Způsob ochrany proti oxidaci bipolárních desek a proudových kolektorů elektrolyzérů a palivových článků s pevným polymerním elektrolytem. Bipolární deska a způsob výroby stejných kovových bipolárních desek palivových článků

ELEKTROCHEMICKÁ ENERGIE. 2009. V. 9, č. 3. S.161-165

MDT 66,02; 536,7;

METODY POVRCHOVÉ ÚPRAVY TITANOVÝCH BIPOLÁRNÍCH DESEK PALIVOVÝCH ČLÁNKŮ VODÍK-VZDUCH

M. S. Vlaskin, E. I. Shkolnikov, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov* a V. P. Kharitonov*

Institut nových energetických problémů JIHT RAS, Moskva, Rusko *CJSC "Rimos", Moskva, Rusko E-mail: [e-mail chráněný]

Přijato 11. června 2009

Článek je věnován studiu vlivu povrchové úpravy bipolárních desek (BP) na specifické elektrické charakteristiky palivových článků (FC). Studie byly provedeny na destičkách na bázi titanu. Jsou uvažovány dva způsoby zpracování BP: elektrochemické zlacení a implantace uhlíkových iontů. Jsou uvedeny stručné popisy výše uvedených technologií, stejně jako metodika a výsledky experimentů. Je ukázáno, že jak zlacení, tak dopování uhlíkem na povrchu titanových BP zlepšují elektrické vlastnosti FC. Relativní pokles ohmických odporů FC ve srovnání s nepotaženými titanovými deskami byl 1,8 pro elektrochemické zlacení a 1,4 pro iontovou implantaci.

Klíčová slova Klíčová slova: palivové články vodík-vzduch, bipolární desky na bázi titanu, implantace uhlíku, impedanční spektroskopie.

Práce je věnována výzkumu vlivu povrchového zpracování bipolárních desek (BP) na specifické elektrické vlastnosti paliv ce)(s (FC) Výzkumy byly prováděny na deskách na bázi titanu. Dva způsoby zpracování BP jsou uvažováno: elektrochemické zlacení a iontová implantace uhlíku V práci jsou uvedeny krátké popisy výsledných technologií a také technika a výsledky experimentů V práci je ukázáno, že zlacením a iontovou implantací uhlík titanic BP se elektrické vlastnosti FC zlepšují. Relativní snížení ohmického odporu FC ve srovnání s "čistými" titanovými deskami činilo 1,8 pro elektrochemické zlacení a 1,4 pro iontovou implantaci.

Klíčová slova: palivové články vodík-vzduch, bipolární desky na bázi titanu, uhlíková implantace, impedanční spektroskopie.

ÚVOD

V současné době se ve světě používají dva hlavní typy materiálů pro BP: BP z uhlíkových nebo grafitových polymerních kompozitů a kovový BP.

Výzkum v oblasti grafitu BP vedl k výraznému zlepšení jejich fyzikálních a chemických vlastností a specifických vlastností. Zdroje na bázi grafitu jsou odolnější proti korozi než kovové, ale jejich hlavní nevýhodou je stále slabá mechanická pevnost, která brání jejich použití v palivových článcích pro dopravu a přenosných přenosných elektrárnách.

V tomto ohledu mají kovy oproti uhlíkovým materiálům několik nepochybných výhod. Vyznačují se vyšší tepelnou a elektrickou vodivostí, absencí pórů, nepropustností pro plyny a vysokou mechanickou pevností. Kovové PSU jsou také ekonomičtější než grafitové PSU. Všechny výše uvedené výhody kovů jsou však do značné míry znehodnoceny takovými nevýhodami, jako je nízká odolnost proti korozi a vysoká odolnost vůči kontaktu s uhlíkovými difúzními vrstvami (GDL).

Nejslibnějším kovem jako materiálem pro výrobu napájecích zdrojů je titan. Článek představuje některé výhody titanových PSU. Titan má dobré mechanické vlastnosti a kontaminace titanovými ionty není pro katalyzátor membránové elektrody (MEA) nebezpečná. Korozní odolnost titanu je také jedna z nejvyšších mezi kovy, nicméně v agresivním prostředí palivových článků je titan stále potřeba chránit před korozí. Dalším faktorem při hledání povlaků pro titan je jeho vysoká kontaktní odolnost s uhlíkovými HDS.

Naše laboratoř (JIHT RAS Laboratoř hliníkové vodíkové energie) se zabývá vývojem přenosných energetických zdrojů na bázi vodíkovo-vzduchových palivových článků (HHFC). Titan byl vybrán jako materiál BP, a to i kvůli výše uvedenému. Námi provedené práce již dříve potvrdily potřebu hledání povlaků a/nebo metod pro jeho dodatečné zpracování.

Dobře známý způsob, jak chránit povrch titanu, je pokrýt jej zlatem. Tento povlak zvyšuje odolnost proti korozi a snižuje ohmický odpor palivového článku, což vede ke zlepšení jeho elektrických charakteristik. Tato technologie však ano

© 2009

M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. CHARITONOV

nákladné, především kvůli použití drahých kovů.

V tomto příspěvku je kromě elektrochemického zlacení zvažován způsob výroby PB z titanu s jeho následným zpracováním iontovou implantací. Legování povrchu BP uhlíkem vytváří dodatečnou ochranu proti korozi a snižuje kontaktní odpor s uhlíkovým GDS. Tato technologie slibuje snížení nákladů na výrobu PSU při zachování vysokých elektrických charakteristik.

Článek prezentuje výsledky experimentů srovnávajících elektrické charakteristiky napájecího zdroje vyrobeného z „čistého“ titanu (tj. bez povlaků), titanu elektrochemicky potaženého zlatem a titanu legovaného uhlíkem metodou iontové implantace.

1. EXPERIMENTÁLNÍ TECHNIKA

Jako elektrické charakteristiky byly zvoleny křivka proud-napětí a impedance FC, pomocí kterých byly výše uvedené způsoby výroby zdroje z titanu vzájemně porovnány. Experimenty byly prováděny na specializovaném impedancemetru Z-500PX (s funkcemi potenciostatu) výrobce Elins LLC. FC byl zatížen elektronickou zátěží zabudovanou do impedance v potenciostatickém režimu při napětích 800, 700, 600 a 500 mV. Při každém napětí byl FC držen po dobu 2000 s, aby se dosáhlo ustáleného stavu, po kterém následovalo měření impedance. V každém případě po expozici a

když palivový článek dosáhl stacionárního stavu, bylo pořízeno 5 hodografů. Při měření impedance byla amplituda rušivého sinusového napěťového signálu 10 mV, frekvenční rozsah 105–1 Hz. Ze stacionárních hodnot byly vyneseny křivky proud-napětí.

Všechny experimenty byly provedeny na speciálně vyrobených modelových testovacích HVFE (obr. 1). Testovacím prvkem je jediná MEA, vložená mezi dvě desky pro sběr proudu, které jsou analogy koncových desek ve FC bateriích. Celkový rozměr desek sběrače proudu je 28x22 mm, tloušťka každé 3 mm. Pro pohodlí aktuální kolekce mají talíře speciální "ocásky" 4x4 mm. Velikost aktivní plochy 12x18 mm (2,16 cm2). Vodík je přiváděn do MEA přes desku sběrače anodového proudu a šíří se podle daného průtokového pole na aktivní ploše této desky. Vzduch napájí VVTE díky přirozené konvekci. Katodová kolektorová deska má 4 kanály o průměru 2 mm se štěrbinami v oblasti aktivní plochy. Délka kanálu, kterým je vzduch distribuován, je 22 mm. Tříprvkové MEA jsou vyrobeny z Mayop 212 se spotřebou platinového katalyzátoru 0,2 mg/cm2 na anodě a 0,5 mg/cm2 na katodě.

Zkušební VVTE byly sestaveny ze stejných součástí, s výjimkou desek sběrače proudu. Tři páry desek pro sběr proudu byly vyrobeny z titanu VT1-0. První pár byl "čistý" mletý titan

Rýže. 1. Otestujte palivový článek ve skládacím stavu. Detaily zleva doprava: deska sběrače anodového proudu, těsnění, anoda GDS, MEA, katoda HDS, těsnění, deska sběrače katodového proudu; dno - upevňovací šrouby a matice

desky, tedy bez nátěrů a jakéhokoli dodatečného zpracování. Druhý byl potažen zlatem o tloušťce 3 um přes niklovou podvrstvu o tloušťce 2 um standardní elektrochemickou metodou. Třetí pár byl dotován uhlíkem pomocí iontové implantace.

Technologický postup iontové implantace je znám asi 50 let. Je založena na zavedení urychlených iontů látky do cílového materiálu za účelem změny fyzikálních a chemických vlastností jeho povrchu. Iontová implantace titanových BP a koncových destiček byla provedena na specializovaném stánku CJSC "RIMOS". Stojan je injektor schopný vytvářet urychlené iontové svazky různých látek za podmínek vysokého bezolejového vakua. Titanové desky implantované na tomto stojanu mají vysokou odolnost proti korozi a kontinuitu legování. Titanové desky byly podrobeny ošetření iontovým paprskem při iontové energii 20 keV, implantační dávce 1018 cm-2 a teplotě zpracovávaného produktu 300 °C ± 10 °C.

Dávka uhlíkové implantace byla měřena podél hloubky distribučního profilu leštěné titanové desky metodou hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů na zařízení CAMECA 1M84B (Francie). Distribuční křivka koncentrace uhlíku v titanu je znázorněna na Obr. 2. Podle obrázku je hloubka uhlíkové povrchové vrstvy 200^220 nm, což je dostatečné pro získání zásadně nových fyzikálních a chemických vlastností povrchu 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

Hloubka, mikrony

Rýže. 2. Distribuční křivka koncentrace uhlíku v titanu

2. VÝSLEDKY A DISKUSE

Na Obr. Obrázek 3 ukazuje voltampérové ​​křivky a odpovídající křivky hustoty výkonu pro palivové články s různými deskami pro sběr proudu. Absolutní hodnoty proudu a výkonu jsou vztaženy k aktivní ploše MEA, která je 2,16 cm2. Z obrázku jasně vyplývá, že jak legování uhlíkem, tak elektrochemické zlacení vede ke zlepšení specifických vlastností palivových článků. Je třeba poznamenat, že voltampérové ​​charakteristiky současně zobrazují aktivační, ohmické a difúzní ztráty v palivovém článku. Aktivační ztráty jsou spojeny s překonáním energetické bariéry elektrodových reakcí, ohmické ztráty jsou součtem elektrických odporů každé z elektricky vodivých vrstev FC a kontaktních odporů mezi nimi a difúzní ztráty jsou spojeny s nedostatečným přívodem reagencií do MEA reakční oblast. Navzdory skutečnosti, že v různých oblastech proudových hustot zpravidla převládá jeden ze tří typů ztrát uvedených výše, voltampérové ​​křivky a křivky hustoty výkonu nestačí kvantifikace jeden nebo jiný způsob zpracování BP (koncové desky). V našem případě jsou zajímavé ohmické ztráty FC. Aktivační a difúzní ztráty v první aproximaci jsou pro všechny palivové články stejné: aktivační ztráty v důsledku použití stejného MEA se stejnou spotřebou katalyzátoru, difúzní ztráty v důsledku stejné konstrukce desek sběrače zkušebního proudu.

Hodografy impedance získané v průběhu experimentů byly použity k identifikaci ohmických ztrát. Výsledky této části experimentů jsou uvedeny na Obr. 4. Jako příklad obrázky ukazují jeden z pěti hodografů pořízených v každém případě poté, co FC dosáhne stacionárního stavu.

Impedanční spektroskopie umožňuje kvantifikovat elektrické ztráty FC. Papíry poskytují popis tato metoda ve vztahu k VVTE. V souladu s pravidly pro interpretaci hodografů je ohmický odpor skutečnou částí impedance při vysokých frekvencích (/ = 105-104 Hz). Hodnota se volí v průsečíku hodografu s osou úsečky (1m R = 0) v oblasti vysokých frekvencí. Také pomocí hodografů je zjištěna kapacita dvojvrstvy na povrchu elektrody/elektrolytu. Průměr půlkruhu hodografu charakterizuje celkový odpor proti průchodu náboje touto vrstvou. Na Obr. V rozsahu jsou prezentovány 4 impedanční hodografy

M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. CHARITONOV

Rýže. 3. Voltampérové ​​křivky (a) a odpovídající křivky hustoty výkonu (b): - - - titan bez povlaku,

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

Rýže. Obr. 4. TE impedance při konstantní polarizaci, mV: a - 800, b - 700 c - 600, d - 500: - nepotažený titan;

Titan + N1 + Au; o - titan + C

frekvence 105-1 Hz, protože stojí za zmínku poměrně vysoké difúzní ztráty palivových článků (přes 2 Ohm-cm2). Nejedná se však o důsledek povrchové úpravy titanových desek, ale souvisí s konstrukcí desky katodového kolektoru proudu a podmínkami přirozené konvekce při přívodu vzduchu do MEA.

V tabulce jsou uvedeny absolutní hodnoty ohmických odporů v závislosti na polarizaci palivového článku a způsobu zpracování jeho proudových sběrných desek a také jejich systematické chyby. Výsledky naznačují, že pozlacení snižuje celkový ohmický odpor faktorem asi 1,8 ve srovnání s nepotaženým titanem v důsledku snížení kontaktních ztrát. Dopování uhlíkovými ionty poskytuje zisk ∼1,4krát, resp. Hodnota intervalu spolehlivosti ukazuje na vysokou přesnost měření hodnot ohmického odporu.

Ohmický odpor palivového článku (Ohm) s deskami pro sběr proudu vyrobenými z nepotaženého titanu, titanu elektrochemicky potaženého N1, Au a titanu dopovaného C+ ionty v závislosti na polarizaci palivového článku

Vzorové napětí TE, mV

Titan bez povlaku 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

Bylo tedy prokázáno, že jak zlacení, tak legování uhlíkem titanu BP snižují jejich kontaktní odpor s karbonovými HDD. Potažení plátků zlatem se ukazuje z hlediska elektrických charakteristik o něco výhodnější než jejich zpracování iontovou implantací.

Vše výše uvedené naznačuje, že pro zpracování titanu BP lze použít jednu i druhou z uvažovaných technologií.

BIBLIOGRAFIE

1. Middelman E., Kout W, Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de, //J. Zdroje energie. 2003 sv. 118. S. 44-46.

2. Dobrovolsky Yu.A., Ukshe A.E., Levchenko A.V., Archangelsky I.V., Ionov S.G., Avdeev V.V., Aldoshin S.M. // Deník. Ros. chem. o nich. D. I. Mendělejev. 2006. Vol. 1, č. 6. S.83-94.

3. S.-Wang H, Peng J., Lui W.-B., Zhang J.-S. // J. Zdroje energie. 2006. Vol.162. S.486-491.

4. Davies D.P., Adcock P.L., Turpin M., Rowen S.J., J. Appl. Electrochem. 2000. Vol.30. S.101-105.

5. E. I. Shkolnikov, M. S. Vlaskin, A. S. Ilyukhin a A. B. Tarasenko, Elektrokhim. energie. 2007. V.7, č. 4 S. 175-182.

6. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Iljukhin A.S., Zhuk A.Z., Sheindlin A.E. // J. Zdroje energie. 2008. Vol.185. S.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. S. 168-182.

8. Iontová implantace do polovodičů a jiných materiálů: Sat. Umění. M.: Mir, 1980.

9. Pleshivtsev N.V., Bazhin A.I. Fyzika dopadu iontových paprsků na materiály. M.: Vuzovskaya kniga, 1998.

10. Iontová implantace. Moskva: Metalurgie, 1985.

11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027 / 24, H01J003 / 04 / Mashkovtsev BN Způsob výroby iontového paprsku a zařízení pro jeho realizaci.

12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2/00, A61L2/14 / Kharitonov V.P., Chinenov A.A., Simakov A.I., Samkov A.V. Zařízení pro iontové zpracování produktů zdravotnické techniky.

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. Umělá srdeční chlopeň a způsob její výroby.

14. Cooper K.R., Ramani V., Fenton J.M., Kunz H.R. Experimentální metody a analýzy dat pro palivové články s polymerním elektrolytem, ​​Scribner Associates, Inc., Illinois, 2005. 122 s.

15. Národní laboratoř energetických technologií. Fuel Cell Hand Book, šesté vydání, G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, Západní Virginie, 2002. 352 s.

SOFC elektrody vyrobené v Ústavu fyziky pevných látek RAS: zelená - anoda a černá - katoda. Palivové články jsou umístěny na bipolárních deskách pro SOFC baterie

Můj přítel nedávno navštívil Antarktidu. Zábavný výlet! ona řekla cestovní ruch je stejně vyvinut, aby přivedl cestovatele na místo a nechal ho užít si drsnou velkolepost polární oblasti, aniž by umrzl k smrti. A to není tak snadné, jak by se mohlo zdát - i když se vezme v úvahu moderní technologie: elektřina a teplo v Antarktidě mají cenu zlata. Posuďte sami, běžné dieselové generátory znečišťují panenský sníh a vyžadují dodávku velký počet palivo a obnovitelné zdroje energie zatím nejsou příliš účinné. Například na muzejní stanici oblíbené antarktickými turisty veškerou energii vyrábí síla větru a slunce, ale uvnitř muzea je chládek a čtyři správci se sprchují výhradně na lodích, které k nim přivážejí hosty.

Problémy se stálým a nepřerušovaným napájením znají nejen polárníci, ale i všichni výrobci a lidé žijící v odlehlých oblastech.

Lze je řešit novými způsoby skladování a výroby energie, mezi nimiž jako nejslibnější vypadají chemické proudové zdroje. V těchto minireaktorech se energie chemických přeměn přímo, bez přeměny na teplo, přeměňuje na elektřinu. Ztráty a v důsledku toho spotřeba paliva se tak výrazně sníží.

V chemických zdrojích energie mohou probíhat různé reakce a každá má své výhody a nevýhody: některým rychle dojde pára, jiné mohou fungovat pouze za určitých podmínek, například při ultravysokých teplotách, nebo na přesně definované palivo, jako je např. jako čistý vodík. Skupina vědců z Ústavu fyziky pevných látek Ruské akademie věd (ISSP RAS) vedená Sergej Bredikhin vsadil na takzvaný palivový článek s pevným oxidem (SOFC). Vědci jsou přesvědčeni, že správným přístupem bude schopen nahradit neefektivní generátory v Arktidě. Jejich projekt byl podpořen v rámci federálního cílového programu „Výzkum a vývoj na léta 2014-2020“.

Sergey Bredikhin, vedoucí projektu FTP „Vývoj laboratorní škálovatelné technologie pro výrobu planárních SOFC a koncept vytvoření na jejich základě elektráren pro různé účely a struktury, včetně hybridních, s výrobou a testováním malého měřítko experimentální vzorek elektrárny o výkonu 500 - 2000 W"

Bez hluku a prachu, ale s plnou návratností

Dnes se v energetickém průmyslu bojuje o užitečný energetický výstup: vědci bojují o každé procento účinnosti. Hojně se používají generátory pracující na principu vnitřního spalování na uhlovodíková paliva – topný olej, uhlí, zemní plyn (poslední typ paliva je nejekologičtější). Ztráty při jejich používání jsou značné: i při maximální optimalizaci nepřesahuje účinnost takových instalací 45 %. Zároveň při jejich provozu vznikají oxidy dusíku (NOx), které se při interakci s vodou v atmosféře mění na dosti agresivní kyseliny.

Baterie SOFC pod mechanickým zatížením

Palivové články s pevným oxidem (SOFC) tyto „vedlejší účinky“ nemají. Taková zařízení mají účinnost vyšší než 50 % (a to pouze z hlediska výkonu elektřiny a při zohlednění tepelného výkonu může účinnost dosáhnout 85–90 %) a nevypouštějí do atmosféry nebezpečné sloučeniny.

„Toto je velmi důležitá technologie pro Arktidu nebo Sibiř, kde jsou životní prostředí a problémy s dodávkami paliva obzvláště důležité. Protože SOFC spotřebují několikrát méně paliva, vysvětlil Sergey Bredikhin. "Musí pracovat nepřetržitě, takže se dobře hodí pro práci na polární stanici nebo na severním letišti."

Při relativně nízké spotřebě paliva funguje taková instalace i bez údržby až 3-4 roky. „Dieselový generátor, který je nyní nejpoužívanější, vyžaduje výměnu oleje každých tisíc hodin. A SOFC funguje 10–20 tisíc hodin bez údržby,“ zdůraznil Dmitrij Agarkov, junior výzkumník v ISSP.

Od nápadu k baterii

Princip fungování SOFC je poměrně jednoduchý. Jsou to "baterie", ve kterých je složeno několik vrstev palivových článků s pevným oxidem. Každý prvek má anodu a katodu, z anodové strany je k němu přiváděno palivo a z katodové strany je k němu přiváděn vzduch. Je pozoruhodné, že nejvhodnější pro SOFC odlišné typy paliva od čistého vodíku až po kysličník uhelnatý a různé uhlovodíkové sloučeniny. V důsledku reakcí probíhajících na anodě a katodě se spotřebovává kyslík a palivo a mezi elektrodami se vytváří iontový proud. Když je baterie zabudována do elektrického obvodu, začne v tomto obvodu protékat proud.

Počítačová simulace rozložení proudů a teplotních polí v baterii SOFC o velikosti 100×100 mm.

Nepříjemnou vlastností provozu SOFC je nutnost vysokých teplot. Například vzorek odebraný v Ústavu fyziky pevných látek Ruské akademie věd pracuje při 850 °C. Na zahřátí Provozní teplota, generátor potřebuje asi 10 hodin, ale pak bude fungovat několik let.

Články z pevných oxidů vyvíjené v Ústavu fyziky pevných látek RAS vyrobí až dva kilowatty elektřiny v závislosti na velikosti palivové desky a počtu těchto desek v baterii. Malé makety 50wattových baterií již byly sestaveny a otestovány.

Zvláštní pozornost by měla být věnována samotným talířům. Jedna deska se skládá ze sedmi vrstev, z nichž každá má svou vlastní funkci. Dvě vrstvy na katodě a anodě katalyzují reakci a propouštějí elektrony, keramická vrstva mezi nimi izoluje různá média (vzduch a palivo), ale umožňuje průchod nabitých kyslíkových iontů. Samotná membrána přitom musí být dostatečně pevná (keramika této tloušťky se velmi snadno poškodí), sama se tedy skládá ze tří vrstev: středová zajišťuje potřebné fyzikální vlastnosti- vysoká iontová vodivost - a další vrstvy nanesené na obou stranách poskytují mechanickou pevnost. Jeden palivový článek je však velmi tenký – ne více než 200 mikronů.

SOFC vrstvy

Jeden palivový článek ale nestačí – celý systém je nutné umístit do tepelně odolné nádoby, která vydrží provoz několik let při teplotě 850 °C. Mimochodem, v rámci projektu k ochraně kovových konstrukčních prvků používají vědci z Ústavu fyziky pevných látek Ruské akademie věd povlaky vyvinuté v rámci jiného projektu.

„Když jsme s tímto projektem začínali, čelili jsme skutečnosti, že v naší zemi nic nemáme: žádné suroviny, žádná lepidla, žádné tmely,“ řekl Bredikhin. "Museli jsme udělat všechno." Dělali jsme simulace, cvičili na malých palivových článcích ve formě pilulek. Zjistili jsme, jaké by měly být z hlediska složení a konfigurace a jak by měly být umístěny.“

Navíc je třeba vzít v úvahu, že palivový článek pracuje v prostředí s vysokou teplotou. To znamená, že je nutné zajistit těsnost, zkontrolovat, že při cílové teplotě nebudou materiály vzájemně reagovat. Důležitým úkolem bylo „synchronizovat“ roztažnost všech prvků, protože každý materiál má svůj lineární součinitel tepelné roztažnosti a pokud není něco sladěno, mohou se kontakty vzdalovat, tmely a lepidla praskat. Výzkumníci získali patent na výrobu tohoto prvku.

Na cestě k realizaci

To je pravděpodobně důvod, proč skupina Bredikhin v Ústavu fyziky pevných látek vybudovala celý systém postupné přípravy nejprve materiálů, poté desek a nakonec palivových článků a generátorů. Kromě tohoto aplikovaného křídla existuje i směr zabývající se fundamentální vědou.

Ve zdech Ústavu fyziky pevných látek probíhá přísná kontrola kvality každé šarže palivových článků.

Hlavním partnerem tohoto projektu je Krylovské státní výzkumné centrum, které působí jako hlavní vývojář elektrárny, včetně vypracování potřebné projektové dokumentace a výroby hardwaru na jejím poloprovozu. Část práce vykonávají jiné organizace. Například keramickou membránu, která odděluje katodu a anodu, vyrábí novosibirská společnost NEVZ-Ceramics.

Mimochodem, účast loďařského centra na projektu není náhodná. Další slibnou oblastí aplikace SOFC se mohou stát ponorky a podvodní drony. I pro ně je nesmírně důležité, jak dlouho mohou být zcela offline.

Průmyslový partner projektu, Nadace Energie bez hranic, bude pravděpodobně organizovat výrobu malých sérií dvoukilowattových generátorů na bázi Krylovského vědecké centrum, ale vědci doufají ve výrazné rozšíření výroby. Energie přijatá v generátoru SOFC je podle vývojářů konkurenceschopná i pro domácí použití v odlehlých koutech Ruska. Očekává se, že náklady na kWh pro ně budou asi 25 rublů a při současných nákladech na energii v Jakutsku až 100 rublů za kWh vypadá takový generátor velmi atraktivně. Trh je již připraven, Sergei Bredikhin si je jistý, hlavní věcí je mít čas se ukázat.

Mezitím zahraniční společnosti již zavádějí generátory založené na SOFC. Lídrem v tomto směru je americká Bloom Energy, která vyrábí 100kilowattové instalace pro výkonná počítačová centra firem jako Google, Bank of America nebo Walmart.

Praktický přínos je jasný – obrovská datová centra napájená takovými generátory by měla být nezávislá na výpadcích proudu. Kromě toho se ale velké firmy snaží udržet image progresivních společností, na kterých záleží životní prostředí.

Pouze ve Spojených státech podléhá vývoj takových „zelených“ technologií vysokým státním platbám – až 3000 dolarů za každý kilowatt vyrobené energie, což je stokrát více než financování ruských projektů.

V Rusku je další oblast, kde použití SOFC generátorů vypadá velmi slibně – jde o katodickou ochranu potrubí. V první řadě mluvíme o plynovodech a ropovodech, které se táhnou stovky kilometrů liduprázdnou krajinou Sibiře. Bylo zjištěno, že když se na kovovou trubku přivede napětí, je méně náchylná ke korozi. Nyní stanice katodové ochrany pracují na termogenerátorech, které je třeba neustále monitorovat a jejichž účinnost je pouze 2 %. Jejich jedinou výhodou je nízká cena, ale pokud se podíváte z dlouhodobého hlediska, vezměte v úvahu náklady na palivo (a jsou poháněny obsahem potrubí) a tato jejich „přednost“ vypadá nepřesvědčivě. Pomocí stanic na bázi SOFC generátorů je možné organizovat nejen nepřetržitou dodávku napětí do potrubí, ale také přenos elektřiny pro telemetrické průzkumy... Říká se, že Rusko bez vědy je potrubí. Ukazuje se, že i tato dýmka bez vědy a nových technologií je dýmka.

Majitelé patentu RU 2577860:

Vynález se týká způsobu ochrany proti oxidaci bipolárních desek palivových článků a proudových kolektorů elektrolyzérů pevným polymerním elektrolytem (SPE), který spočívá v předúprava kovový substrát, nanášení elektricky vodivého povlaku z ušlechtilých kovů na upravený kovový substrát magnetronovým iontovým naprašováním. Způsob se vyznačuje tím, že se na ošetřovaný substrát nanáší ve vrstvách elektricky vodivý povlak, přičemž každá vrstva je fixována pulzní implantací kyslíkových iontů nebo inertního plynu. Technickým výsledkem je získání stabilního povlaku se zdrojem práce, 4krát vyšším než u prototypu, a zachováním vodivých vlastností. 7 w.p. f-ly, 3 ill., 1 tab., 16 pr.,

Technický obor

Vynález se týká oblasti chemických zdrojů proudu a zejména způsobů vytváření ochranných povlaků pro kovové sběrače proudu (v případě elektrolyzérů) a bipolární desky (v případě palivových článků - FC) s pevným polymerním elektrolytem ( SPE). Při elektrolýze jsou sběrače proudu, obvykle vyrobené z porézního titanu, neustále vystaveny agresivním médiím kyslíku, ozónu, vodíku, což vede k tvorbě oxidových filmů na sběrači proudu kyslíku (anodě), v důsledku toho se zvyšuje elektrický odpor, elektrická vodivost a výkon klesá.elektrolyzér. Na vodíkovém kolektoru (katodě) proudu dochází v důsledku hydrogenace povrchu porézního titanu k jeho koroznímu praskání. Při práci v tak drsných podmínkách s konstantní vlhkostí potřebují sběrače proudu a bipolární desky spolehlivou ochranu proti korozi.

Hlavními požadavky na antikorozní nátěry jsou nízký elektrický kontaktní odpor, vysoká elektrická vodivost, dobrá mechanická pevnost, rovnoměrné nanášení po celé ploše pro vytvoření elektrického kontaktu, nízké náklady na materiály a výrobní náklady.

Pro instalace s TPE je nejdůležitějším kritériem chemická odolnost povlaku, nemožnost použití kovů, které během provozu mění stupeň oxidace a odpařují se, což vede k otravě membrány a katalyzátoru.

Vzhledem ke všem těmto požadavkům mají Pt, Pd, Ir a jejich slitiny ideální ochranné vlastnosti.

Nejmodernější

V současné době je známo mnoho různé cesty tvorba ochranných povlaků - galvanické a tepelné zotavení, iontová implantace, fyzikální napařování (metody PVD naprašování), chemické napařování (metody CVD naprašování).

Způsob ochrany kovových substrátů je znám ze stavu techniky (patent US 6 887 613 na vynález, zveřejněný 3. května 2005). Vrstva oxidu, která pasivuje povrch, byla z kovového povrchu předběžně odstraněna chemickým leptáním nebo mechanickou úpravou. Na povrch substrátu byl nanesen polymerní povlak smíchaný s vodivými částicemi zlata, platiny, palladia, niklu atd. Polymer se volí podle kompatibility s kovovým substrátem – epoxidové pryskyřice, silikony, polyfenoly, fluorokopolymery atd. Povlak byl aplikován jako tenký film pomocí elektroforetické depozice; štětec; stříkané ve formě prášku. Povlak má dobré antikorozní vlastnosti.

Nevýhodou této metody je vysoký elektrický odpor vrstvy v důsledku přítomnosti polymerní složky.

Z dosavadního stavu techniky je znám způsob ochrany (viz US patent US č. 7632592 na vynález, zveřejněný 15.12.2009), který navrhuje vytvoření antikorozního povlaku na bipolárních deskách pomocí kinetického (studeného) procesu. nástřikového prášku platiny, palladia, rhodia, ruthenia a jejich slitin. Stříkání bylo prováděno pistolí s použitím stlačeného plynu, jako je helium, které je přiváděno do pistole pod vysokým tlakem. Rychlost pohybu částic prášku je 500-1500 m/s. Urychlené částice zůstávají v pevném a relativně chladném stavu. Při procesu nedochází k jejich oxidaci a tavení, průměrná tloušťka vrstvy je 10 nm. Přilnavost částic k substrátu závisí na dostatečném množství energie - při nedostatečné energii je pozorována slabá adheze částic, při velmi vysokých energiích dochází k deformaci částic a substrátu, vznik vysoký stupeň lokální vytápění.

Způsob ochrany kovových substrátů je znám ze stavu techniky (viz US patent č. 7700212 pro vynález, zveřejněný 20. 4. 2010). Povrch substrátu byl předběžně zdrsněn, aby se zlepšila přilnavost k nátěrovému materiálu. Byly naneseny dvě povlakové vrstvy: 1 - nerezová ocel, tloušťka vrstvy od 0,1 μm do 2 μm, 2 - povlaková vrstva ze zlata, platiny, palladia, ruthenia, rhodia a jejich slitin o tloušťce maximálně 10 nm. Vrstvy byly nanášeny žárovým nástřikem, pomocí pistole, z jejíž stříkací trysky byl vystřikován proud roztavených částic, které vytvořily chemickou vazbu s kovovým povrchem, možné je i povlakování metodou PVD (physical vapor deposition). Přítomnost 1 vrstvy snižuje rychlost koroze a snižuje výrobní náklady, její přítomnost však vede i k nevýhodě - pasivní vrstva oxidu chrómu je tvořena z nerezové oceli, což vede k výraznému zvýšení kontaktního odporu anti- korozní nátěr.

Z dosavadního stavu techniky je znám způsob ochrany (viz US patent č. 7803476 pro vynález, zveřejněno 28.09.2010), ve kterém se navrhuje vytvářet ultratenké povlaky z ušlechtilého kovu Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir a jejich slitiny, tloušťka povlaku je od 2 do 10 nm, výhodně i monoatomická vrstva o tloušťce 0,3 až 0,5 nm (tloušťka se rovná průměru atomu povlaku). Dříve byla na bipolární desku nanesena vrstva nekovu s dobrou porézností - uhlí, grafit smíchaný s polymerem nebo kov - hliník, titan, nerezová ocel. Kovové povlaky byly nanášeny elektronovým paprskovým naprašováním, elektrochemickou depozicí a magnetronovým iontovým naprašováním.

Mezi výhody této metody patří: eliminace fáze leptání substrátu k odstranění oxidů, nízký přechodový odpor, minimální náklady.

Nevýhody - v případě nekovové vrstvy se zvyšuje elektrický přechodový odpor v důsledku rozdílů povrchových energií a dalších molekulárních a fyzikálních interakcí; je možné smíchat první a druhou vrstvu, v důsledku toho se na povrchu mohou objevit neušlechtilé kovy podléhající oxidaci.

Způsob ochrany kovového substrátu je znám ze stavu techniky (viz US patent č. 7150918 pro vynález, zveřejněný 19. prosince 2006), zahrnující: zpracování kovového substrátu za účelem odstranění oxidů z jeho povrchu, aplikaci elektricky vodivé koroze -odolný kovový povlak z ušlechtilých kovů, nanášení elektricky vodivého polymerního povlaku odolného proti korozi.

Nevýhodou tohoto způsobu je vysoký elektrický odpor za přítomnosti značného množství pojivového polymeru, v případě nedostatečného množství pojivového polymeru dochází k vyplavování elektricky vodivých částic sazí z polymerního povlaku.

Způsob ochrany bipolárních desek a sběračů proudu před korozí podle dosavadního stavu techniky je prototypem (viz US patent č. 8785080 pro vynález, zveřejněno 22.07.2014), včetně:

Úprava substrátu ve vroucí deionizované vodě nebo tepelná úprava při teplotě nad 400 °C nebo máčení ve vroucí deionizované vodě za vzniku pasivní oxidové vrstvy o tloušťce 0,5 nm až 30 nm,

Depozice elektricky vodivého kovového povlaku (Pt, Ru, Ir) na pasivní oxidovou vrstvu o tloušťce 0,1 nm až 50 nm. Povlak byl aplikován magnetronovým iontovým naprašováním, napařováním elektronovým paprskem nebo iontovou depozicí.

Přítomnost pasivní oxidové vrstvy však zvyšuje korozní odolnost kovového povlaku a vede k nevýhodám - nevodivá oxidová vrstva prudce zhoršuje vodivé vlastnosti povlaků.

Zveřejnění vynálezu

Technickým výsledkem nárokovaného vynálezu je zvýšení odolnosti povlaku proti oxidaci, zvýšení odolnosti proti korozi a životnosti a zachování vodivých vlastností, které jsou vlastní nezoxidovanému kovu.

Technického výsledku je dosaženo tím, že způsob ochrany proti oxidaci bipolárních desek palivových článků a proudových kolektorů elektrolyzérů pevným polymerním elektrolytem (SPE) spočívá v tom, že kovový substrát je předupraven, elektricky vodivý povlak z ušlechtilých kovů se nanáší na upravený kovový substrát magnetronovým iontovým rozprašováním, v tomto případě je elektricky vodivý povlak nanášen ve vrstvách, přičemž každá vrstva je fixována pulzní implantací iontů kyslíku nebo inertního plynu.

Výhodně se jako ušlechtilé kovy používá platina nebo palladium nebo iridium nebo jejich směs. Implantace pulzních iontů se provádí s postupným snižováním energie a dávky iontů. Celková tloušťka povlaku je od 1 do 500 nm. Postupně nanesené vrstvy mají tloušťku od 1 do 50 nm. Použitým inertním plynem je argon nebo neon nebo xenon nebo krypton. Energie implantovaných iontů je od 2 do 15 keV a dávka implantovaných iontů je až 10 15 iontů/cm 2 .

Stručný popis výkresy

Znaky a podstata nárokovaného vynálezu jsou vysvětleny v následujícím podrobném popisu, ilustrovaném pomocí výkresů a tabulky, kde je znázorněno následující.

Na OBR. 1 - rozložení atomů platiny a titanu přemístěných v důsledku implantace argonu (vypočteno programem SRIM).

Na OBR. 2 - řez titanového substrátu s naprašovanou platinou před implantací argonu, kde

1 - titanový substrát;

2 - vrstva platiny;

3 - póry v platinové vrstvě.

Na OBR. 3 - řez titanového substrátu s naprašovanou platinou po implantaci argonu, kde:

1 - titanový substrát;

4 - mezivrstva titan-platina;

5 - platinový povlak.

Tabulka ukazuje charakteristiky všech příkladů realizace nárokovaného vynálezu a prototypu.

Realizace a příklady vynálezu

Metoda magnetron-iontového naprašování je založena na procesu založeném na vzniku prstencového plazmatu nad povrchem katody (terče) v důsledku srážky elektronů s molekulami plynu (obvykle argon). Pozitivní plynové ionty vzniklé ve výboji, když je na substrát aplikován negativní potenciál, jsou urychlovány v elektrickém poli a vyřazují atomy (nebo ionty) materiálu terče, které se ukládají na povrchu substrátu a vytvářejí na jeho povrchu film. povrch.

Výhody metody magnetron-iontového naprašování jsou:

Vysoká rychlost rozprašování nanesené látky při nízkých provozních napětích (400-800 V) a při nízkých tlacích pracovního plynu (5·10 -1 -10 Pa);

Možnost regulace v širokém rozsahu rychlosti rozptylu a depozice stříkané látky;

Nízký stupeň znečištění nanesených povlaků;

Možnost současného naprašování terčů z různých materiálů a v důsledku toho možnost získání povlaků komplexního (vícekomponentního) složení.

Relativní snadnost implementace;

Nízké náklady;

Snadné škálování.

Výsledný povlak se zároveň vyznačuje přítomností pórovitosti, má nízkou pevnost a nedostatečně dobrou přilnavost k podkladovému materiálu v důsledku nízké kinetické energie naprašovaných atomů (iontů), která je přibližně 1–20 eV. Taková hladina energie neumožňuje pronikání atomů naneseného materiálu do připovrchových vrstev substrátového materiálu a vytvoření mezivrstvy s vysokou afinitou k substrátu a nátěrovému materiálu, vysokou korozní odolností a relativně nízkou odolnost i při tvorbě oxidového povrchového filmu.

V rámci nárokovaného vynálezu je úkol zvýšení odporu a zachování vodivých vlastností elektrod a ochranných povlaků konstrukčních materiálů řešen tak, že povlak a substrát jsou vystaveny proudu urychlených iontů, které pohybují povlakem a materiálem substrátu při atomární úrovni, což vede k vzájemnému pronikání substrátu a potahového materiálu, což má za následek rozostření rozhraní mezi povlakem a substrátem s tvorbou fáze meziproduktu.

Typ urychlených iontů a jejich energie se volí v závislosti na materiálu povlaku, jeho tloušťce a materiálu substrátu tak, aby způsobily pohyb atomů povlaku a substrátu a jejich míchání na fázovém rozhraní s minimálním rozprašováním povlaku. materiál. Výběr se provádí pomocí vhodných výpočtů.

Na OBR. Obrázek 1 ukazuje vypočítaná data o posunutí atomů povlaku sestávajícího z platiny o tloušťce 50 A a atomů substrátu sestávajícího z titanu za působení argonových iontů s energií 10 keV. Ionty s nižší energií na úrovni 1-2 keV nedosáhnou fázové hranice a neposkytnou efektivní promíchání atomů pro takový systém na fázové hranici. Při energiích nad 10 keV však dochází k výraznému rozprašování platinového povlaku, což negativně ovlivňuje životnost výrobku.

V případě jednovrstvého povlaku velké tloušťky a vysoké energie potřebné k tomu, aby implantované ionty pronikly k fázové hranici, jsou atomy povlaku rozprášeny a drahé kovy se ztrácejí, substráty a povlaky zvyšují pevnost povlaku. Tak malá (1–10 nm) tloušťka povlaku však neposkytuje dlouhou životnost produktu. Pro zvýšení pevnosti povlaku, jeho životnosti a snížení ztrát při naprašování se provádí pulzní iontová implantace povlakem vrstva po vrstvě (tloušťka každé vrstvy je 1-50 nm) s postupným poklesem iontů energii a dávku. Snížení energie a dávky umožňuje prakticky eliminovat ztráty při naprašování, ale umožňuje zajistit požadovanou adhezi nanesených vrstev k podkladu, na kterém je již nanesen stejný kov (nedochází k separaci fází) zvyšuje jejich rovnoměrnost . To vše také přispívá ke zvýšení zdroje. Je třeba poznamenat, že fólie o tloušťce 1 nm neposkytují významné (požadované pro sběrače proudu) prodloužení životnosti produktu a navržená metoda výrazně zvyšuje jejich cenu. Fólie o tloušťce větší než 500 nm by měly být také považovány za ekonomicky nerentabilní, protože spotřeba kovů platinové skupiny se výrazně zvyšuje a zdroje produktu jako celku (buňky) začínají být omezovány jinými faktory.

Při opakovaném nanášení nátěrových vrstev se doporučuje ošetření ionty s vyšší energií až po nanesení první vrstvy o tloušťce 1–10 nm a při zpracování dalších vrstev o tloušťce 10–50 nm ionty argonu s energií 3–5 keV stačí k jejich zhutnění. Implantace kyslíkových iontů při nanášení prvních vrstev povlaku spolu s řešením výše uvedených problémů umožňuje vytvořit na povrchu korozivzdorný oxidový film dopovaný atomy povlaku.

Příklad 1 (prototyp).

Vzorky titanové fólie značky VT1-0 o ploše 1 cm 2, tloušťky 0,1 mm a porézního titanu značky TPP-7 o ploše 7 cm 2 vložené do sušárny a uchovávány při teplotě 450 °C po dobu 20 minut.

Vzorky jsou střídavě upnuty do rámu a umístěny do speciálního držáku vzorků magnetron-iontové naprašovací jednotky MIR-1 s odnímatelným platinovým terčem. Kamera je zavřená. Zapne se mechanické čerpadlo a vzduch se evakuuje z komory na tlak ~10-2 Torr. Komory blokují evakuaci vzduchu a otevírají evakuaci difuzního čerpadla a zapínají jeho ohřev. Po cca 30 minutách přejde difuzní čerpadlo do provozního režimu. Komora je evakuována přes difuzní čerpadlo. Po dosažení tlaku 6×10 -5 Torr otevřete vstup argonu do komory. Netěsnost nastavte tlak argonu 3×10 -3 Torr. Plynulým zvyšováním napětí na katodě dojde k zapálení výboje, nastavení vybíjecího výkonu na 100 W a přivedení předpětí. Otevřete závěrku mezi terčem a držákem a začněte počítat dobu zpracování. Během zpracování je řízen tlak v komoře a vybíjecí proud. Po 10 minutách působení se výboj vypne, rotace se vypne a přívod argonu se přeruší. Po 30 minutách se čerpání z komory zablokuje. Vypne se ohřev difuzního čerpadla a po vychladnutí se vypne mechanické čerpadlo. Komora se otevře do atmosféry a rám se vzorkem se odstraní. Tloušťka naneseného povlaku byla 40 nm.

Výsledné povlakované materiály lze použít v elektrochemických článcích, především v elektrolyzérech s pevným polymerním elektrolytem, ​​jako katodové a anodové materiály (proudové kolektory, bipolární desky). Nejvíce problémů způsobují anodové materiály (intenzivní oxidace), proto byly provedeny zkoušky životnosti při jejich použití jako anody (tedy při kladném potenciálu).

K získanému vzorku titanové fólie je bodovým svařováním přivařen proudový přívod a umístěn jako zkušební elektroda do tříelektrodového článku. Jako protielektroda je použita Pt fólie o ploše 10 cm 2 a jako referenční elektroda je použita standardní chloridová elektroda připojená k článku přes kapiláru. Použitým elektrolytem je roztok 1M H2SO4 ve vodě. Měření se provádí pomocí zařízení AZRIVK 10-0,05A-6 V (výrobce LLC "Buster", St. Petersburg) v galvanostatickém režimu, tzn. na zkoumanou elektrodu je přiveden kladný stejnosměrný potenciál, který je nutný pro dosažení hodnoty proudu 50 mA. Test spočívá v měření změny potenciálu potřebného k dosažení daného proudu v průběhu času. Pokud potenciál překročí hodnotu 3,2 V, zdroj elektrody se považuje za vyčerpaný. Výsledný vzorek má zdroj 2 hodiny 15 minut.

Příklady 2-16 implementace nárokovaného vynálezu.

Vzorky titanové fólie značky VT1-0 o ploše 1 cm 2, tloušťce 0,1 mm a porézního titanu značky TPP-7 o ploše 7 cm 2 vařené v isopropylalkoholu po dobu 15 minut. Poté se alkohol slije a vzorky se 2x vaří 15 minut v deionizované vodě s výměnou vody mezi varem. Vzorky se zahřejí v roztoku 15% kyseliny chlorovodíkové na 70 °C a při této teplotě se udržují po dobu 20 minut. Kyselina se poté scedí a vzorky se 3x vaří 20 minut v deionizované vodě s výměnou vody mezi vary.

Vzorky se střídavě umísťují do magnetron-iontové naprašovací jednotky MIR-1 s platinovým terčem a nanáší se platinový povlak. Proud magnetronu je 0,1 A, napětí magnetronu je 420 V, plyn je argon se zbytkovým tlakem 0,86 Pa. Po dobu 15 minut depozice se získá povlak o tloušťce 60 nm. Výsledný povlak je vystaven proudu argonových iontů metodou plazmové pulzní iontové implantace.

Implantace se provádí v proudu argonových iontů s maximální energií iontů 10 keV, průměrná energie 5 keV. Dávka během expozice byla 2 x 1014 iontů/cm2. Pohled v řezu na povlak po implantaci je znázorněn na Obr. 3.

Výsledný vzorek je testován v tříelektrodovém článku, proces je podobný jako v příkladu 1. Výsledný vzorek má zásobu 4 hodin. Pro srovnání, údaj o zdroji titanové fólie s výchozím naprašovaným platinovým filmem (60 nm) bez implantace argonu je 1 hodina.

Příklady 3-7.

Proces je podobný jako v příkladu 2, ale mění se implantační dávka, energie iontů a tloušťka povlaku. Implantační dávka, iontová energie, tloušťka povlaku a také životnost získaných vzorků jsou uvedeny v tabulce 1.

Proces je podobný jako v příkladu 2 a liší se tím, že vzorky s tloušťkou nanesené vrstvy až 15 nm jsou zpracovávány v kryptonovém toku s maximální energií iontů 10 keV a dávkou 6*10 14 iontů/cm 2. Výsledný vzorek má zdroj 1 hodina 20 minut. Podle elektronová mikroskopie tloušťka platinové vrstvy byla zmenšena na hodnotu 0–4 nm, ale vznikla titanová vrstva s uloženými atomy platiny.

Proces je podobný jako v příkladu 2 a liší se tím, že vzorky s tloušťkou nanesené vrstvy 10 nm jsou zpracovávány v proudu argonových iontů s maximální energií iontů 10 keV a dávkou 6*1014 iontů/cm2. . Po nanesení druhé vrstvy o tloušťce 10 nm se zpracování provádí v proudu argonových iontů s energií 5 keV a dávkou 2*10 14 iontů/cm 2 a následně se nanášení 4x opakuje s tloušťkou nové vrstvy 15 nm a každá následující vrstva je zpracována v proudu iontů argonu s energií iontů 3 keV a dávkou 8*1013 iontů/cm2. Výsledný vzorek má zdroj 8 hodin 55 minut.

Příklad 10

Proces je podobný jako v příkladu 2 a liší se tím, že vzorky s tloušťkou nanesené vrstvy 10 nm jsou ošetřeny proudem iontů kyslíku s maximální energií iontů 10 keV a dávkou 2*1014 iontů/cm2. . Po nanesení druhé vrstvy o tloušťce 10 nm se ošetření provádí v proudu argonových iontů s energií 5 keV a dávkou 1*10 14 iontů/cm 2 a následně se nanášení 4x opakuje s novým tloušťka vrstvy 15 nm, přičemž každá následující vrstva je ošetřena v proudu argonových iontů s energií iontů 5 keV a dávkou 8 * 10 13 iontů / cm 2 (aby nedocházelo k rozprašování!). Výsledný vzorek má zdroj 9 hodin 10 minut.

Příklad 11.

Proces je podobný jako v příkladu 2 a liší se tím, že vzorky se umístí do magnetron-iontové rozprašovací jednotky MIR-1 s iridiovým terčem a nanese se iridiový povlak. Proud magnetronu je 0,1 A, napětí magnetronu 440 V, plyn je argon se zbytkovým tlakem 0,71 Pa. Depoziční rychlost zajišťuje vytvoření povlaku o tloušťce 60 nm za 18 minut. Výsledný povlak je vystaven proudu argonových iontů metodou plazmové pulzní iontové implantace.

Vzorky s tloušťkou první nanesené vrstvy 10 nm se zpracují v proudu argonových iontů s maximální energií iontů 10 keV a dávkou 2 x 1014 iontů/cm2. Po nanesení druhé vrstvy o tloušťce 10 nm se zpracování provádí v proudu argonových iontů s energií 5-10 keV a dávkou 2 * 10 14 iontů / cm 2 a poté se depozice opakuje 4krát s tloušťkou nové vrstvy 15 nm, každá následující vrstva je zpracována v proudu argonových iontů s energií iontů 3 keV a dávkou 8*1013 iontů/cm2. Výsledný vzorek má zdroj 8 hodin 35 minut.

Příklad 12.

Proces je podobný jako v příkladu 2 a liší se tím, že vzorky jsou umístěny v MIR-1 magnetron-iontovém naprašovacím zařízení s terčem vyrobeným ze slitiny platiny s iridiem (slitina Pli-30 podle GOST 13498-79 ), je aplikován povlak skládající se z platiny a iridia. Proud magnetronu je 0,1 A, napětí magnetronu 440 V, plyn je argon se zbytkovým tlakem 0,69 Pa. Depoziční rychlost zajišťuje vytvoření povlaku o tloušťce 60 nm za 18 minut. Výsledný povlak je vystaven proudu argonových iontů metodou plazmové pulzní iontové implantace.

Vzorky s nanesenou tloušťkou vrstvy 10 nm jsou ošetřeny proudem argonových iontů s maximální energií iontů 10 keV a dávkou 2*10 14 iontů/cm 2 a poté se depozice 5x opakuje s novou tloušťkou vrstvy 10 nm. Po nanesení druhé vrstvy se ošetření provádí v proudu argonových iontů s energií 5-10 keV a dávkou 2*10 14 iontů/cm 2 a každá další vrstva je ošetřena v proudu argonových iontů s energii iontu 3 keV a dávku 8*1013 iontů/cm2. Výsledný vzorek má zdroj 8 hodin 45 minut.

Příklad 13

Proces je podobný jako v příkladu 2 a liší se tím, že vzorky se umístí do magnetron-iontové rozprašovací jednotky MIR-1 s palladiovým terčem a nanese se palladiový povlak. Proud magnetronu je 0,1 A, napětí magnetronu je 420 V, plyn je argon se zbytkovým tlakem 0,92 Pa. Po dobu 17 minut depozice se získá povlak o tloušťce 60 nm. Vzorky s nanesenou první vrstvou o tloušťce 10 nm se zpracují v proudu argonových iontů s maximální energií iontů 10 keV a dávkou 2 x 1014 iontů/cm2. Po nanesení druhé vrstvy o tloušťce 10 nm se zpracování provádí v proudu argonových iontů s energií 5-10 keV a dávkou 2 * 10 14 iontů / cm 2 a poté se depozice opakuje 4krát s tloušťkou nové vrstvy 15 nm, každá následující vrstva je zpracována v proudu argonových iontů s energií iontů 3 keV a dávkou 8*1013 iontů/cm2. Výsledný vzorek má zdroj 3 hodiny 20 minut.

Příklad 14

Proces je podobný jako v příkladu 2 a liší se tím, že vzorky jsou umístěny v zařízení pro magnetron-iontové naprašování MIR-1 s terčem skládajícím se z platiny, včetně 30 % uhlíku, a naneseným povlakem z platiny a uhlíku. . Proud magnetronu je 0,1 A, napětí magnetronu je 420 V, plyn je argon se zbytkovým tlakem 0,92 Pa. Po dobu 20 minut depozice se získá povlak o tloušťce 80 nm. Vzorky s nanesenou tloušťkou vrstvy 60 nm se upraví v proudu argonových iontů s maximální energií iontů 10 keV a dávkou 2*10 14 iontů/cm 2 a poté se naprašování opakuje 5x s novou tloušťkou vrstvy 10 nm. Po nanesení druhé vrstvy se ošetření provádí v proudu argonových iontů s energií 5-10 keV a dávkou 2*10 14 iontů/cm 2 a každá další vrstva je ošetřena v proudu argonových iontů s energii iontu 3 keV a dávku 8*1013 iontů/cm2. Výsledný vzorek má zdroj 4 hodiny 30 minut.

Příklad 15

Proces je podobný jako v příkladu 9 a liší se tím, že se nanese 13 vrstev, tloušťka první a druhé je 30 nm, další 50 nm, energie iontů se postupně snižuje z 15 na 3 keV, implantační dávka je od 51014 do 81013 iontů/cm2. Výsledný vzorek má zdroj 8 hodin 50 minut.

Příklad 16

Proces je podobný jako v příkladu 9 a liší se tím, že tloušťka první vrstvy je 30 nm, dalších šest vrstev má každá 50 nm, implantační dávka je od 2,1014 do 8,1013 iontů/cm 2. Výsledný vzorek má zdroj 9 hodin 05 minut.

Nárokovaný způsob ochrany bipolárních FC desek a proudových kolektorů TPE elektrolyzérů před oxidací tedy umožňuje získat stabilní povlak s životností 4krát vyšší, než je životnost získaná podle prototypu, a zachováním vodivých vlastností.

1. Způsob ochrany bipolárních desek palivových článků a proudových kolektorů elektrolyzérů s pevným polymerním elektrolytem (SPE) před oxidací, který spočívá v předúpravě kovového substrátu, nanesení elektricky vodivého povlaku z ušlechtilých kovů na upravený kovový substrát magnetronem. iontové naprašování, vyznačující se tím, že se na upravený substrát nanese elektricky vodivý povlak vrstva po vrstvě s fixací každé vrstvy pulzní implantací kyslíkových iontů nebo inertního plynu.

2. Způsob ochrany podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako ušlechtilé kovy se použije platina nebo palladium nebo iridium nebo jejich směs.

3. Způsob ochrany podle nároku 1, vyznačující se tím, že pulzní implantace iontů se provádí s postupným snižováním energie a dávky iontů.

4. Způsob ochrany podle nároku 1, vyznačující se tím, že celková tloušťka povlaku je od 1 do 500 nm.

5. Způsob ochrany podle nároku 1, vyznačující se tím, že postupně nanesené vrstvy mají tloušťku 1 až 50 nm.

6. Způsob ochrany podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako inertní plyn se použije argon nebo neon nebo xenon nebo krypton.

7. Způsob ochrany podle nároku 1, vyznačující se tím, že energie implantovaných iontů je od 2 do 15 keV.

8. Způsob ochrany podle nároku 1, vyznačující se tím, že dávka implantovaných iontů je až 1015 iontů/cm2.

Podobné patenty:

Vynález se týká oblasti elektrotechniky, konkrétně baterie trubicových palivových článků s tuhými oxidy (SOFC), která obsahuje alespoň dvě trubkové sestavy palivových článků s tuhými oxidy, alespoň jeden společný sběrač proudu a držák pro uchycení části soustavy palivových článků a společný sběrač proudu v jejich spojení s přesným lícováním, přičemž koeficient tepelné roztažnosti držáku je menší nebo roven koeficientu tepelné roztažnosti soustav palivových článků.

Vynález se týká polymerních membrán pro nízkoteplotní nebo vysokoteplotní polymerní palivové články. Protony vodivá polymerní membrána založená na polyelektrolytovém komplexu sestávající z: a) polymeru obsahujícího dusík, jako je poly-(4-vinylpyridin) a jeho deriváty získané alkylací, poly-(2-vinylpyridin) a jeho deriváty získané alkylací polyethylenimin, poly(2-dimethylamino)ethylmethakrylát)methylchlorid, poly(2-dimethylamino)ethylmethakrylát)methylbromid, poly(diallyldimethylamonium)chlorid, poly(diallyldimethylamonium)bromid, b) Nafion nebo jiný polymer podobný Nafion vybraný ze skupiny včetně Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta a iontoměničových pryskyřic obsahujících karboxylové a sulfonové skupiny; c) kapalná směs obsahující rozpouštědlo vybrané ze skupiny sestávající z methanolu, ethylalkoholu, n-propylalkoholu, isopropylalkoholu, n-butylalkoholu, isobutylalkoholu, terc-butylalkoholu, formamidů, acetamidů, dimethylsulfoxidu, N-methylpyrrolidonu a také destilovaná voda a jejich směsi; ve kterém je molární poměr polymeru obsahujícího dusík k Nafion nebo polymeru podobnému Nafion v rozmezí 10-0,001.

Vynález se týká oblasti elektrotechniky, konkrétně získání oxidového filmu elektrolytu o tloušťce úměrné velikosti pórů materiálu elektrody, jednodušším a technologicky vyspělejším a také ekonomičtějším způsobem než iontové plazma.

Vynález poskytuje médium pro difúzi plynu palivového článku, které má nízkou propustnost pro vzduch v rovině a dobré odvodňovací vlastnosti a je schopné vykazovat vysoký výkon palivového článku v širokém teplotním rozsahu od nízkých po vysoké teploty.

Vynález se týká oblasti elektrotechniky a zejména způsobu výroby katalytické elektrody membránově-elektrodové jednotky, zejména pro vodíkové a metanolové palivové články.

Vynález se týká oblasti elektrotechniky a může být použit v palivových článcích. Bipolární deska palivového článku zahrnuje desku, prostor pro proudění tekutiny vytvořený na obou stranách desky, mřížku pro vedení tekutiny instalovanou v prostoru pro proudění tekutiny. Deska je vytvořena se vstupním kanálem připojeným k prostoru toku tekutiny a výstupním kanálem připojeným k prostoru toku tekutiny. Bipolární deska je vyrobena pomocí určité formy a vhodného zpracování. Výsledkem je rovnoměrnější rozložení proudění a snížení odporu vůči proudům paliva a vzduchu proudícímu do palivové elektrody, resp. vzduchové elektrody palivového článku. Kromě toho může být zvětšena reakční plocha se sestavou membránové elektrody a difúzní zónou a výroba může být zjednodušena a usnadněna, 6N. a 14 z.p. f-ly, 16 nemocných.

Technický obor

Vynález se týká palivového článku a zejména bipolární desky palivového článku a způsobu výroby takové desky schopné zajistit rovnoměrné rozdělení toku, snížit odpor vůči tokům paliva a vzduchu proudícím do palivové elektrody a vzduchové elektrody palivového článku. palivového článku a zjednodušení jeho výroby .

Nejmodernější

Palivový článek generuje obecně ekologickou energii a byl navržen tak, aby nahradil tradiční energii z fosilních paliv. Jak je znázorněno na obr. 1, palivový článek obsahuje sestavu 100, která má být kombinována s alespoň jedním jediným článkem 101, ve kterém probíhá elektrochemická reakce; palivové přívodní potrubí 200 připojené ke komínu 100 tak, aby přivádělo palivo; přívodní vzduchový kanál 300 připojený ke stohu 100 tak, aby přiváděl vzduch; a výfukové potrubí 400, 500 pro vypouštění vedlejších produktů probíhající reakce paliva a vzduchu, v daném pořadí. Jednotková buňka 101 obsahuje palivovou elektrodu (anodu) (není zobrazena), do které je přiváděno palivo; a vzduchovou elektrodu (katodu) (není znázorněna), do které je přiváděn vzduch.

Nejprve se palivo a vzduch přivádějí do palivové elektrody a vzduchové elektrody sloupce 100 prostřednictvím přívodního potrubí 200 paliva a přívodního potrubí 300 vzduchu. Palivo přiváděné do palivové elektrody je ionizováno na kladné ionty a elektrony (e-) prostřednictvím elektrochemické oxidační reakce na palivové elektrodě, ionizované kladné ionty se pohybují přes elektrolyt ke vzduchové elektrodě a elektrony se pohybují k palivové elektrodě. Kladné ionty přenesené do vzduchové elektrody vstupují do elektrochemické redukční reakce se vzduchem přiváděným do vzduchové elektrody a vytvářejí vedlejší produkty, jako je reakční teplo a voda atd. V tomto procesu pohyb elektronů generuje elektřinu. Palivo po reakci na palivové elektrodě, stejně jako voda a další vedlejší produkty generované na vzduchové elektrodě, jsou vypouštěny výfukovými potrubími 400, 500, v tomto pořadí.

Palivové články lze rozdělit do různých typů podle elektrolytu a paliva v nich použitého atd.

Mezitím, jak je znázorněno na obr. 2, jediný prvek 101 tvořící sloupec 100 obsahuje dvě bipolární desky 10 mající otevřený průchod 11, kterým proudí vzduch nebo palivo; a sestavu membrána-elektroda (MEA, z anglického "membrane electrod assembly" nebo MEA) 20, umístěnou mezi tyto dvě bipolární desky 10 tak, aby měly určitou tloušťku a plochu. Dvě bipolární desky 10 a MEU 20 umístěné mezi nimi jsou vzájemně kombinovány pomocí přídavných prostředků 30, 31 spojení. Kanál tvořený kanálem 11 bipolární desky 10 a stranou MED 20 tvoří palivovou elektrodu, a když palivo proudí tímto kanálem palivové elektrody, dochází k oxidační reakci. Kromě toho kanál tvořený kanálkem 11 druhé bipolární desky 10 a druhou stranou MED 20 tvoří vzduchovou elektrodu, a když vzduch proudí tímto kanálem vzduchové elektrody, dochází k redukční reakci.

Tvar bipolární desky 10, zejména tvar kanálu 11, ovlivňuje přechodový odpor poskytovaný proudem paliva a vzduchu a distribuci proudů a podobně, a kontaktní odpor a distribuce proudů ovlivňují výkon. výkon (energetická účinnost). Kromě toho mají bipolární desky 10 určitý tvar vhodný pro usnadnění procesu a hromadné výroby.

Jak je znázorněno na obr. 3, průchozí otvory 13, 14, 15, 16, v tomto pořadí, jsou vytvořeny v konvenční bipolární desce na každém okraji desky 12 mající určitou tloušťku a obdélníkový tvar.

Kromě toho je na straně desky 12 vytvořeno více kanálků 11 tak, aby spojovaly průchozí otvor 13 s diagonálně umístěným průchozím otvorem 16. Tyto kanály 11 mají klikatý tvar. Jak je znázorněno na obrázku 4, v příčném řezu kanálem 11 má tento kanálek ​​11 určitou šířku a tloušťku a jednu otevřenou stranu. Na druhé straně desky 12 jsou vytvořeny četné kanály 11 tak, aby spojovaly dva diagonálně uspořádané průchozí otvory 14, 16, přičemž tyto kanály 11 mají stejný tvar jako kanály vytvořené na opačné straně.

Následující text popisuje činnost tradiční bipolární destičky. Nejprve palivo a vzduch proudí do průchozích otvorů 13, 14 a palivo a vzduch procházející průchozími otvory 13, 14 proudí do kanálků 11. Palivo nebo vzduch v kanálcích 11 proudí klikatě podél kanálů 11 a je vypouštěn ven průchozími otvory 15, 16. Při tomto procesu v MED 20 (zobrazeném na obr. 2), ve kterém proudí palivo, dochází k oxidační reakci a současně k redukční reakci v MED ve kterém proudí vzduch.

Avšak v případě konvenční bipolární desky, protože kanály 11 jsou vytvořeny klikatě, může být proudění rovnoměrně rozděleno pouze do určité míry. Kromě toho, protože kanály, kterými proudí palivo a vzduch, jsou složité a dlouhé, zvyšuje se odpor proti proudění, a proto se zvyšuje tlaková ztráta pro vytvoření proudění paliva a vzduchu. Kromě toho, protože výrobní proces je složitý a těžkopádný, jsou výrobní náklady vysoké.

Technická podstata tohoto vynálezu

Za účelem vyřešení výše popsaných problémů je cílem tohoto vynálezu poskytnout bipolární desku palivových článků a způsob výroby takové desky schopné zajistit rovnoměrné rozdělení toku, snížit odpor vůči proudění paliva a vzduchu, v daném pořadí, do palivové elektrody a vzduchové elektrody palivového článku a zjednodušit jeho výrobu.

Za účelem dosažení výše uvedených cílů obsahuje bipolární deska palivového článku desku mající určitou tloušťku a plochu; prostor pro proudění tekutiny vytvořený na obou stranách této desky tak, aby měl určitou šířku, délku a hloubku; mřížku pro vedení tekutiny instalovanou v prostoru toku tekutiny tak, aby měla určitý tvar; vstupní port vytvořený na desce pro připojení k prostoru pro proudění tekutiny a přijímání tekutiny; a výstupní port vytvořený na desce tak, aby byl připojen k prostoru pro průtok tekutiny a vypouštěl tekutinu.

Kromě toho způsob výroby bipolární desky palivových článků zahrnuje výrobu formy pro zpracování desky, na které je na obou stranách vytvořen prostor pro proudění tekutiny mající určitou plochu a hloubku a vnitřní kanál je tvořen vyčnívající nosnou mřížkou. ve tvaru mřížky z prostoru proudění tekutiny; vytvoření desky s touto formou; zpracování desky s implementací vstupu tak, aby se umožnil přítok toku tekutiny do prostoru toku tekutiny, který má nosnou mřížku; a zpracování desky za účelem vytvoření výstupu tak, aby se umožnilo proudění vytékat z prostoru pro proudění tekutiny.

Kromě toho bipolární deska palivového článku obsahuje desku mající určitou tloušťku a plochu; oblast kanálu s mřížkovými výčnělky vedle několika mřížkových drážek vytvořených podél určité oblasti obou stran desky; vstupní kanál vytvořený na straně desky tak, aby byl spojen s mřížkovými štěrbinami v oblasti kanálu a přijímal tekutinu; a výstupní kanál vytvořený na straně desky tak, aby vypouštěl tekutinu procházející skrz mřížkové štěrbiny v oblasti kanálu.

Kromě toho způsob výroby bipolární desky palivových článků zahrnuje výrobu desky mající určitou tloušťku a plochu; výkon obrábění pro vytvoření mřížových štěrbin vedle mřížových výstupků vytvořených na obou stranách desky; a zpracování desky pro vytvoření vstupu a výstupu tak, že jsou spojeny s mřížkovými štěrbinami.

Kromě toho bipolární deska palivového článku obsahuje desku mající určitou tloušťku a plochu, ve které jsou na obou stranách uprostřed lisováním vytvořeny vícenásobné kanály složené z vícenásobných horních a dolních stran, takže mají určitou šířku a délku; a těsnicí člen příslušně připojený k obrysu obou stran desky tak, aby tvořil vnitřní kanály, spolu s kanálky desky, vstupní kanál a výstupní kanál, kterými tekutina proudí do a z těchto kanálků.

Kromě toho způsob výroby bipolární desky palivového článku zahrnuje řezání desky tak, aby měla určitou velikost; lisování obou stran řezané desky tak, aby se vytvořilo několik kanálků, kterými proudí tekutina; a spojení těsnicího prvku s obrysem lisované desky.

Stručný popis výkresů

Doprovodné výkresy, které jsou zahrnuty pro lepší pochopení vynálezu, tvoří součást a tvoří součást této specifikace, znázorňují provedení vynálezu a spolu s popisem slouží k vysvětlení principů vynálezu.

Na těchto výkresech:

Obr. 1 znázorňuje běžný systém palivových článků;

Obr. 2 je rozložený perspektivní pohled znázorňující část běžného balíčku palivových článků;

Obr. 3 je půdorys znázorňující bipolární desku běžného palivového článku;

Obr. 4 je pohled v řezu podél linie A-B na obr. 3;

Obr. 5 je půdorys znázorňující první provedení bipolární desky palivových článků podle předkládaného vynálezu;

Obr. 6 je rozložený perspektivní pohled znázorňující část bipolární desky palivových článků podle prvního provedení předkládaného vynálezu;

7 je vývojový diagram znázorňující první provedení způsobu výroby bipolární desky palivových článků podle tohoto vynálezu;

Obr. 8 je rozložený perspektivní pohled znázorňující sestavu bipolárních desek palivového článku podle prvního provedení předkládaného vynálezu;

Obr. 9 je půdorys znázorňující provozní stav bipolární desky palivového článku podle prvního provedení předkládaného vynálezu;

10 a 11 jsou pohledy shora a zepředu v řezu znázorňující druhé provedení bipolární desky palivových článků podle tohoto vynálezu;

12 je vývojový diagram znázorňující druhé provedení způsobu výroby bipolární desky palivových článků podle předkládaného vynálezu;

Obr. 13 je půdorys znázorňující provozní stav bipolární desky palivových článků podle druhého provedení předkládaného vynálezu;

14 a 15 jsou pohledy shora a zepředu v řezu znázorňující třetí provedení bipolární desky palivových článků podle předkládaného vynálezu; a

16 je vývojový diagram znázorňující třetí provedení způsobu výroby bipolární desky palivového článku podle předkládaného vynálezu.

Nejprve bude popsáno první provedení bipolární desky palivových článků podle tohoto vynálezu.

Obr. 5 je půdorys znázorňující první provedení bipolární desky palivových článků podle předloženého vynálezu a obr. 6 je rozložený perspektivní pohled znázorňující část bipolární desky palivových článků podle prvního provedení předloženého vynálezu. ..

Jak je znázorněno na obr. 5 a 6, první provedení bipolární desky palivových článků podle tohoto vynálezu obsahuje desku 40 mající určitou tloušťku a plochu; prostor 41 pro proudění tekutiny vytvořený na obou stranách desky 40 tak, aby měl určitou šířku, délku a hloubku; mřížku 42 pro směr tekutiny instalovanou v prostoru 41 toku tekutiny tak, aby měla určitý tvar; vstupní otvor 43 vytvořený na desce 40 připojený k prostoru 41 pro proudění tekutiny pro zavádění tekutiny; a výstupní port 44 vytvořený na desce 40 připojený k prostoru 41 pro průtok tekutiny pro vypouštění tekutiny.

Deska 40 má obdélníkový tvar a určitou tloušťku, na obou stranách obdélníkové desky 40 je vytvořen prostor 41 pro proudění tekutiny a má obdélníkový tvar a určitou hloubku. Deska 40 je vyrobena z nerezového materiálu. Deska 40 a prostor 41 pro proudění tekutiny mohou mít tvary jiné než obdélníkový.

Síť 42 pro směr tekutiny má obdélníkový tvar menší než prostor 41 toku tekutiny, takže může být vložen do prostoru 41 toku tekutiny desky 40, a má tloušťku ne větší, než je hloubka prostoru 41 toku tekutiny.

Vstupní otvor 43 je vytvořen jako alespoň jeden průchozí otvor a je vytvořen na jedné straně desky 40. Výstupní port 43 je vyroben jako alespoň jeden průchozí otvor a je vytvořen na opačné straně od vstupního otvoru 43 tak, aby být diagonální vzhledem k tomuto vstupu 43.

7 je vývojový diagram znázorňující první provedení způsobu výroby bipolární desky palivových článků podle tohoto vynálezu.

Jak je znázorněno na obr. 7, v prvním provedení způsobu výroby bipolární desky palivových článků podle tohoto vynálezu je vytvořena forma pro zpracování desky, na které je vytvořen prostor pro proudění tekutiny o určité ploše a hloubce. na obou stranách a vytvořil mřížku vyčnívající do průtokového prostoru tekutého média. Poté se deska zpracuje pomocí této formy. Současně je v desce na obou stranách obdélníkové desky mající určitou hloubku vytvořen pravoúhlý prostor pro proudění tekutiny mající určitou hloubku a v prostoru pro proudění tekutiny je vytvořena mřížka pro vytvoření kanálu. Tato síť může být tvarována do různých tvarů.

Dále je deska zpracována tak, aby vytvořila vstup tak, aby umožnila toku tekutiny proudit do prostoru pro průtok tekutiny, a zpracována tak, aby vytvořila výstup, aby se umožnilo toku vytékat z prostoru toku tekutiny. Vstupní kanál a výstupní kanál jsou vytvořeny ve formě alespoň jednoho průchozího otvoru nebo otevřené drážky.

Nejprve se naskládají bipolární desky palivových článků. Podrobněji, jak je znázorněno na obr. 8, MEA (M) jsou umístěny mezi bipolárními deskami (BP) a jsou vzájemně kombinovány pomocí kombinace (nezobrazeno). V tomto případě prostor 41 toku tekutiny vytvořený na straně bipolární desky (BP), mřížka 42 pro směr tekutiny vytvořená v prostoru 41 toku tekutiny a strana MED (M) tvoří cestu (kanál) skrz kterým palivo proudí. Druhá strana MEA (M), prostor 41 toku tekutiny vytvořený na straně druhé bipolární desky (BP) obrácené k první bipolární desce (BP), a mřížka 42 pro směr tekutiny vytvořená v prostoru 41 toku tekutiny jsou vytvořená dráha (kanál), kterou proudí vzduch.

S touto konstrukcí, když je palivo přiváděno do vstupu 43 bipolární desky (BP), jak je znázorněno na obr. 9, palivo ve vstupu 43 proudí do prostoru 41 toku tekutiny. Palivo v průtokovém prostoru 41 tekutiny je dále rozprostřeno (distribuováno) skrz průtokový prostor 41 tekutiny pomocí mřížky 42 vedení tekutiny umístěné v prostoru 41 průtoku tekutiny a poté je palivo vypouštěno ven výstupním otvorem 44.

Při tomto procesu plní mřížka 42 pro vedení tekutiny v prostoru 41 toku tekutiny nejen funkci vedení rovnoměrným rozprostřením paliva v prostoru 41 toku tekutiny, ale také funkci "difuzní" (funkce difuze) se správnou regulací průtoku tekutiny. hustota proudění. V tomto případě mohou být distribuce a tlak nastaveny velikostí "buněk" sítě 42 směru tekutiny. Mezitím, v důsledku vytvoření mřížky 42 pro směr tekutiny ve formě mřížky, je kontaktní plocha s MED (M) v kontaktu s bipolární deskou (BP) relativně zmenšena, a tudíž efektivní kontaktní plocha palivo a MED (M) se zvýší.

Navíc vzduch proudí stejným procesem, jak je popsáno výše.

V případě způsobu výroby bipolární desky palivových článků podle prvního provedení předkládaného vynálezu, výrobou desky pomocí formy, může být snadno sériově vyráběna. Podrobněji, vyrobením nosné mřížkové desky a vytvořením vstupu a výstupu může být bipolární deska jednoduše a snadno vyrobena.

10 a 11 jsou pohledy v řezu shora a zepředu znázorňující druhé provedení bipolární desky palivových článků podle tohoto vynálezu.

Jak je znázorněno na obr. 10 a 11, bipolární deska palivových článků podle druhého provedení vynálezu obsahuje desku 50 mající určitou tloušťku a plochu; oblast 53 kanálu mající mřížkové výstupky 52 přiléhající k několika mřížkovým drážkám 51 vytvořeným podél určité oblasti obou stran desky 50; vstup 54 vytvořený na jedné straně desky 50 tak, aby byl připojen k mřížkovým štěrbinám 51 oblasti 53 pro průchod tekutiny; a výstupní kanál 55 vytvořený na této straně desky 50 tak, aby vypouštěla ​​tekutinu procházející skrz mřížkové štěrbiny 51 oblasti 53 kanálu.

Deska 50 má obdélníkový tvar a určitou tloušťku. Kanálková oblast 53 je příslušně vytvořena na obou stranách desky 50 tak, aby měla obdélníkový tvar. Deska 50 a kanálová oblast 53 mohou být tvarovány do různých tvarů jiných než je obdélníkový tvar.

Mřížkové výstupky 52 jsou vytvořeny ve tvaru pravoúhlého kužele a každá mřížková drážka 51 je vytvořena mezi těmito mřížkovými výstupky 52 ve tvaru pravoúhlého kužele. Mřížkový výstupek 52 může být vytvořen tak, aby měl tvar trojúhelníkového kužele.

Mřížkové výstupky 52 jsou uspořádány pravidelným způsobem (v pravidelných intervalech). V jedné modifikaci mohou být mřížkové výstupky 52 umístěny nepravidelně.

Vstupní port 54 a výstupní port 55 jsou vytvořeny na jedné straně desky 50, která má otevřený formulář s definovanou šířkou a hloubkou. Kromě toho mohou být vstupní port 54 a výstupní port 55 příslušně vytvořeny jako alespoň jeden průchozí otvor.

Bipolární deska palivových článků podle druhého provedení předkládaného vynálezu je vyrobena z nerezové oceli.

12 je vývojový diagram znázorňující druhé provedení způsobu výroby bipolární desky palivových článků podle tohoto vynálezu.

Jak je znázorněno na obr. 12, ve způsobu výroby bipolární desky palivových článků podle druhého provedení předkládaného vynálezu je prvním krokem výroba desky mající určitou tloušťku a plochu. Potom se provede druhý krok ve formě obrábění pro vytvoření mřížových štěrbin vedle mřížových výstupků na obou stranách desky. Tento druhý krok zahrnuje dílčí kroky vrubování obou stran desky pro vytvoření mřížových výstupků; a broušení obou vrubových stran desky. Mřížové výstupky tvořené zářezem mají tvar pravoúhlého kužele, ale mohou být vytvořeny i v jiných tvarech, než je pravoúhlý kužel. Vroubkováním se mezi mřížkovými výstupky vytvoří mřížkové štěrbiny, přičemž mřížkové štěrbiny tvoří kanály, kterými proudí tekutina. Provedením broušení je možné odstranit otřepy vzniklé vrubováním a opracovat ostré konce (vrcholy) mřížových výstupků tak, aby byly tupé.

Konečně třetím krokem je opracování desky pro vytvoření vstupu a výstupu tak, aby byly spojeny s mřížovými štěrbinami.

Bipolární desky palivových článků jsou sestaveny do balíčku. V tomto případě oblast 53 kanálu vytvořená na jedné straně bipolární desky (BP) a straně MEU (M) tvoří cestu (kanál), kterou proudí palivo. Druhá strana MED (M) a strana druhé bipolární desky (BP) směřující k první bipolární desce (BP) tvoří cestu (kanál), kterou proudí vzduch.

U této konstrukce, když je palivo přiváděno do vstupního kanálu 54 bipolární desky (BP), jak je znázorněno na obr. 53, kanálky, a pak je toto palivo vypouštěno ven výstupním kanálem 55.

V tomto procesu, díky malému a jednotnému tvaru takové mřížky tvořené mřížkovými štěrbinami 51 tvořenými mřížkovými výstupky 52 v oblasti 53 kanálu, může být tekutina nejen rovnoměrně distribuována, ale také rozptylována. Současně je díky mřížovým výstupkům 52 vytvořeným v oblasti 53 kanálu relativně snížena kontaktní plocha bipolární desky (BP) a MEA (M) a efektivní kontaktní plocha palivo a MEA (M) se zvýší.

Kromě toho vzduch proudí stejným procesem, jak je popsáno výše.

V případě způsobu výroby bipolární desky palivových článků podle druhého provedení předkládaného vynálezu obráběním obdélníkové desky mající určitou tloušťku na obou stranách pro vytvoření vstupu a výstupu s válcem atd. výroba je jednoduchá a rychlá.

14 a 15 jsou pohledy shora a zepředu v řezu znázorňující třetí provedení bipolární desky palivových článků podle tohoto vynálezu.

Jak je znázorněno na obr. 14 a 15, bipolární deska palivových článků podle třetího provedení předkládaného vynálezu obsahuje desku 60 mající určitou tloušťku a plochu, ve které je na obou stranách uprostřed více kanálů 61 složených z mnoha výstupů. a sestupy, takže mají určitou šířku a délku; a těsnící prvek 65, příslušně připojený k obrysu obou stran desky 60 tak, aby tvořily kanály 62a, 62b, 62c spolu s kanály 61 desky 60, vstup 63 a výstup 64, kterými proudí tekutina dovnitř a ven.

Deska 60 je vyrobena ve formě obdélníkové kovové desky a kanály 61 jsou vytvořeny v určité vnitřní oblasti této obdélníkové kovové desky. Když je deska 60 stlačena, kanálky 61 jsou příslušně vytvořeny na obou stranách desky 60 a kanály 61 mají stejnou hloubku.

Těsnicí prvek 65 má obdélníkový tvar a určitou šířku a má stejnou tloušťku jako výška nálitků kanálu 61 a má stejnou velikost jako deska 60. Výška nálitků kanálu 61 je přibližně 2,5 mm.

Vstup 63, kterým protéká tekutina, je vytvořen na jedné straně těsnicího členu 65 a výstup 64 je vytvořen tak, aby byl proti vstupu 63.

Vnitřní kanálek ​​tvořený těsnícím členem 65 obsahuje vstupní vyrovnávací kanál 62a pro distribuci tekutiny skrz kanály 61 desky 60; výstupní vyrovnávací kanál 62b pro umožnění tekutině procházející kanály 61 desky 60 proudit do výstupního kanálu 64; a spojovací kanál 62c pro spojení vstupního vyrovnávacího kanálu 62a a výstupního vyrovnávacího kanálu 62b.

16 je vývojový diagram znázorňující třetí provedení způsobu výroby bipolární desky palivového článku podle předkládaného vynálezu.

Jak je znázorněno na obr. 16, ve způsobu výroby bipolární desky palivových článků podle třetího provedení předkládaného vynálezu je prvním krokem získání desky 60 řezáním kovové desky mající určitou tloušťku a plochu podle a druhým krokem je lisování desky 60 tak, aby se vytvořilo více kanálků 61 na obou stranách desky 60. Kovová deska 60 má obdélníkový tvar.

Kanály 61 desky 60 jsou vyrobeny rovné a mají určitou délku a výška výstupků kanálků 61 je stejná. Kanál 61 desky 60 může mít různé tvary průřezu, jako je tvar vlny nebo obdélníkový tvar.

Třetím krokem je spojení těsnicího členu 65 s obrysem lisované desky 60. Těsnicí člen 65 je vytvarován do obdélníkové rozpěrky mající určitou šířku a tloušťku a tento těsnicí člen 65 je kombinován s obrysem desky 60. deska 60 tak, aby obklopovala vnitřní oblast desky 60, a tudíž tvořila kanály 62a, 62b, 62c. Vstup 63 a výstup 64 jsou vytvořeny na těsnicím členu 65. Vstup 63 a výstup 64 mohou být vytvořeny odříznutím části těsnicího členu 65.

Jak je popsáno výše v prvním provedení předkládaného vynálezu, je sestavena sestava palivového článku. Současně se zvednutím přímého kanálu 61 vytvořeného na straně bipolární desky (BP) a straně MEU (M) vytvoří dráha (kanál), po které proudí palivo. Druhá strana MED (M) a svahy přímých kanálů 61 vytvořené na straně druhé bipolární desky (BP) přivrácené k první bipolární desce (BP) tvoří cestu (kanál), kterou proudí vzduch.

U této konstrukce, když je palivo přiváděno do vstupního portu 63 bipolární desky (BP), palivo ve vstupním portu 63 proudí touto cestou, konkrétně přes vstupní vyrovnávací port 62a, spojovací port 62c, port 61 a výstup. vyrovnávací port 62b. Poté je palivo vypouštěno ven výstupním otvorem 64. Kromě toho vzduch proudí stejným procesem, jak je popsáno výše.

Kromě toho v předloženém vynálezu je výroba kovové desky lisováním jednoduchá a rychlá. Kromě toho lze zmenšením tloušťky bipolární desky snížit velikost a hmotnost balení.

Průmyslová využitelnost

Jak je popsáno výše, v případě bipolární desky palivového článku a způsobu její výroby podle předkládaného vynálezu tím, že se proudy paliva a vzduchu proudí do palivové elektrody a vzduchové elektrody palivového článku stejnoměrné, čímž se zvýší efektivní oblast reakce s MEA a zvýšením výkonu difúzní zóny (energetického výstupu) lze zvýšit. Snížením odporu proti proudění paliva a vzduchu lze snížit tlakovou ztrátu generující proudění paliva a vzduchu, tzn. čerpací síla. Navíc zjednodušením a usnadněním výroby lze značně snížit výrobní náklady, a proto je možná hromadná výroba.

1. Bipolární deska palivového článku obsahující desku mající určitou tloušťku a plochu; prostor pro proudění tekutiny vytvořený na obou stranách této desky, přičemž prostor pro proudění tekutiny je konfigurován tak, aby měl určitou šířku, délku a hloubku; mřížku vedení tekutiny instalovanou v prostoru toku tekutiny, mřížka vedení tekutiny má určitý tvar; vstupní port vytvořený na desce spojené s prostorem pro proudění tekutiny pro zavádění tekutiny; a výstupní port vytvořený na desce spojené s prostorem pro průtok tekutiny pro vypouštění tekutiny.

2. Bipolární deska podle nároku 1, vyznačující se tím, že prostor pro proudění tekutiny je vytvořen jako obdélníkový a mřížka pro vedení tekutiny má obdélníkový tvar, který není větší než velikost prostoru pro proudění tekutiny.

3. Bipolární deska podle nároku 1, vyznačující se tím, že mřížka vedení tekutiny má tloušťku ne větší, než je hloubka prostoru pro tok tekutiny.

4. Bipolární deska podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstupní port a výstupní port jsou vytvořeny jako alespoň jeden průchozí otvor a jsou vytvořeny na straně desky.

5. Bipolární deska podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstup a výstup jsou vzájemně diagonální.

6. Bipolární deska podle nároku 1, vyznačující se tím, že deska je vyrobena z nerezového materiálu.

7. Způsob výroby bipolární desky palivového článku, zahrnující výrobu formy pro zpracování desky, na které je na obou stranách vytvořen prostor pro proudění tekutiny o určité ploše a hloubce a mřížka tekutiny vyčnívající do prostoru pro proudění tekutiny. se tvoří; vytvoření desky pomocí této formy; zpracování desky tak, aby poskytla vstup pro tekutinu, která proudí do prostoru pro proudění tekutiny; a zpracování desky pro zajištění výstupního průchodu pro tekutinu vytékající z prostoru pro proudění tekutiny.

8. Bipolární deska palivového článku obsahující desku mající určitou tloušťku a plochu; oblast kanálu s mřížkovými výčnělky vedle několika mřížkových drážek vytvořených podél určité oblasti obou stran desky; vstupní otvor vytvořený na straně desky spojené s mřížkovými štěrbinami pro přivádění tekutiny; a výstupní kanál vytvořený na straně desky spojené se štěrbinami mřížky pro vypouštění tekutiny do štěrbin mřížky.

9. Bipolární deska podle nároku 8, vyznačující se tím, že mřížkový výstupek je vytvarován do tvaru pravoúhlého kužele.

10. Bipolární deska podle nároku 8, vyznačující se tím, že mřížkové výstupky jsou vytvořeny v pravidelných intervalech.

11. Bipolární deska podle nároku 8, vyznačující se tím, že vstupní port a výstupní port jsou vytvořeny na straně desky v otevřeném tvaru s určitou šířkou a hloubkou.

12. Bipolární deska podle nároku 8, vyznačující se tím, že deska je vyrobena z materiálu z nerezové oceli.

13. Způsob výroby bipolární desky palivového článku, zahrnující výrobu desky mající určitou tloušťku a plochu; provedení obrábění pro vytvoření mřížových štěrbin vedle mřížových výstupků vytvořených na obou stranách desky; a zpracování desky se vstupním kanálem a výstupním kanálem spojeným s drážkami mřížky.

14. Způsob podle nároku 13, ve kterém fáze obrábění zahrnuje dílčí kroky: zářezy na obou stranách desky pro vytvoření mřížových výstupků; a broušení obou vrubových stran desky.

15. Bipolární deska palivových článků, vyznačující se tím, že obsahuje: desku o určité tloušťce a ploše, ve které jsou na obou stranách uprostřed lisováním vytvořeny četné kanály, sestávající z četných výstupů a sestupů, takže mají určitou šířku a délka; a těsnicí člen příslušně připojený k obrysu obou stran desky tak, aby tvořil vnitřní kanály, spolu s kanálky desky, vstup a výstup, kterými tekutina proudí dovnitř a ven z kanálků.

16. Bipolární deska podle nároku 15, vyznačující se tím, že vnitřní kanály zahrnují vstupní vyrovnávací kanál pro distribuci tekutiny skrz kanály desky; výstupní vyrovnávací kanál pro umožnění tekutině procházející kanálky desky proudit do výstupního kanálu; a spojovací kanál pro spojení vstupního vyrovnávacího kanálu a výstupního vyrovnávacího kanálu.

17. Způsob výroby bipolární desky palivového článku, zahrnující řezání desky tak, aby měla určitou velikost; lisové zpracování obou stran řezané desky tak, aby se vytvořilo více kanálů, kterými proudí tekutina; a spojení těsnicího prvku s obrysem lisované desky.

18. Způsob podle nároku 17, vyznačující se tím, že v průběhu lisovacího kroku se výstupky vytvořené kanály zpracují tak, že mají stejnou výšku.

Vynález se týká oblasti elektrotechniky a může být použit v palivových článcích