacije bipolarnih ploča gorivih ćelija i strujnih kolektora elektrolizera sa čvrstim polimernim elektrolitom (SPE) sastoji u tome da je metalna podloga prethodno obrađena, električno provodljiva. premaz od plemenitih metala se nanosi na tretiranu metalnu podlogu magnetronskim ionskim raspršivanjem, u ovom slučaju elektroprovodljivi premaz se nanosi u slojevima pri čemu se svaki sloj fiksira impulsnom implantacijom kisikovih jona ili inertnog plina.
Poželjno je da se platina, ili paladijum, ili iridijum, ili njihova mešavina, koriste kao plemeniti metali. Impulsna ionska implantacija se izvodi uz postepeno smanjenje energije i doze jona. Ukupna debljina premaza je od 1 do 500 nm. Uzastopno taloženi slojevi imaju debljinu od 1 do 50 nm. Korišteni inertni plin je argon, ili neon, ili ksenon, ili kripton. Energija implantiranih jona je od 2 do 15 keV, a doza implantiranih jona je do 10 15 jona/cm 2 .
Kratki opis crteži
Karakteristike i suština izuma za koje se traži zaštita objašnjeni su u nastavku. Detaljan opis, ilustrovan crtežima i tabelom koja pokazuje sljedeće.
Na Sl. 1 - distribucija atoma platine i titanijuma izmeštenih kao rezultat implantacije argona (proračunato SRIM programom).
Na Sl. 2 - rez titanijumske podloge sa raspršenom platinom prije implantacije argona, gdje
1 - titanijumska podloga;
2 - sloj platine;
3 - pore u sloju platine.
Na Sl. 3 - rez titanijumske podloge sa naprskanom platinom nakon implantacije argona, gdje:
1 - titanijumska podloga;
4 - srednji titan-platinasti sloj;
5 - platinasti premaz.
U tabeli su prikazane karakteristike svih primjera implementacije predmetnog pronalaska i prototipa.
Implementacija i primjeri pronalaska
Metoda magnetron-ionskog raspršivanja zasniva se na procesu koji se zasniva na formiranju prstenaste plazme iznad površine katode (mete) kao rezultat sudara elektrona sa molekulima gasa (obično argona). Pozitivni joni gasa koji nastaju u pražnjenju, kada se negativni potencijal primeni na podlogu, ubrzavaju se u električnom polju i izbacuju atome (ili ione) ciljnog materijala, koji se talože na površini supstrata, formirajući film na njenoj površini. površine.
Prednosti metode magnetron-ionskog raspršivanja su:
Visoka brzina raspršivanja deponovane supstance pri niskim radnim naponima (400-800 V) i pri niskim pritiscima radnog gasa (5·10 -1 -10 Pa);
Mogućnost regulacije u širokom rasponu brzine disperzije i taloženja raspršene tvari;
Nizak stepen kontaminacije nanesenih premaza;
Mogućnost istovremenog prskanja meta iz različitih materijala i kao rezultat toga mogućnost dobijanja prevlaka složenog (višekomponentnog) sastava.
Relativna lakoća implementacije;
Jeftino;
Jednostavnost skaliranja.
Istovremeno, rezultirajući premaz karakterizira prisustvo poroznosti, ima malu čvrstoću i nedovoljno dobro prianjanje na materijal podloge zbog niske kinetičke energije raspršenih atoma (jona), koja iznosi približno 1-20 eV. Takav nivo energije ne dozvoljava prodiranje atoma nanesenog materijala u prizemne slojeve materijala supstrata i stvaranje međusloja sa visokim afinitetom prema podlozi i materijalu premaza, visokom otpornošću na koroziju i relativno niskom otpornošću. čak i sa stvaranjem oksidnog površinskog filma.
U okviru zatraženog izuma, zadatak povećanja otpora i održavanja provodnih svojstava elektroda i zaštitnih premaza konstrukcijskih materijala rješava se izlaganjem premaza i podloge struji ubrzanih jona koji pomiču premaz i materijal podloge na atomskom nivou, što dovodi do međusobnog prožimanja podloge i materijala premaza, što rezultira zamagljivanjem granice između premaza i supstrata sa formiranjem faze srednjeg sastava.
Vrsta ubrzanih iona i njihova energija se biraju ovisno o materijalu prevlake, njegovoj debljini i materijalu supstrata na način da izazovu pomicanje atoma prevlake i supstrata i njihovo miješanje na granici faze uz minimalno raspršivanje premaza. materijal. Odabir se vrši odgovarajućim proračunima.
Na Sl. Na slici 1 prikazani su proračunski podaci o pomaku atoma prevlake koja se sastoji od platine debljine 50 A i atoma supstrata od titanijuma pod dejstvom jona argona sa energijom od 10 keV. Joni sa nižom energijom na nivou od 1-2 keV ne dostižu faznu granicu i neće obezbediti efikasno mešanje atoma za takav sistem na granici faze. Međutim, pri energijama iznad 10 keV dolazi do značajnog prskanja platinastog premaza, što negativno utječe na vijek trajanja proizvoda.
Dakle, u slučaju jednoslojnog premaza velike debljine i velike energije potrebne za prodiranje implantiranih iona do granice faze dolazi do rasprskavanja atoma prevlake i gubitka plemenitih metala; podloge i prevlake i povećavaju čvrstoću prevlake. . Međutim, tako mala (1-10 nm) debljina premaza ne osigurava dug vijek trajanja proizvoda. Kako bi se povećala čvrstoća premaza, njegov vijek trajanja i smanjili gubici tijekom raspršivanja, implementacija impulsnih jona provodi se sloj po sloj (debljina svakog sloja je 1-50 nm) premazivanjem uz postupno smanjenje jona. energije i doze. Smanjenje energije i doze omogućava praktički eliminaciju gubitaka tokom raspršivanja, ali omogućava da se osigura potrebna adhezija nanesenih slojeva na podlogu, na koju je isti metal već nanesen (bez odvajanja faza) povećava njihovu uniformnost. . Sve to doprinosi i povećanju resursa. Treba napomenuti da filmovi debljine 1 nm ne pružaju značajno (potrebno za strujne kolektore) povećanje vijeka trajanja proizvoda, a predložena metoda značajno povećava njihovu cijenu. Filmove debljine veće od 500 nm također treba smatrati ekonomski neisplativim, jer potrošnja metala platinske grupe značajno se povećava, a resurs proizvoda u cjelini (ćelije) počinje biti ograničen drugim faktorima.
Kod nanošenja višeslojnog premaza preporučljivo je tretiranje jonima veće energije tek nakon nanošenja prvog sloja debljine 1–10 nm, a kod obrade narednih slojeva debljine do 10–50 nm, jonima argona sa energije od 3-5 keV dovoljne su za njihovo kompaktiranje. Implantacija jona kiseonika tokom taloženja prvih slojeva prevlake, uz rešavanje navedenih problema, omogućava stvaranje oksidnog filma otpornog na koroziju na površini dopiranoj atomima prevlake.
Primjer 1 (prototip).
Uzorci titan folije marke VT1-0 površine 1 cm 2, debljine 0,1 mm i poroznog titanijuma marke TPP-7 površine 7 cm 2 stavljaju se u pećnicu i drže na temperaturi od 450°C 20 minuta.
Uzorci se naizmenično stežu u okvir i stavljaju u poseban držač uzorka MIR-1 magnetron-jonske jedinice za raspršivanje sa uklonjivom platinastom metom. Kamera je zatvorena. Mehanička pumpa se uključuje i vazduh se evakuiše iz komore do pritiska od ~10 -2 Torr. Komore blokiraju evakuaciju zraka i otvaraju evakuaciju difuzijske pumpe i uključuju njeno grijanje. Nakon otprilike 30 minuta, difuzijska pumpa ulazi u radni način. Komora se evakuiše kroz difuzionu pumpu. Nakon postizanja pritiska od 6×10 -5 Torr otvorite ulaz argona u komoru. Curenje postavlja pritisak argona 3×10 -3 Torr. Glatkim povećanjem napona na katodi, pražnjenje se pali, snaga pražnjenja se postavlja na 100 W i primjenjuje se prednapon. Otvorite zatvarač između mete i držača i počnite računati vrijeme obrade. Tokom obrade kontroliše se pritisak u komori i struja pražnjenja. Nakon 10 minuta tretmana, pražnjenje se isključuje, rotacija se isključuje, a dovod argona se prekida. Nakon 30 minuta, ispumpavanje iz komore je blokirano. Zagrijavanje difuzijske pumpe se isključuje, a nakon što se ohladi, isključuje se mehanička pumpa. Komora se otvara u atmosferu i uklanja se okvir sa uzorkom. Debljina nanesenog premaza bila je 40 nm.
Dobijeni obloženi materijali mogu se koristiti u elektrohemijskim ćelijama, prvenstveno u elektrolizerima sa čvrstim polimernim elektrolitom, kao katodni i anodni materijali (strujni kolektori, bipolarne ploče). Najviše problema (intenzivna oksidacija) izazivaju anodni materijali, stoga su ispitivanja vijeka trajanja rađena kada su korišteni kao anode (tj. na pozitivnom potencijalu).
Na dobijeni uzorak titanijumske folije metodom tačkasto zavarivanje strujni vod je zavaren i postavljen kao ispitna elektroda u ćeliju sa tri elektrode. Kao kontra elektroda koristi se Pt folija površine 10 cm 2, a kao referentna elektroda standardna srebrohloridna elektroda spojena na ćeliju preko kapilare. Korišteni elektrolit je otopina 1M H 2 SO 4 u vodi. Mjerenja se vrše pomoću uređaja AZRIVK 10-0,05A-6 V (proizvođača LLC "Buster", Sankt Peterburg) u galvanostatskom režimu, tj. na ispitivanu elektrodu se primjenjuje pozitivan jednosmjerni potencijal koji je neophodan za postizanje vrijednosti struje od 50 mA. Test se sastoji od mjerenja promjene potencijala potrebne za postizanje date struje tokom vremena. Ako potencijal prelazi vrijednost od 3,2 V, smatra se da je resurs elektrode iscrpljen. Dobijeni uzorak ima resurs od 2 sata i 15 minuta.
Primeri 2-16 implementacije pronalaska za koji se traži.
Uzorci titanijumske folije marke VT1-0 površine 1 cm 2, debljine 0,1 mm i poroznog titanijuma marke TPP-7 površine 7 cm 2 kuvani su u izopropil alkoholu 15 minuta. Zatim se alkohol ocijedi i uzorci se kuhaju 2 puta po 15 minuta u dejoniziranoj vodi uz promjenu vode između ključanja. Uzorci se zagrijavaju u otopini 15% hlorovodonične kiseline na 70°C i drže na ovoj temperaturi 20 minuta. Kiselina se zatim ocijedi i uzorci se kuhaju 3 puta po 20 minuta u dejoniziranoj vodi uz promjenu vode između ključanja.
Uzorci se naizmjenično stavljaju u jedinicu za raspršivanje magnetron jona MIR-1 sa platinskom metom i nanosi se platinasti premaz. Struja magnetrona je 0,1 A, napon magnetrona je 420 V, gas je argon sa rezidualnim pritiskom od 0,86 Pa. Za 15 minuta taloženja dobija se premaz debljine 60 nm. Dobijeni premaz se izlaže strujanju jona argona metodom plazma impulsne implantacije jona.
Implantacija se vrši u struji jona argona sa maksimalnom energijom jona od 10 keV, prosečnom energijom od 5 keV. Doza tokom izlaganja bila je 2*10 14 jona/cm 2 . Presjek premaza nakon implantacije prikazan je na Sl. 3.
Dobijeni uzorak se testira u ćeliji sa tri elektrode, proces je sličan onom prikazanom u primjeru 1. Rezultirajući uzorak ima resurs od 4 sata. Poređenja radi, podatak o resursu titanijumske folije sa početnim raspršenim platinastim filmom (60 nm) bez implantacije argona je 1 sat.
Primjeri 3-7.
Proces je sličan onom u primjeru 2, ali se doza implantacije, energija jona i debljina prevlake razlikuju. Implantacijska doza, energija jona, debljina prevlake, kao i vijek trajanja dobijenih uzoraka prikazani su u tabeli 1.
Proces je sličan onom prikazanom u primjeru 2 i razlikuje se po tome što se uzorci debljine nanesenog sloja do 15 nm obrađuju u struji kriptona s maksimalnom energijom jona od 10 keV i dozom od 6*10 14 jona/cm 2 . Dobijeni uzorak ima resurs od 1 sat i 20 minuta. Prema elektronska mikroskopija, debljina sloja platine je smanjena na vrijednost od 0-4 nm, ali je formiran sloj titanijuma sa atomima platine ugrađenim u njega.
Proces je sličan onom prikazanom u primjeru 2 i razlikuje se po tome što se uzorci sa debljinom nanesenog sloja od 10 nm obrađuju u struji jona argona s maksimalnom energijom jona od 10 keV i dozom od 6*10 14 iona/cm 2 . Nakon nanošenja drugog sloja debljine 10 nm, vrši se obrada u struji jona argona sa energijom od 5 keV i dozom od 2*10 14 ion/cm 2, a zatim se taloženje ponavlja 4 puta. sa debljinom novog sloja od 15 nm, a svaki naredni sloj se obrađuje u struji jona argona sa energijom jona od 3 keV i dozom od 8*10 13 jona/cm 2 . Dobijeni uzorak ima resurs od 8 sati i 55 minuta.
Primjer 10
Proces je sličan onom prikazanom u primjeru 2 i razlikuje se po tome što se uzorci sa debljinom nanesenog sloja od 10 nm tretiraju u protoku jona kisika s maksimalnom energijom jona od 10 keV i dozom od 2*10 14 iona/cm 2 . Nakon nanošenja drugog sloja debljine 10 nm, tretman se vrši u struji jona argona sa energijom od 5 keV i dozom od 1*10 14 ion/cm 2, a zatim se taloženje ponavlja 4 puta novom debljine sloja od 15 nm, s tim da se svaki naredni sloj tretira u struji jona argona sa energijom jona od 5 keV i dozom od 8 * 10 13 jona/cm 2 (da nema prskanja!). Dobijeni uzorak ima resurs od 9 sati i 10 minuta.
Primjer 11.
Postupak je sličan onom prikazanom u primjeru 2 i razlikuje se po tome što se uzorci stavljaju u jedinicu za raspršivanje magnetron jona MIR-1 sa iridijumskom metom i nanosi se iridijumski premaz. Struja magnetrona je 0,1 A, napon magnetrona je 440 V, gas je argon sa rezidualnim pritiskom od 0,71 Pa. Brzina taloženja osigurava formiranje premaza debljine 60 nm za 18 minuta. Dobijeni premaz se izlaže strujanju jona argona metodom plazma impulsne implantacije jona.
Uzorci sa debljinom prvog deponovanog sloja od 10 nm obrađuju se u struji jona argona sa maksimalnom energijom jona od 10 keV i dozom od 2*10 14 jona/cm 2 . Nakon nanošenja drugog sloja debljine 10 nm, tretman se vrši u struji jona argona sa energijom 5-10 keV i dozom 2*10 14 ion/cm 2, a zatim se taloženje ponavlja. 4 puta sa debljinom novog sloja od 15 nm, svaki naredni sloj se tretira u struji jona argona sa energijom jona od 3 keV i dozom od 8*10 13 jona/cm 2 . Dobijeni uzorak ima resurs od 8 sati i 35 minuta.
Primjer 12.
Postupak je sličan onom prikazanom u primjeru 2 i razlikuje se po tome što se uzorci stavljaju u instalaciju za raspršivanje magnetron-iona MIR-1 sa metom napravljenom od legure platine sa iridijumom (legura Pli-30 prema GOST 13498-79 ), nanosi se premaz koji se sastoji od platine i iridija. Struja magnetrona je 0,1 A, napon magnetrona je 440 V, gas je argon sa rezidualnim pritiskom od 0,69 Pa. Brzina taloženja osigurava formiranje premaza debljine 60 nm za 18 minuta. Dobijeni premaz se izlaže strujanju jona argona metodom plazma impulsne implantacije jona.
Uzorci sa debljinom deponovanog sloja od 10 nm tretiraju se u struji jona argona sa maksimalnom energijom jona od 10 keV i dozom od 2*10 14 ion/cm 2 , a zatim se taloženje ponavlja 5 puta sa novom debljinom sloja. od 10 nm. Nakon nanošenja drugog sloja tretman se vrši u struji jona argona energije 5-10 keV i doze 2*10 14 jona/cm 2, a svaki naredni sloj se tretira u struji jona argona sa energija jona od 3 keV i doza od 8*10 13 jona/cm 2. Dobijeni uzorak ima resurs od 8 sati i 45 minuta.
Primjer 13
Proces je sličan onom prikazanom u primjeru 2 i razlikuje se po tome što se uzorci stavljaju u jedinicu za raspršivanje magnetron jona MIR-1 sa paladijumskom metom i nanosi se paladijumski premaz. Struja magnetrona je 0,1 A, napon magnetrona je 420 V, gas je argon sa rezidualnim pritiskom od 0,92 Pa. Za 17 minuta taloženja dobija se premaz debljine 60 nm. Uzorci sa debljinom deponovanog prvog sloja od 10 nm obrađuju se u struji jona argona sa maksimalnom energijom jona od 10 keV i dozom od 2*10 14 jona/cm 2 . Nakon nanošenja drugog sloja debljine 10 nm, tretman se vrši u struji jona argona sa energijom 5-10 keV i dozom 2*10 14 ion/cm 2, a zatim se taloženje ponavlja. 4 puta sa debljinom novog sloja od 15 nm, svaki naredni sloj se tretira u struji jona argona sa energijom jona od 3 keV i dozom od 8*10 13 jona/cm 2 . Dobijeni uzorak ima resurs od 3 sata i 20 minuta.
Primjer 14
Postupak je sličan onom u primjeru 2 i razlikuje se po tome što se uzorci stavljaju u MIR-1 instalaciju za magnetron-ionsko raspršivanje sa metom koja se sastoji od platine, uključujući 30% ugljika, a nanosi se premaz koji se sastoji od platine i ugljika. Struja magnetrona je 0,1 A, napon magnetrona je 420 V, gas je argon sa rezidualnim pritiskom od 0,92 Pa. Za 20 minuta taloženja dobija se premaz debljine 80 nm. Uzorci sa debljinom deponovanog sloja od 60 nm tretiraju se u struji jona argona sa maksimalnom energijom jona od 10 keV i dozom od 2*10 14 ion/cm 2, a zatim se raspršivanje ponavlja 5 puta sa novom debljinom sloja od 10 nm. Nakon nanošenja drugog sloja tretman se vrši u struji jona argona energije 5-10 keV i doze 2*10 14 jona/cm 2, a svaki naredni sloj se tretira u struji jona argona sa energija jona od 3 keV i doza od 8*10 13 jona/cm 2. Dobijeni uzorak ima resurs od 4 sata i 30 minuta.
Primjer 15
Proces je sličan onom datom u primjeru 9 i razlikuje se po tome što je deponirano 13 slojeva, debljina prvog i drugog je 30 nm svaki, sljedećih 50 nm svaki, energija jona se sukcesivno smanjuje sa 15 na 3 keV , implantaciona doza je od 5 10 14 do 8 10 13 jona/cm2. Dobijeni uzorak ima resurs od 8 sati i 50 minuta.
Primjer 16
Proces je sličan onom prikazanom u primjeru 9 i razlikuje se po tome što je debljina prvog sloja 30 nm, sljedećih šest slojeva po 50 nm, doza implantacije je od 2·10 14 do 8·10 13 ion/cm 2 . Dobijeni uzorak ima resurs od 9 sati 05 minuta.
Dakle, tražena metoda zaštite bipolarnih FC ploča i strujnih kolektora TPE elektrolizera od oksidacije omogućava da se dobije stabilan premaz sa vijekom trajanja 4 puta dužim od onog dobivenog prema prototipu i zadržavanjem provodljivih svojstava.
1. Metoda zaštite bipolarnih ploča gorivnih ćelija i strujnih kolektora elektrolizera sa čvrstim polimernim elektrolitom (SPE) od oksidacije, koja se sastoji u prethodnoj obradi metalne podloge, nanošenju elektroprovodljivog premaza od plemenitih metala na obrađeni metal supstrat magnetron ionskim raspršivanjem, karakteriziran time što se na tretiranu podlogu nanosi elektroprovodljivi premaz sloj po sloj sa fiksiranjem svakog sloja impulsnom implantacijom kisikovih jona ili inertnog plina.
2. Metoda zaštite prema zahtjevu 1, naznačena time što se platina, ili paladijum, ili iridijum, ili njihova mješavina, koriste kao plemeniti metali.
3. Metoda zaštite prema zahtjevu 1, naznačena time, što se impulsna ionska implantacija izvodi uz postepeno smanjenje energije i doze jona.
4. Metoda zaštite prema zahtjevu 1, naznačena time što je ukupna debljina premaza od 1 do 500 nm.
5. Metoda zaštite prema zahtjevu 1, naznačena time što sukcesivno naneseni slojevi imaju debljinu od 1 do 50 nm.
6. Metoda zaštite prema zahtjevu 1, naznačena time što se kao inertni plin koristi argon, ili neon, ili ksenon, ili kripton.
7. Metoda zaštite prema zahtjevu 1, naznačena time što je energija implantiranih jona od 2 do 15 keV.
8. Metoda zaštite prema zahtjevu 1, naznačena time što je doza implantiranih jona do 10 15 jona/cm 2 .
Slični patenti:
Pronalazak se odnosi na oblast elektrotehnike, i to na bateriju cevastih čvrstih oksidnih gorivnih ćelija (SOFC), koja sadrži najmanje dva čvora cevastih čvrstih oksidnih gorivnih ćelija, najmanje jedan zajednički strujni kolektor i držač za držanje sekcije. sklopova gorivih ćelija i zajedničkog strujnog kolektora u povezivanju sa njima sa tačnim pristajanjem, dok je koeficijent toplinskog širenja držača manji ili jednak koeficijentu toplinskog širenja sklopova gorivih ćelija.
Pronalazak se odnosi na polimerne membrane za niske ili visoke temperature polimernih gorivnih ćelija. Polimerna membrana koja provodi proton na bazi polielektrolitnog kompleksa koji se sastoji od: a) polimera koji sadrži dušik kao što je poli-(4-vinilpiridin) i njegovih derivata dobivenih alkilacijom, poli-(2-vinilpiridina) i njegovih derivata dobivenih alkilacijom , polietilenimin, poli(2-dimetilamino)etilmetakrilat)metil hlorid, poli(2-dimetilamino)etilmetakrilat)metil bromid, poli(dialildimetilamonijum) hlorid, poli(dialildimetilamonijum) bromid, b) Nafion ili neki drugi nafion odabran iz grupe , uključujući Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta i jonoizmenjivačke smole koje sadrže karboksilne i sulfonske grupe; c) tečnu smjesu koja se sastoji od rastvarača odabranog iz grupe koju čine metanol, etil alkohol, n-propil alkohol, izopropil alkohol, n-butil alkohol, izobutil alkohol, terc-butil alkohol, formamidi, acetamidi, dimetil sulfoksid, N-metilpirolidon , kao i destilovana voda i njihove mješavine; kod kojih je molarni omjer polimera koji sadrži dušik prema Nafionu ili polimeru sličnom Nafionu u rasponu od 10-0,001.
Pronalazak se odnosi na oblast elektrotehnike, odnosno na dobijanje oksidnog filma elektrolita debljine uporedive sa veličinom pora materijala elektrode, na jednostavniji i tehnološki napredniji, a takođe i ekonomičniji način od jonske plazme.
Pronalazak obezbeđuje medij za difuziju gasa gorivih ćelija koji ima nisku propusnost vazduha u ravni i dobru drenažu i sposoban je za visoke performanse gorivih ćelija u širokom temperaturnom opsegu od niskih do visokih temperatura.
Pronalazak se odnosi na oblast elektrotehnike, odnosno na metodu za izradu katalitičke elektrode membransko-elektrodne jedinice, uglavnom za gorive ćelije vodonika i metanola.
Pronalazak se odnosi na oblast elektrotehnike i može se koristiti u gorivnim ćelijama. Bipolarna ploča gorivne ćelije uključuje ploču, prostor za protok fluida formiran na obje strane ploče, rešetku za vođenje fluida instaliranu u prostor za protok fluida. Ploča je formirana sa ulaznim kanalom koji je povezan sa prostorom za protok fluida i izlaznim kanalom koji je povezan sa prostorom za protok fluida. Bipolarna ploča se izrađuje pomoću određenog kalupa i odgovarajućom obradom. Rezultat je ujednačenija distribucija protoka i smanjenje otpora na strujanje goriva i zraka na elektrodu goriva i zračnu elektrodu gorivne ćelije, respektivno. Osim toga, područje reakcije sa sklopom membranske elektrode i zonom difuzije može se povećati, a izrada se može pojednostaviti i olakšati, 6N. i 14 z.p. f-ly, 16 ill.
Tehnička oblast
Izum se odnosi na gorivnu ćeliju, a posebno na ploču bipolarne gorivne ćelije i metodu za proizvodnju takve ploče koja može dati ravnomjernu distribuciju protoka, smanjujući otpor tokovima goriva i zraka koji ulaze u elektrodu za gorivo i zračnu elektrodu. gorivne ćelije, odnosno pojednostavljenje njene proizvodnje.
Stanje tehnike
Goriva ćelija generiše općenito ekološki prihvatljivu energiju i dizajnirana je da zamijeni tradicionalnu energiju fosilnih goriva. Kao što je prikazano na Slici 1, gorivna ćelija uključuje snop 100 koji se kombinuje sa najmanje jednom ćelijom 101 u kojoj se odvija elektrohemijska reakcija; vod za dovod goriva 200 povezan sa dimnjakom 100 tako da snabdeva gorivo; kanal za dovodni vazduh 300 povezan sa dimnjakom 100 tako da dovodi vazduh; i izduvni kanali 400, 500 za ispuštanje nusproizvoda tekuće reakcije goriva i vazduha, respektivno. Jedinična ćelija 101 uključuje elektrodu za gorivo (anodu) (nije prikazana) na koju se dovodi gorivo; i zračnu elektrodu (katodu) (nije prikazano) na koju se dovodi zrak.
Prvo, gorivo i vazduh se dovode do elektrode za gorivo i vazdušne elektrode dimnjaka 100 preko dovodnog voda 200 i cevi za dovod vazduha 300, respektivno. Gorivo dovedeno u elektrodu za gorivo jonizuje se u pozitivne ione i elektrone (e-) kroz elektrohemijsku reakciju oksidacije na elektrodi goriva, jonizovani pozitivni ioni se kreću kroz elektrolit do zračne elektrode, a elektroni se kreću do elektrode goriva. Pozitivni ioni koji se prenose na zračnu elektrodu ulaze u reakciju elektrohemijske redukcije sa zrakom dovedenim u zračnu elektrodu i stvaraju nusproizvode kao što su toplina reakcije i voda, itd. U ovom procesu, kretanje elektrona stvara električnu energiju. Gorivo nakon reakcije na elektrodi za gorivo, kao i voda i dodatni nusproizvodi nastali na zračnoj elektrodi, ispuštaju se kroz izduvne cijevi 400, 500, respektivno.
Gorivne ćelije se mogu podijeliti u različite tipove prema elektrolitu i gorivu koji se u njima koristi, itd.
U međuvremenu, kao što je prikazano na Slici 2, pojedinačni element 101 koji čini snop 100 uključuje dve bipolarne ploče 10 koje imaju otvoreni prolaz 11 kroz koji struji vazduh ili gorivo; i sklop membrana-elektroda (MEA, od engleskog "membranska elektroda sklop" ili MEA) 20, postavljen između ove dvije bipolarne ploče 10 tako da ima određenu debljinu i površinu. Dvije bipolarne ploče 10 i MEU 20 koje su postavljene između njih se međusobno spajaju pomoću dodatnih sredstava 30, 31 povezivanja. Kanal formiran od kanala 11 bipolarne ploče 10 i bočne strane MED-a 20 čini elektrodu za gorivo, a kada gorivo teče kroz ovaj kanal elektrode za gorivo, dolazi do reakcije oksidacije. Osim toga, kanal formiran od kanala 11 druge bipolarne ploče 10 i druge strane MED-a 20 čini zračnu elektrodu, a kada zrak struji kroz ovaj kanal zračne elektrode, dolazi do reakcije redukcije.
Oblik bipolarne ploče 10, posebno oblik kanala 11, utječe na kontaktni otpor koji obezbjeđuje strujanje goriva i zraka i raspodjelu tokova i slično, a kontaktni otpor i raspodjela strujanja utječu na snagu izlaz (energetska efikasnost). Osim toga, bipolarne ploče 10 imaju određeni oblik pogodan za olakšavanje procesa i masovnu proizvodnju.
Kao što je prikazano na slici 3, prolazni otvori 13, 14, 15, 16, respektivno, formirani su u konvencionalnoj bipolarnoj ploči na svakoj ivici ploče 12 određene debljine i pravougaonog oblika.
Osim toga, na strani ploče 12 je formirano više kanala 11 kako bi se povezao prolazni otvor 13 sa dijagonalno smještenim prolaznim otvorom 16. Ovi kanali 11 su u obliku cik-cak. Kao što je prikazano na slici 4, u poprečnom presjeku kanala 11, ovaj kanal 11 ima određenu širinu i debljinu i jednu otvorenu stranu. Na drugoj strani ploče 12 formirano je više kanala 11 tako da povezuju dva dijagonalno raspoređena kroz rupe 14, 16, pri čemu ovi kanali 11 imaju isti oblik kao i kanali formirani na suprotnoj strani.
U nastavku je opisan rad tradicionalne bipolarne ploče. Prvo, gorivo i vazduh struji u prolazne otvore 13, 14, respektivno, a gorivo i vazduh koji prolaze kroz prolazne otvore 13, 14 teku u kanale 11. Gorivo ili vazduh u kanalima 11 teče cik-cak uzorkom duž kanale 11 i ispušta se napolje kroz prolazne rupe 15, 16. U ovom procesu, u MED 20 (prikazan na Sl. 2) u kojem teče gorivo, dolazi do reakcije oksidacije, a istovremeno dolazi do reakcije redukcije u MED-u. u kojoj struji vazduh.
Međutim, u slučaju konvencionalne bipolarne ploče, budući da su kanali 11 formirani na cik-cak način, protok se može ravnomjerno rasporediti samo u određenoj mjeri. Štaviše, budući da su kanali kroz koje struji gorivo i vazduh složeni i dugi, otpor strujanju se povećava i samim tim povećava se gubitak pritiska za stvaranje protoka goriva i vazduha. Osim toga, budući da je proces proizvodnje složen i glomazan, troškovi proizvodnje su visoki.
Tehnička suština ovog pronalaska
Kako bi se riješili problemi koji su gore opisani, cilj ovog izuma je osigurati bipolarnu ploču gorivne ćelije i metodu za proizvodnju takve ploče sposobne za ujednačenu distribuciju protoka, smanjujući otpor protoku goriva i zraka koji teče u gorivo. elektroda i vazdušna elektroda gorivne ćelije, respektivno, i pojednostavljuju njenu proizvodnju.
Da bi se postigli gore navedeni ciljevi, ploča bipolarne gorivne ćelije uključuje ploču određene debljine i površine; prostor za protok fluida formiran sa obe strane ove ploče tako da ima određenu širinu, dužinu i dubinu; rešetka za vođenje fluida postavljena u prostor za protok fluida tako da ima određeni oblik; ulazni otvor formiran na ploči za spajanje na prostor za protok fluida i primanje tečnosti; i izlazni otvor formiran na ploči tako da se poveže sa prostorom za protok fluida i ispušta fluid.
Osim toga, metoda za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije uključuje izradu kalupa za obradu ploče, na kojem se s obje strane formira prostor za protok fluida određene površine i dubine, a unutrašnji kanal se formira pomoću potpore. rešetka koja strši u obliku mreže iz prostora za protok fluida; formiranje ploče ovim kalupom; obrada ploče sa implementacijom ulaza tako da se omogući dotok fluida u prostor za protok fluida koji ima potpornu rešetku; i obradu ploče kako bi se formirao izlaz tako da se omogući protok da teče iz prostora za protok fluida.
Osim toga, ploča bipolarne gorivne ćelije uključuje ploču određene debljine i površine; područje kanala s rešetkastim izbočinama pored višestrukih rešetkastih žljebova formiranih duž određene površine s obje strane ploče; ulazni kanal koji je formiran na strani ploče tako da se poveže sa rešetkastim prorezima u području kanala i prima fluid; i izlazni kanal formiran na strani ploče tako da ispušta fluid koji prolazi kroz rešetkaste proreze u području kanala.
Osim toga, metoda za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije uključuje proizvodnju ploče određene debljine i površine; performanse mašinska obrada za formiranje rešetkastih proreza pored rešetkastih izbočina formiranih na obje strane ploče; i obradu ploče kako bi se formirali ulaz i izlaz tako da su spojeni na utore rešetke.
Osim toga, ploča bipolarne gorivne ćelije uključuje ploču određene debljine i površine, u kojoj se na obje strane u sredini, višestruki kanali sastavljeni od višestrukih uspona i spuštanja formiraju pritiskom da imaju određenu širinu i dužinu; i zaptivni element koji je pričvršćen na konturu obe strane ploče tako da formira unutrašnje kanale, zajedno sa kanalima ploče, ulazni kanal i izlazni kanal kroz koji fluid teče u i iz ovih kanala.
Osim toga, metoda za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije uključuje rezanje ploče tako da ima određenu veličinu; pritiskanje obje strane rezane ploče tako da se formira više kanala kroz koje teče tekućina; i kombinovanje zaptivnog elementa sa konturom presovane ploče.
Kratak opis crteža
Prateći crteži, koji su uključeni radi boljeg razumevanja pronalaska, čine deo i čine deo ove specifikacije, ilustruju ostvarenja pronalaska i, zajedno sa opisom, služe da objasne principe pronalaska.
Na ovim crtežima:
Slika 1 ilustruje konvencionalni sistem gorivih ćelija;
Slika 2 je eksplodirani pogled u perspektivi koji ilustruje dio konvencionalnog paketa gorivih ćelija;
Slika 3 je tlocrt koji ilustruje bipolarnu ploču konvencionalne gorivne ćelije;
Slika 4 je pogled u presjeku duž linije A-B na slici 3;
Slika 5 je pogled odozgo koji ilustruje prvo ostvarenje ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom pronalasku;
Slika 6 je eksplodirani pogled u perspektivi koji ilustruje deo ploče bipolarne gorivne ćelije u skladu sa prvom realizacijom ovog pronalaska;
Slika 7 je dijagram toka koji ilustruje prvu varijantu metode za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom pronalasku;
Slika 8 je eksplodirani pogled u perspektivi koji ilustruje snop bipolarnih ploča gorivne ćelije prema prvom ostvarenju ovog pronalaska;
Slika 9 je pogled odozgo koji ilustruje radno stanje ploče bipolarne gorivne ćelije prema prvom ostvarenju ovog pronalaska;
10 i 11 su pogledi na gornji i prednji presjek koji ilustruju drugu varijantu ploče bipolarne gorivne ćelije u skladu sa ovim pronalaskom;
12 je dijagram toka koji ilustruje drugu varijantu metode za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom pronalasku;
Slika 13 je pogled odozgo koji ilustruje radno stanje ploče bipolarne gorivne ćelije prema drugom ostvarenju ovog pronalaska;
14 i 15 su pogledi na gornji i prednji presjek koji ilustruju treću varijantu ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom pronalasku; i
Slika 16 je dijagram toka koji ilustruje treću varijantu metode za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom pronalasku.
Prvo će biti opisano prvo ostvarenje ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom izumu.
Slika 5 je pogled na tlocrt koji ilustruje prvu varijantu ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom izumu, a slika 6 je eksplodirani pogled iz perspektive koji ilustruje dio ploče bipolarne gorivne ćelije prema prvom ostvarenju ovog izuma .
Kao što je prikazano na slikama 5 i 6, prva realizacija ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom pronalasku uključuje ploču 40 koja ima određenu debljinu i površinu; prostor za protok fluida 41 formiran sa obe strane ploče 40 tako da ima određenu širinu, dužinu i dubinu; rešetku za smjer fluida 42 postavljenu u prostor za protok fluida 41 tako da ima određeni oblik; ulazni otvor 43 formiran na ploči 40 povezan sa prostorom za protok fluida 41 za uvođenje fluida; i izlazni otvor 44 formiran na ploči 40 spojenoj na prostor za protok fluida 41 za ispuštanje fluida.
Ploča 40 ima pravougaoni oblik i određenu debljinu, sa obe strane pravougaone ploče 40 formiran je prostor za protok fluida 41, koji ima pravougaoni oblik i određenu dubinu. Ploča 40 je izrađena od nerđajućeg čelika. Ploča 40 i prostor za protok fluida 41 mogu imati oblike koji nisu pravougaoni.
Mreža za smjer fluida 42 ima pravokutni oblik manjeg od prostora za protok fluida 41 tako da se može umetnuti u prostor za protok fluida 41 ploče 40, a debljine nije veća od dubine prostora za protok fluida 41 .
Ulazni otvor 43 je formiran kao najmanje jedan prolazni otvor i formiran je na jednoj strani ploče 40. Izlazni otvor 43 je napravljen kao najmanje jedan prolazni otvor i formiran je na suprotnoj strani od ulaznog otvora 43 tako da biti dijagonalno u odnosu na ovaj ulaz 43.
Slika 7 je dijagram toka koji ilustruje prvo ostvarenje metode za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije u skladu sa ovim pronalaskom.
Kao što je prikazano na Slici 7, u prvom ostvarenju metode za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom izumu, formira se kalup za obradu ploče, na kojem se formira prostor za protok fluida određene površine i dubine. sa obe strane, i formirao je mrežu koja strši u prostor protoka tečnog medija. Nakon toga, ploča se obrađuje ovim kalupom. Istovremeno, pravougaoni prostor za protok fluida određene dubine formira se u ploči sa obe strane pravougaone ploče određene dubine, a u prostoru za protok fluida formira se mreža tako da formira kanal. Ova mreža se može oblikovati u različite oblike.
Zatim se ploča obrađuje kako bi se formirao ulaz kako bi se omogućilo da protok tekućine teče u mrežasti prostor za protok tekućine, i obrađen da formira izlaz kako bi se omogućilo da protok teče iz prostora za protok fluida. Ulazni kanal, odnosno izlazni kanal, izvedeni su u obliku najmanje jednog prolaznog otvora ili otvorenog utora.
Prvo se slažu ploče bipolarnih gorivih ćelija. Detaljnije, kao što je prikazano na slici 8, MEA (M) se postavljaju između bipolarnih ploča (BP) i one se kombinuju jedna sa drugom pomoću kombinacije (nije prikazano). U ovom slučaju, prostor za protok fluida 41 formiran na strani bipolarne ploče (BP), mreža pravca fluida 42 formirana u prostoru za protok fluida 41, i strana MED (M) formiraju put (kanal) kroz kojim gorivo teče. Druga strana MED-a (M), prostor za protok fluida 41 formiran na strani druge bipolarne ploče (BP) koja je okrenuta prema prvoj bipolarnoj ploči (BP), i mreža pravca fluida 42 formirana u prostoru za protok fluida 41 su formirani put (kanal) kroz koji struji vazduh.
Sa ovom strukturom, kada se gorivo dovodi na ulaz bipolarne ploče (BP) 43 kao što je prikazano na Slici 9, gorivo u ulazu 43 teče u prostor za protok fluida 41. Dalje, gorivo u prostoru za protok fluida 41 se širi (distribuira) kroz prostor za protok fluida 41 pomoću rešetke za vođenje fluida 42 postavljene u prostor za protok fluida 41, a zatim se gorivo ispušta napolje kroz izlazni otvor 44.
U ovom procesu, rešetka za vođenje fluida 42 u prostoru za protok fluida 41 obavlja ne samo funkciju vođenja ravnomjernim raspoređivanjem goriva u prostoru za protok fluida 41, već i funkciju "difuzije" (funkcija difuzije) pravilnom kontrolom gustine protoka . U ovom slučaju, distribucija i pritisak se mogu podesiti veličinom "ćelija" mreže 42 u pravcu tečnosti. U međuvremenu, zbog formiranja mreže smjera fluida 42 u obliku rešetke, površina kontakta sa MED-om (M) u kontaktu sa bipolarnom pločom (BP) je relativno smanjena, a shodno tome i efektivna kontaktna površina gorivo i MED (M) su povećani.
Pored toga, vazduh struji kroz isti proces kao što je gore opisano.
U slučaju postupka za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije prema prvom ostvarenju ovog izuma, proizvodnjom ploče pomoću kalupa, ona se može lako masovno proizvoditi. Detaljnije, proizvodnjom noseće rešetke i izradom ulaza i izlaza, bipolarna ploča se može jednostavno i lako proizvesti.
10 i 11 su pogledi odozgo i prednji presjek koji ilustruju drugu varijantu ploče bipolarne gorivne ćelije u skladu sa ovim pronalaskom.
Kao što je prikazano na slikama 10 i 11, ploča bipolarne gorivne ćelije prema drugom ostvarenju pronalaska uključuje ploču 50 određene debljine i površine; područje kanala 53 koje ima rešetkaste izbočine 52 pored višestrukih rešetkastih žljebova 51 formiranih duž određene površine s obje strane ploče 50; ulaz 54 formiran na jednoj strani ploče 50 tako da bude povezan sa rešetkastim prorezima 51 područja prolaza fluida 53; i izlazni kanal 55 formiran na ovoj strani ploče 50 tako da ispušta tekućinu koja prolazi kroz rešetkaste proreze 51 područja kanala 53.
Ploča 50 ima pravokutni oblik i određenu debljinu. Područje kanala 53 je formirano na obje strane ploče 50 tako da ima pravokutni oblik. Ploča 50 i područje kanala 53 mogu se oblikovati u različite oblike osim pravokutnog.
Rešetkaste izbočine 52 su oblikovane u obliku pravokutnog konusa, a svaki rešetkasti žljeb 51 je formiran između ovih rešetkastih izbočina 52 u obliku pravokutnog konusa. Rešetkasto izbočenje 52 može biti oblikovano tako da ima oblik trokutastog konusa.
Rešetkaste izbočine 52 su raspoređene na pravilan način (u pravilnim intervalima). U jednoj modifikaciji, rešetkaste izbočine 52 mogu biti postavljene na nepravilan način.
Ulazni otvor 54 i izlazni otvor 55, respektivno, formirani su na jednoj strani ploče 50 sa otvorena forma, sa definisanom širinom i dubinom. Dodatno, ulazni otvor 54 i izlazni otvor 55 mogu biti oblikovani kao najmanje jedan prolazni otvor.
Bipolarna ploča gorivne ćelije prema drugom ostvarenju ovog izuma je napravljena od nerđajućeg čelika.
Slika 12 je dijagram toka koji ilustruje drugu varijantu metode za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije u skladu sa ovim pronalaskom.
Kao što je prikazano na Slici 12, u metodi za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije prema drugom ostvarenju ovog pronalaska, prvi korak je proizvodnja ploče određene debljine i površine. Zatim se izvodi drugi korak u obliku strojne obrade kako bi se formirali prorezi rešetke pored izbočina rešetke na obje strane ploče. Ovaj drugi korak uključuje pod-korake zarezivanja obje strane ploče kako bi se formirale rešetkaste projekcije; i brušenje obje zarezane strane ploče. Rešetkaste izbočine formirane zarezom su u obliku pravokutnog konusa, ali se mogu oblikovati iu drugim oblicima osim pravokutnog konusa. Narezivanje se formira među izbočinama rešetke, pri čemu rešetkasti prorezi formiraju kanale kroz koje teče tekućina. Izvođenjem brušenja moguće je ukloniti neravnine nastale urezivanjem i obraditi oštre krajeve (vrhove) rešetkastih izbočina tako da budu tupi.
Konačno, treći korak je obrada ploče kako bi se formirali ulaz i izlaz tako da su spojeni na utore rešetke.
Bipolarne ploče gorivih ćelija su sastavljene u paket. U ovom slučaju, područje kanala 53 formirano na jednoj strani bipolarne ploče (BP) i strani MEU (M) formira put (kanal) kroz koji teče gorivo. Druga strana MED-a (M) i strana druge bipolarne ploče (BP) okrenuta prema prvoj bipolarnoj ploči (BP) formiraju put (kanal) kroz koji struji zrak.
Kod ovog dizajna, kada se gorivo dovodi u ulazni prolaz 54 bipolarne ploče (BP) kao što je prikazano na SLICI 53 kanali, a zatim se ovo gorivo ispušta napolje kroz izlazni kanal 55.
U ovom procesu, zbog malog i ujednačenog oblika takve mreže formirane od rešetkastih proreza 51 formiranih od izbočina 52 rešetke u području kanala 53, tekućina se ne može samo ravnomjerno raspodijeliti već i disipirati. Istovremeno, zbog rešetkastih izbočina 52 formiranih u području 53 kanala, površina kontakta bipolarne ploče (BP) i MEA (M) je relativno smanjena, a efektivna kontaktna površina gorivo i MEA (M) su povećani.
Pored toga, vazduh struji kroz isti proces kao što je gore opisano.
U slučaju metode za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije prema drugom ostvarenju ovog izuma, obradom pravokutne ploče određene debljine na obje strane da se formira ulaz i izlaz s valjkom, itd., proizvodnja je jednostavna i brza.
14 i 15 su pogledi na gornji i prednji presjek koji ilustruju treću varijantu ploče bipolarne gorivne ćelije u skladu sa ovim pronalaskom.
Kao što je prikazano na slikama 14 i 15, ploča bipolarne gorivne ćelije prema trećoj realizaciji ovog izuma uključuje ploču 60 određene debljine i površine, u kojoj se, na obje strane u sredini, nalazi više kanala 61 sastavljenih od brojnih usponi i spustovi, tako da imaju određenu širinu i dužinu; i zaptivni element 65, odnosno pričvršćen na konturu obe strane ploče 60 tako da formira kanale 62a, 62b, 62c zajedno sa kanalima 61 ploče 60, ulazom 63 i izlazom 64 kroz koje tečnost teče i van.
Ploča 60 je napravljena u obliku pravokutne metalne ploče, a kanali 61 su formirani u određenom unutrašnjem području ove pravokutne metalne ploče. Kada se ploča 60 pritisne, kanali 61 se formiraju sa obe strane ploče 60, a kanali 61 imaju istu dubinu.
Zaptivni element 65 je pravougaonog oblika i određene širine i iste je debljine kao i visina uspona kanala 61 i iste je veličine kao i ploča 60. Visina uspona kanala 61 je otprilike 2,5 mm.
Ulaz 63 kroz koji teče tekućina formiran je na jednoj strani zaptivnog elementa 65, a izlaz 64 je formiran nasuprot ulazu 63.
Unutrašnji kanal formiran od zaptivnog elementa 65 uključuje ulazni pufer kanal 62a za distribuciju fluida kroz kanale 61 ploče 60; izlazni pufer kanal 62b koji omogućava da fluid koji prolazi kroz kanale 61 ploče 60 teče u izlazni kanal 64; i vezni kanal 62c za povezivanje ulaznog pufer kanala 62a i izlaznog pufer kanala 62b.
Slika 16 je dijagram toka koji ilustruje treću varijantu metode za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije prema ovom pronalasku.
Kao što je prikazano na Slici 16, u metodi proizvodnje ploče bipolarne gorivne ćelije prema trećem ostvarenju ovog izuma, prvi korak je dobijanje ploče 60 rezanjem metalne ploče određene debljine i površine prema određene veličine, a drugi korak je presovanje ploče 60 tako da se formira više kanala 61 sa obe strane ploče 60. Metalna ploča 60 ima pravougaoni oblik.
Kanali 61 ploče 60 su napravljeni ravno i imaju određenu dužinu, a visina uspona kanala 61 je ista. Kanal 61 ploče 60 može imati različite oblike poprečnog presjeka, kao što je oblik vala ili pravokutni oblik.
Treći korak je spajanje zaptivnog elementa 65 sa konturom presovane ploče 60. Zaptivni element 65 je oblikovan u pravougaoni odstojnik određene širine i debljine, a ovaj zaptivni element 65 je kombinovan sa konturom ploča 60 tako da okružuje unutrašnji dio ploče 60, i stoga formira kanale 62a, 62b, 62c. Ulaz 63 i izlaz 64 su formirani na zaptivnom elementu 65. Ulaz 63 i izlaz 64 mogu se formirati rezanjem dijela zaptivnog elementa 65.
Kao što je gore opisano u prvom ostvarenju ovog pronalaska, sastavlja se paket gorivih ćelija. Istovremeno, podizanjem pravog kanala 61 formiranog sa strane bipolarne ploče (BP) i strane MEU (M), formira se put (kanal) po kojem teče gorivo. Druga strana MED-a (M) i kosine ravnih kanala 61 formirane na strani druge bipolarne ploče (BP) okrenute prema prvoj bipolarnoj ploči (BP) čine put (kanal) kroz koji struji zrak.
Kod ovog dizajna, kada se gorivo dovodi u ulazni otvor 63 bipolarne ploče (BP), gorivo u ulaznom otvoru 63 teče duž ovog puta, odnosno kroz ulazni otvor za međuspremnik 62a, priključni otvor 62c, priključak 61 i izlaz bafer port 62b. Nakon toga, gorivo se ispušta napolje kroz izlazni otvor 64. Osim toga, vazduh struji kroz isti proces kao što je gore opisano.
Osim toga, u ovom izumu, izradom metalne ploče presovom, proizvodnja je jednostavna i brza. Osim toga, smanjenjem debljine bipolarne ploče može se smanjiti veličina i težina pakovanja.
Industrijska primjenjivost
Kao što je gore opisano, u slučaju ploče bipolarne gorivne ćelije i metode njene proizvodnje u skladu sa ovim izumom, stvaranjem jednolikih tokova goriva i zraka u elektrodu za gorivo i zračnu elektrodu gorivne ćelije, povećavajući efektivnu područje reakcije sa MEA, a povećanjem izlazne snage difuzijske zone (energetski izlaz) može se povećati. Smanjenjem otpora strujanju goriva i zraka može se smanjiti gubitak tlaka koji stvara protok goriva i zraka, tj. pumpna sila. Osim toga, pojednostavljivanjem i olakšavanjem proizvodnje, troškovi proizvodnje mogu se uvelike smanjiti, pa je stoga moguća masovna proizvodnja.
1. Bipolarna ploča gorive ćelije, koja sadrži ploču određene debljine i površine; prostor za protok fluida formiran sa obe strane ploče, pri čemu je prostor za protok fluida konfigurisan da ima određenu širinu, dužinu i dubinu; rešetka za vođenje fluida postavljena u prostor za protok fluida, pri čemu mreža za vođenje fluida ima određeni oblik; ulazni otvor formiran na ploči spojenoj na prostor za protok fluida za uvođenje fluida; i izlazni otvor formiran na ploči povezanoj sa prostorom za protok fluida za ispuštanje tečnosti.
2. Bipolarna ploča prema patentnom zahtjevu 1, naznačena time što je prostor za protok fluida formiran pravougaonog oblika, a mreža za vođenje fluida je pravokutnog oblika koji nije veći od veličine prostora za protok fluida.
3. Bipolarna ploča prema patentnom zahtjevu 1, naznačena time što mreža za vođenje fluida ima debljinu koja nije veća od dubine prostora za protok fluida.
4. Bipolarna ploča prema zahtjevu 1, naznačena time, što su ulazni i izlazni otvor oblikovani kao najmanje jedan prolazni otvor i formirani su na strani ploče.
5. Bipolarna ploča prema zahtjevu 1, naznačena time što su ulaz i izlaz dijagonalni jedan prema drugom.
6. Bipolarna ploča prema zahtjevu 1, naznačena time, da je ploča izrađena od materijala od nehrđajućeg čelika.
7. Metoda za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije, koja se sastoji od izrade kalupa za obradu ploče, na kojem se sa obje strane formira prostor za protok fluida određene površine i dubine, i rešetka fluida koja strši u prostor za protok fluida se formira; pravljenje tanjira pomoću ovog kalupa; obrada ploče da bi se obezbedio ulaz za fluid da teče u mrežasti prostor za protok fluida; i obradu ploče kako bi se obezbijedio izlazni prolaz za tečnost da teče iz prostora za protok fluida.
8. Bipolarna ploča gorive ćelije, koja sadrži ploču određene debljine i površine; područje kanala s rešetkastim izbočinama pored višestrukih rešetkastih žljebova formiranih duž određene površine s obje strane ploče; ulazni otvor formiran na strani ploče spojenoj na rešetkaste proreze za uvođenje tekućine; i izlazni kanal formiran na strani ploče spojenog na utore rešetke za ispuštanje tekućine u proreze rešetke.
9. Bipolarna ploča prema zahtjevu 8, naznačena time što je izbočina rešetke oblikovana u obliku pravokutnog konusa.
10. Bipolarna ploča prema zahtjevu 8, naznačena time što su izbočine rešetke formirane u pravilnim intervalima.
11. Bipolarna ploča prema zahtjevu 8, naznačena time što su ulazni i izlazni otvor formirani na strani ploče u otvorenom obliku određene širine i dubine.
12. Bipolarna ploča prema zahtjevu 8, naznačena time, da je ploča izrađena od materijala od nehrđajućeg čelika.
13. Metoda za proizvodnju ploče bipolarne gorivne ćelije, uključujući proizvodnju ploče određene debljine i površine; izvođenje strojne obrade za formiranje utora rešetke pored izbočina rešetke formiranih na obje strane ploče; i obrada ploče sa ulaznim kanalom i izlaznim kanalom povezanim sa žljebovima rešetke.
14. Metoda prema zahtjevu 13, u kojoj faza obrade uključuje pod-korake: zareze na obje strane ploče za formiranje rešetkastih izbočina; i brušenje obje zarezane strane ploče.
15. Ploča bipolarne gorivne ćelije, koja se sastoji od: ploče određene debljine i površine, u kojoj se sa obje strane u sredini pritiskanjem formiraju brojni kanali koji se sastoje od brojnih uspona i spuštanja tako da imaju određenu širinu i dužina; i zaptivni element koji je pričvršćen na konturu obe strane ploče tako da formira unutrašnje kanale, zajedno sa kanalima ploče, ulazni kanal i izlazni kanal kroz koji fluid struji u i iz kanala.
16. Bipolarna ploča prema patentnom zahtjevu 15, naznačena time što unutrašnji kanali uključuju ulazni pufer kanal za distribuciju fluida kroz kanale ploče; izlazni puferski kanal koji omogućava da tečnost koja prolazi kroz kanale ploče teče u izlazni kanal; i spojni kanal za povezivanje ulaznog i izlaznog pufer kanala.
17. Metoda proizvodnje ploče bipolarne gorivne ćelije, uključujući rezanje ploče tako da ima određenu veličinu; presovanje koje obrađuje obe strane rezane ploče tako da se formira više kanala kroz koje teče fluid; i kombinovanje zaptivnog elementa sa konturom presovane ploče.
18. Metoda prema patentnom zahtjevu 17, naznačena time, što se tokom koraka presovanja obrađuju usponi formirani od strane kanala tako da imaju istu visinu.
Pronalazak se odnosi na oblast elektrotehnike i može se koristiti u gorivnim ćelijama
Za početnike: uzgoj brojlera kod kuće Prokuhana voda za brojlere
Samo ljubavnici će preživeti
Karakteristike oglašavanja namijenjenog djeci
retuširanje starih fotografija u photoshopu retuširanje starih fotografija
Šta je NPO: dekodiranje, definisanje ciljeva, vrste aktivnosti Da li neprofitna organizacija ima pravo