ENERGIE ELECTROCHIMICĂ. 2009. V. 9, nr 3. S.161-165
UDC 66,02; 536,7;
METODE PENTRU TRATAMENTUL DE SUPRAFĂȚĂ AL PĂCILOR BIPOLARE DE TITANIU ALE PILELOR DE COMBUSTIBIL HIDROGEN-AER
M. S. Vlaskin, E. I. Shkolnikov, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov* și V. P. Kharitonov*
Institutul de Probleme Energetice Noi JIHT RAS, Moscova, Rusia *CJSC „Rimos”, Moscova, Rusia E-mail: [email protected]
Primit 11 iunie 2009
Articolul este dedicat studiului influenței tratamentelor de suprafață ale plăcilor bipolare (BP) asupra caracteristicilor electrice specifice ale celulelor de combustie (FC). Studiile au fost efectuate pe plăci pe bază de titan. Sunt luate în considerare două metode de prelucrare a BP: aurirea electrochimică și implantarea ionilor de carbon. Sunt prezentate scurte descrieri ale tehnologiilor de mai sus, precum și metodologia și rezultatele experimentelor. Se arată că atât placarea cu aur, cât și dopajul cu carbon a suprafeței BP-urilor de titan îmbunătățesc caracteristicile electrice ale FC-urilor. Scăderea relativă a rezistențelor ohmice FC în comparație cu plăcile de titan neacoperite a fost de 1,8 pentru aurirea electrochimică și de 1,4 pentru implantarea ionică.
Cuvinte cheie Cuvinte cheie: pile de combustie hidrogen-aer, plăci bipolare pe bază de titan, implantare de carbon, spectroscopie de impedanță.
Lucrarea este dedicată cercetării influenței prelucrărilor superficiale ale plăcilor bipolare (BP) asupra caracteristicilor electrice specifice ale combustibilului ce)(e)(FC). Cercetările au fost efectuate pe plăci pe baza titanului. Două metode de prelucrare a BP sunt luate în considerare: aurirea electrochimică și implantarea ionică a carbonului.În muncă sunt prezentate scurte descrieri ale tehnologiilor rezultate, precum și o tehnică și rezultatele experimentelor.În muncă se arată că ca aurire și implantare ionică carbon titanic BP se îmbunătățesc caracteristicile electrice FC. Reducerea relativă a rezistenței ohmice FC în comparație cu plăcile titanice „pure” au constituit 1,8 pentru aurirea electrochimică și 1,4 pentru implantarea ionică.
Cuvinte cheie: pile de combustie hidrogen-aer, plăci bipolare pe bază de titan, implantare de carbon, spectroscopie de impedanță.
INTRODUCERE
În prezent, în lume sunt utilizate două tipuri principale de materiale pentru BP: BP din compozite polimerice de carbon sau grafit și BP metal.
Cercetările în domeniul grafitului BP au condus la o îmbunătățire semnificativă a proprietăților fizice și chimice și a caracteristicilor specifice ale acestora. PSU-urile pe bază de grafit sunt mai rezistente la coroziune decât cele din metal, dar principalul lor dezavantaj este încă rezistența lor mecanică slabă, ceea ce împiedică utilizarea lor în pile de combustie pentru transport și centrale portabile portabile.
În acest sens, metalele au mai multe avantaje indubitabile față de materialele din carbon. Se caracterizează prin conductivitate termică și electrică mai mare, absența porilor, impermeabilitatea la gaz și rezistența mecanică ridicată. PSU-urile din metal sunt, de asemenea, mai economice decât sursele din grafit. Cu toate acestea, toate avantajele de mai sus ale metalelor sunt în mare măsură depreciate de astfel de dezavantaje precum rezistența scăzută la coroziune și rezistența ridicată la contact cu straturile de difuzie a gazului de carbon (GDL).
Cel mai promițător metal ca material pentru fabricarea surselor de alimentare este titanul. Lucrarea prezintă câteva avantaje ale surselor de alimentare cu titan. Titanul are proprietăți mecanice bune, iar contaminarea cu ioni de titan nu este periculoasă pentru catalizatorul unității cu electrozi cu membrană (MEA). Rezistența la coroziune a titanului este, de asemenea, una dintre cele mai ridicate dintre metale, cu toate acestea, în mediul agresiv al celulei de combustibil, titanul trebuie încă protejat de coroziune. Un factor suplimentar în căutarea acoperirilor pentru titan este rezistența ridicată la contact cu HDS-urile de carbon.
Laboratorul nostru (JIHT RAS Laboratory of Aluminium Hydrogen Energy) este angajat în dezvoltarea surselor de energie portabile bazate pe celule de combustie hidrogen-aer (HHFC). Titanul a fost ales ca material BP, inclusiv datorită celor de mai sus. Lucrările efectuate de noi anterior au confirmat necesitatea căutării de acoperiri și/sau metode de prelucrare suplimentară a acestuia.
O modalitate binecunoscută de a proteja suprafața titanului este acoperirea cu aur. Această acoperire crește rezistența la coroziune și reduce rezistența ohmică a celulei de combustie, ceea ce duce la o îmbunătățire a caracteristicilor sale electrice. Cu toate acestea, această tehnologie este
© 2009
M. S. VLASKIN, E. I. ȘKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. HARITONOV
costisitoare, în principal din cauza utilizării metalelor prețioase.
În această lucrare, pe lângă aurirea electrochimică, este luată în considerare o metodă de fabricare a unui PB din titan cu prelucrarea sa ulterioară prin implantare ionică. Alierea suprafeței BP cu carbon creează protecție suplimentară împotriva coroziunii și reduce rezistența la contact cu carbon GDS. Această tehnologie promite să reducă costurile de fabricație a PSU-urilor, menținând în același timp caracteristici electrice ridicate.
Lucrarea prezintă rezultatele experimentelor care compară caracteristicile electrice ale unei surse de alimentare realizate din titan „pur” (adică, fără acoperiri), titan acoperit electrochimic cu aur și titan aliat cu carbon prin metoda implantării ionice.
1. TEHNICA EXPERIMENTALA
Ca caracteristici electrice au fost alese curba curent-tensiune și impedanța FC, cu ajutorul cărora metodele de mai sus de fabricare a unui PSU din titan au fost comparate între ele. Experimentele au fost efectuate pe un impedametru specializat Z-500PX (cu funcțiile unui potențiostat) fabricat de Elins LLC. FC a fost încărcat cu o sarcină electronică încorporată în impedanță în modul potențiostatic la tensiuni de 800, 700, 600 și 500 mV. La fiecare tensiune, FC a fost ținut timp de 2000 s pentru a ajunge la o stare staționară, după care a urmat măsurarea impedanței. În fiecare caz, după expunere și
când pila de combustie a ajuns în stare staționară, au fost luate 5 hodografe. La măsurarea impedanței, amplitudinea semnalului de tensiune sinusoidal perturbator a fost de 10 mV, intervalul de frecvență a fost de 105–1 Hz. Curbele curent-tensiune au fost trasate din valori staționare.
Toate experimentele au fost efectuate pe modele HVFE de testare special realizate (Fig. 1). Elementul de testare este un singur MEA, intercalat între două plăci de colectare a curentului, care sunt analoge ale plăcilor de capăt ale bateriilor FC. Dimensiunea totală a plăcilor colectoare de curent este de 28x22 mm, grosimea este de 3 mm fiecare. Pentru comoditatea colectării curente, plăcuțele au „cozi” speciale de 4x4 mm. Dimensiunea suprafeței active 12x18 mm (2,16 cm2). Hidrogenul este furnizat MEA prin placa colector de curent anodic și se propagă în funcție de câmpul de curgere dat pe suprafața activă a acestei plăci. Aerul alimentează VVTE datorită convecției naturale. Placa colector catodic are 4 canale cu un diametru de 2 mm cu fante în zona suprafeței active. Lungimea canalului prin care este distribuit aerul este de 22 mm. MEA cu trei elemente sunt fabricate din Mayop 212, cu un consum de catalizator de platină de 0,2 mg/cm2 la anod și 0,5 mg/cm2 la catod.
Test VVTE au fost asamblate din aceleași componente, cu excepția plăcilor colectoare de curent. Trei perechi de plăci colectoare de curent au fost fabricate din titan VT1-0. Prima pereche a fost titan măcinat „pur”.
Orez. 1. Testați celula de combustibil într-o stare pliabilă. Detalii de la stânga la dreapta: placa colector curent anod, etanșare, GDS anod, MEA, HDS catod, etanșare, placă colector curent catodic; jos - șuruburi și piulițe de fixare
plăci, adică fără acoperiri și orice procesare suplimentară. Al doilea a fost acoperit cu aur de 3 um grosime printr-un substrat de nichel de 2 um grosime prin metoda electrochimică standard. A treia pereche a fost dopată cu carbon prin implantare ionică.
Procesul tehnologic de implantare ionică este cunoscut de aproximativ 50 de ani. Se bazează pe introducerea de ioni accelerați ai unei substanțe în materialul țintă pentru a modifica proprietățile fizice și chimice ale suprafeței sale. Implantarea ionică de titan BP și plăci de capăt a fost efectuată la un stand specializat al CJSC „RIMOS”. Standul este un injector capabil să creeze fascicule de ioni accelerate de diferite substanțe în condiții de vid ridicat fără ulei. Plăcile de titan implantate pe acest suport au rezistență ridicată la coroziune și continuitate de aliere. Plăcile de titan au fost supuse unui tratament cu fascicul de ioni la o energie ionică de 20 keV, o doză de implantare de 1018 cm-2 și o temperatură a produsului procesat de 300 °C ± 10 °C.
Doza de implantare de carbon a fost măsurată de-a lungul adâncimii profilului de distribuție al unei plăci de titan lustruit prin metoda spectrometriei de masă cu ioni secundari pe echipamentul CAMECA 1M84B (Franța). Curba de distribuție a concentrației de carbon în titan este prezentată în fig. 2. Conform figurii, adâncimea stratului de suprafață de carbon este de 200^220 nm, ceea ce este suficient pentru a obține proprietăți fizice și chimice fundamentale ale suprafeței 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
Adâncime, microni
Orez. 2. Curba de distribuție a concentrației de carbon în titan
2. REZULTATE ŞI DISCUŢIE
Pe fig. Figura 3 prezintă curbele volt-amperi și curbele de densitate de putere corespunzătoare pentru celulele de combustie cu diferite plăci de colectare a curentului. Valorile absolute ale curentului și puterii sunt legate de suprafața activă MEA, care este de 2,16 cm2. Din figură rezultă clar că atât alierea cu carbon, cât și aurirea electrochimică duce la o îmbunătățire a caracteristicilor specifice ale celulelor de combustie. Trebuie remarcat faptul că caracteristicile volt-amperi afișează simultan pierderi de activare, ohmice și difuzie într-o pile de combustibil. Pierderile de activare sunt asociate cu depășirea barierei energetice a reacțiilor electrodului, pierderile ohmice sunt suma rezistențelor electrice ale fiecăruia dintre straturile conductoare de electricitate FC și rezistențele de contact dintre ele, iar pierderile de difuzie sunt asociate cu o lipsă de alimentare cu reactivi către Regiunea de reacție MEA. În ciuda faptului că în diferite zone de densități de curent, de regulă, predomină unul dintre cele trei tipuri de pierderi enumerate mai sus, curbele volt-amperi și curbele de densitate de putere nu sunt suficiente pentru a cuantificare una sau alta metodă de prelucrare a BP (plăci de capăt). În cazul nostru, pierderile ohmice ale FC-urilor sunt de interes. Pierderile de activare și difuzie în prima aproximare pentru toate pilele de combustibil sunt aceleași: pierderi de activare datorate utilizării aceluiași MEA cu același consum de catalizator, pierderi de difuzie datorate aceluiași design al plăcilor colectoare de curent de testare.
Pentru identificarea pierderilor ohmice au fost utilizate hodografele impedanței obținute în cursul experimentelor. Rezultatele acestei părți a experimentelor sunt prezentate în Fig. 4. Ca exemplu, figurile arată una dintre cele cinci hodografe luate în fiecare caz după ce FC ajunge în starea staționară.
Spectroscopia de impedanță face posibilă cuantificarea pierderilor electrice ale FC. Lucrările oferă o descriere aceasta metodaîn legătură cu VVTE. În conformitate cu regulile de interpretare a hodografelor, rezistența ohmică este partea reală a impedanței la frecvențe înalte (/ = 105-104 Hz). Valoarea este selectată în punctul de intersecție al hodografului cu axa absciselor (1m R = 0) în regiunea de înaltă frecvență. De asemenea, cu ajutorul hodografelor se constată și capacitatea stratului dublu de pe suprafața electrod/electrolit. Diametrul semicercului hodografului caracterizează rezistența totală la trecerea sarcinii prin acest strat. Pe fig. În gamă sunt prezentate 4 hodografe de impedanță
M. S. VLASKIN, E. I. ȘKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. HARITONOV
Orez. 3. Curbele volt-amperi (a) și curbele de densitate de putere corespunzătoare (b): - - - titan neacoperit;
W- - titan + C, -■- - titan + N1 + Au
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1t, De la 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
Orez. Fig. 4. Impedanța TE la polarizare constantă, mV: a - 800, b - 700 c - 600, d - 500: - titan neacoperit;
Titan + N1 + Au; o - titan + C
frecvențe de 105-1 Hz, deoarece merită remarcate pierderile de difuzie destul de mari ale celulelor de combustie (peste 2 Ohm-cm2). Cu toate acestea, aceasta nu este o consecință a tratamentului de suprafață al plăcilor de titan, ci este asociată cu proiectarea plăcii colectoare de curent catodic și condițiile de convecție naturală atunci când aerul este furnizat către MEA.
Tabelul prezintă valorile absolute ale rezistențelor ohmice în funcție de polarizarea celulei de combustie și de metoda de prelucrare a plăcilor sale colectoare de curent, precum și erorile sistematice ale acestora. Rezultatele indică faptul că placarea cu aur reduce rezistența ohmică totală cu un factor de aproximativ 1,8 în comparație cu titanul neacoperit datorită scăderii pierderilor de contact. Dopajul cu ioni de carbon dă un câștig de aproximativ 1,4 ori, respectiv. Valoarea intervalului de încredere indică precizia ridicată a măsurătorilor valorilor rezistenței ohmice.
Rezistența ohmică a unei celule de combustie (Ohm) cu plăci colectoare de curent din titan neacoperit, titan acoperit electrochimic cu N1, Au și titan dopat cu ioni C+, în funcție de polarizarea celulei de combustie
Tensiune TE eșantion, mV
Titan neacoperit 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
Astfel, s-a dovedit că atât placarea cu aur, cât și aliajul cu carbon de titan BP reduc rezistența la contact cu HDD-urile din carbon. Acoperirea plachetelor cu aur se dovedește a fi puțin mai avantajoasă din punct de vedere al caracteristicilor electrice decât prelucrarea lor prin implantare ionică.
Toate cele de mai sus sugerează că atât una, cât și cealaltă dintre tehnologiile luate în considerare pot fi utilizate pentru prelucrarea titanului BP.
BIBLIOGRAFIE
1. Middelman E., Kout W, Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de, //J. Surse de putere. 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. // Jurnal. Ros. chimic. despre ele. D. I. Mendeleev. 2006. Vol. 1, Nr. 6. S.83-94.
3. S.-Wang H, Peng J., Lui W.-B., Zhang J.-S. // J. Surse de energie. 2006. Vol.162. P.486-491.
4. Davies D.P., Adcock P.L., Turpin M., Rowen S.J., J. Appl. Electrochimie. 2000. Vol.30. P.101-105.
5. E. I. Shkolnikov, M. S. Vlaskin, A. S. Ilyukhin și A. B. Tarasenko, Elektrokhim. energie. 2007. V.7, nr 4 S. 175-182.
6. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Iljukhin A.S., Zhuk A.Z., Sheindlin A.E. // J. Surse de energie. 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. Implantarea ionică în semiconductori și alte materiale: Sat. Artă. M.: Mir, 1980.
9. Pleshivtsev N.V., Bazhin A.I. Fizica impactului fasciculelor de ioni asupra materialelor. M.: Vuzovskaya kniga, 1998.
10. Implantarea ionică. Moscova: Metalurgie, 1985.
11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027 / 24, H01J003 / 04 / Mashkovtsev BN. Metodă de producere a fasciculului de ioni și a unui dispozitiv pentru implementarea acestuia.
12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2/00, A61L2/14 / Kharitonov V.P., Chinenov A.A., Simakov A.I., Samkov A.V. Dispozitiv pentru prelucrarea cu fascicul de ioni a produselor de echipamente medicale.
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. Valva cardiacă artificială și metoda de fabricare a acesteia.
14. Cooper K.R., Ramani V., Fenton J.M., Kunz H.R. Metode experimentale și analize de date pentru celulele de combustibil cu electroliți polimerici, Scribner Associates, Inc., Illinois, 2005. 122 p.
15. Laboratorul Naţional de Tehnologie Energetică. Fuel Cell Hand Book, ediția a șasea, G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, Virginia de Vest, 2002. 352 p.
Electrozi SOFC produși la Institutul de Fizică Solid State RAS: verde - anod și negru - catod. Pilele de combustibil sunt amplasate pe plăci bipolare pentru bateriile SOFC
Un prieten de-al meu a vizitat recent Antarctica. O excursie amuzanta! ea a spus afaceri de călătorie este la fel de dezvoltat pentru a aduce călătorul la locul respectiv și a-l lăsa să se bucure de măreția aspră a regiunii polare, fără să înghețe până la moarte. Și acest lucru nu este atât de ușor pe cât ar părea - chiar și luând în considerare tehnologii moderne: electricitatea și căldura în Antarctica își merită greutatea în aur. Judecăți singuri, generatoarele diesel obișnuite poluează zăpada virgină și necesită livrare un numar mare combustibilul și sursele regenerabile de energie nu sunt încă foarte eficiente. De exemplu, la stația muzeului populară printre turiștii antarctici, toată energia este generată de puterea vântului și a soarelui, dar este răcoare în interiorul muzeului, iar patru îngrijitori fac dușuri exclusiv pe navele care aduc oaspeți la ei.
Problemele cu o sursă de alimentare constantă și neîntreruptă sunt familiare nu numai exploratorilor polari, ci și oricăror producători și oameni care trăiesc în zone îndepărtate.
Acestea pot fi rezolvate prin noi moduri de stocare și generare a energiei, printre care sursele de curent chimic par cele mai promițătoare. În aceste mini-reactoare, energia transformărilor chimice direct, fără transformare în căldură, este transformată în electricitate. Astfel, pierderile și, în consecință, consumul de combustibil sunt reduse drastic.
Reacții diferite pot avea loc în sursele de energie chimică și fiecare are propriile avantaje și dezavantaje: unele se epuizează rapid, altele pot funcționa doar în anumite condiții, de exemplu, temperaturi ultra-înalte, sau pe un combustibil strict definit, cum ar fi ca hidrogen pur. Un grup de oameni de știință de la Institutul de fizică a stării solide al Academiei Ruse de Științe (ISSP RAS), condus de Serghei Bredikhin a făcut un pariu pe așa-numita pilă de combustibil cu oxid solid (SOFC). Oamenii de știință sunt încrezători că, cu abordarea corectă, va putea înlocui generatoarele ineficiente din Arctica. Proiectul lor a fost susținut în cadrul Programului țintă federal „Cercetare și dezvoltare pentru 2014-2020”.
Sergey Bredikhin, șeful proiectului FTP „Dezvoltarea unei tehnologii scalabile de laborator pentru fabricarea SOFC-urilor plane și conceptul de a crea pe baza acestora centrale electrice pentru diverse scopuri și structuri, inclusiv cele hibride, cu fabricarea și testarea unui mic- eșantion experimentale la scară a unei centrale electrice cu o capacitate de 500 - 2000 W"
Fără zgomot și praf, dar cu retur complet
Astăzi, lupta în industria energetică este pentru o producție de energie utilă: oamenii de știință luptă pentru fiecare procent de eficiență. Generatoarele care funcționează pe principiul arderii interne pe combustibili cu hidrocarburi - păcură, cărbune, gaz natural (cel din urmă tip de combustibil este cel mai ecologic) sunt utilizate pe scară largă. Pierderile în timpul utilizării lor sunt semnificative: chiar și cu optimizarea maximă, eficiența unor astfel de instalații nu depășește 45%. În același timp, în timpul funcționării lor, se formează oxizi de azot (NOx), care, atunci când interacționează cu apa din atmosferă, se transformă în acizi destul de agresivi.
Baterie SOFC sub sarcină mecanică
Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) nu au aceste „efecte secundare”. Astfel de instalații au o eficiență de peste 50% (și aceasta este doar în ceea ce privește producția de energie electrică, iar ținând cont de puterea termică, eficiența poate ajunge la 85-90%) și nu emit compuși periculoși în atmosferă.
„Aceasta este o tehnologie foarte importantă pentru Arctica sau Siberia, unde mediul și problemele legate de livrarea combustibilului sunt deosebit de importante. Deoarece SOFC-urile consumă de câteva ori mai puțin combustibil, a explicat Sergey Bredikhin. „Trebuie să lucreze non-stop, așa că sunt potriviți să lucreze la o stație polară sau un aerodrom din nord.”
Cu un consum relativ redus de combustibil, o astfel de instalație funcționează și fără întreținere până la 3-4 ani. „Generatorul diesel, care este acum cel mai folosit, necesită un schimb de ulei la fiecare mie de ore. Și SOFC lucrează 10-20 de mii de ore fără întreținere”, a subliniat Dmitri Agarkov, cercetător junior la ISSP.
De la idee la baterie
Principiul de funcționare al SOFC este destul de simplu. Sunt o „baterie” în care sunt asamblate mai multe straturi de celule de combustibil cu oxid solid. Fiecare element are un anod și un catod, combustibilul îi este furnizat din partea anodului și aerul este furnizat din partea catodului. Este de remarcat faptul că cel mai potrivit pentru SOFC tipuri diferite combustibili de la hidrogen pur la monoxid de carbonși diverși compuși de hidrocarburi. Ca urmare a reacțiilor care au loc la anod și catod, oxigenul și combustibilul sunt consumate și se creează un curent ionic între electrozi. Când o baterie este încorporată într-un circuit electric, curentul începe să circule în acel circuit.
Simularea pe computer a distribuției curenților și a câmpurilor de temperatură într-o baterie de SOFC-uri de dimensiunea 100×100 mm.
O caracteristică neplăcută a funcționării SOFC este nevoia de temperaturi ridicate. De exemplu, o probă colectată la Institutul de Fizică a Solidelor, Academia Rusă de Științe, funcționează la 850°C. Să se încălzească Temperatura de Operare, generatorul are nevoie de aproximativ 10 ore, dar apoi va funcționa câțiva ani.
Celulele de oxid solid dezvoltate la Institutul de Fizică a Solid Statelor RAS vor produce până la doi kilowați de energie electrică, în funcție de dimensiunea plăcii de combustibil și de numărul acestor plăci din baterie. Au fost deja asamblate și testate mici machete de baterii de 50 de wați.
O atenție deosebită trebuie acordată plăcilor în sine. O placă este formată din șapte straturi, fiecare dintre ele având propria sa funcție. Două straturi de pe catod și anod catalizează reacția și lasă electronii să treacă, stratul ceramic dintre ele izolează medii diferite (aer și combustibil), dar permite trecerea ionilor de oxigen încărcați. În același timp, membrana în sine trebuie să fie suficient de puternică (ceramica de această grosime se deteriorează foarte ușor), așa că ea însăși constă din trei straturi: cel central asigură necesarul proprietăți fizice- conductivitate ionică ridicată, - și straturile suplimentare depuse pe ambele părți dau rezistență mecanică. Cu toate acestea, o celulă de combustibil este foarte subțire - nu mai mult de 200 de microni grosime.
Straturi SOFC
Dar o singură pilă de combustibil nu este suficientă - întregul sistem trebuie plasat într-un recipient rezistent la căldură, care va rezista la funcționare timp de câțiva ani la o temperatură de 850 ° C. Apropo, ca parte a proiectului, pentru a proteja elementele structurale metalice, oamenii de știință de la Institutul de fizică a stării solide al Academiei Ruse de Științe folosesc acoperiri dezvoltate în cursul unui alt proiect.
„Când am început acest proiect, ne-am confruntat cu faptul că nu avem nimic în țara noastră: fără materii prime, fără adezivi, fără etanșanți”, a spus Bredikhin. „Trebuia să facem totul. Am făcut simulări, exersate pe celule de combustie mici sub formă de pastile. Ne-am dat seama ce ar trebui să fie în ceea ce privește compoziția și configurația și cum ar trebui să fie amplasate.”
În plus, trebuie luat în considerare faptul că pila de combustie funcționează într-un mediu cu temperatură ridicată. Aceasta înseamnă că este necesar să se asigure etanșeitatea, să se verifice că la temperatura țintă materialele nu vor reacționa între ele. O sarcină importantă a fost „sincronizarea” expansiunii tuturor elementelor, deoarece fiecare material are propriul coeficient liniar de dilatare termică, iar dacă ceva nu este coordonat, contactele se pot îndepărta, etanșanții și adezivii se pot rupe. Cercetătorii au primit un brevet pentru fabricarea acestui element.
În drum spre implementare
Acesta este probabil motivul pentru care grupul Bredikhin de la Institutul de Fizică a Solidelor a construit un întreg sistem de pregătire pas cu pas a materialelor mai întâi, apoi a plăcilor și, în final, a pilelor de combustie și a generatoarelor. Pe lângă această aripă aplicată, există și o direcție care se ocupă de știința fundamentală.
În interiorul zidurilor Institutului de Fizică a Solidelor se efectuează un control riguros al calității fiecărui lot de celule de combustie.
Partenerul principal în acest proiect este Centrul de Cercetare de Stat Krylov, care acționează ca dezvoltator principal al centralei electrice, inclusiv dezvoltarea documentației necesare de proiectare și fabricarea hardware-ului la uzina sa pilot. O parte din muncă este realizată de alte organizații. De exemplu, o membrană ceramică care separă catodul și anodul este produsă de compania NEVZ-Ceramics din Novosibirsk.
Apropo, participarea centrului de construcții navale la proiect nu este întâmplătoare. Submarinele și dronele subacvatice pot deveni un alt domeniu promițător al aplicației SOFC. Și pentru ei este extrem de important cât timp pot fi complet offline.
Partenerul industrial al proiectului, Fundația Energie fără Frontiere, poate organiza producția de loturi mici de generatoare de doi kilowați pe baza Krylovsky. centru științific, dar oamenii de știință speră la o extindere semnificativă a producției. Potrivit dezvoltatorilor, energia primită în generatorul SOFC este competitivă chiar și pentru uz casnic în colțurile îndepărtate ale Rusiei. Costul unui kWh pentru ei este de așteptat să fie de aproximativ 25 de ruble, iar cu costul actual al energiei în Yakutia de până la 100 de ruble pe kWh, un astfel de generator arată foarte atractiv. Piața a fost deja pregătită, Serghei Bredikhin este sigur, principalul lucru este să aveți timp să vă dovediți.
Între timp, companiile străine introduc deja generatoare bazate pe SOFC. Liderul în această direcție este American Bloom Energy, care produce instalații de 100 de kilowați pentru centrele de calcul puternice ale unor companii precum Google, Bank of America și Walmart.
Beneficiul practic este clar - centrele de date uriașe alimentate de astfel de generatoare ar trebui să fie independente de întreruperile de curent. Dar, în plus, marile firme caută să mențină imaginea companiilor progresiste cărora le pasă mediu inconjurator.
Numai în Statele Unite, dezvoltarea unor astfel de tehnologii „verzi” este supusă plăților mari de stat - până la 3.000 de dolari pentru fiecare kilowatt de putere generată, ceea ce reprezintă de sute de ori mai mult decât finanțarea proiectelor rusești.
În Rusia, există o altă zonă în care utilizarea generatoarelor SOFC pare foarte promițătoare - aceasta este protecția catodică a conductelor. În primul rând, vorbim despre conductele de gaz și petrol care se întind pe sute de kilometri prin peisajul pustiu al Siberiei. S-a stabilit că atunci când tensiunea este aplicată unei țevi metalice, aceasta este mai puțin susceptibilă la coroziune. Acum stațiile de protecție catodică funcționează pe termogeneratoare, care trebuie monitorizate constant și a căror eficiență este de doar 2%. Singurul lor avantaj este costul lor scăzut, dar dacă te uiți la termen lung, țineți cont de costul combustibilului (și sunt alimentați de conținutul conductei), iar acest „merit” al lor pare neconvingător. Cu ajutorul stațiilor bazate pe generatoare SOFC, este posibil să se organizeze nu numai o alimentare neîntreruptă cu tensiune a conductei, ci și transportul de energie electrică pentru sondaje de telemetrie ... Ei spun că Rusia fără știință este o conductă. Se dovedește că și această țeavă fără știință și noi tehnologii este o țeavă.
Proprietarii brevetului RU 2577860:
Invenția se referă la o metodă de protecție împotriva oxidării plăcilor bipolare ale pilelor de combustie și colectoarelor de curent ale electrolizoarelor cu un electrolit polimer solid (SPE), care constă în pretratament substrat metalic, aplicarea unui strat conductiv electric de metale nobile pe substratul metalic tratat prin pulverizare cu ioni de magnetron. Metoda se caracterizează prin faptul că pe substratul tratat este aplicată în straturi o acoperire conductivă electric, fiecare strat fiind fixat prin implantare în impulsuri de ioni de oxigen sau un gaz inert. Rezultatul tehnic este de a obține o acoperire stabilă cu o durată de viață de 4 ori mai mare decât cea obținută de prototip și care păstrează proprietățile conductoare. 7 w.p. f-ly, 3 ill., 1 tab., 16 pr.,
Domeniul tehnic
Invenția se referă la domeniul surselor chimice de curent și în special la metode de realizare a acoperirilor de protecție pentru colectoarele de curent metalice (în cazul electrolizoarelor) și plăci bipolare (în cazul pilelor de combustie - FC) cu un electrolit polimer solid ( SPE). În timpul electrolizei, colectoarele de curent, de obicei fabricate din titan poros, sunt expuse în mod constant la medii agresive de oxigen, ozon, hidrogen, ceea ce duce la formarea de pelicule de oxid pe colectorul de curent de oxigen (anod), ca urmare, rezistența electrică crește, conductivitatea electrică şi performanţa scad.electrolizor. Pe colectorul de hidrogen (catodul) curentului, ca urmare a hidrogenării suprafeței titanului poros, are loc fisurarea prin coroziune. Lucrând în condiții atât de dure, cu umiditate constantă, colectoarele de curent și plăcile bipolare au nevoie de protecție fiabilă împotriva coroziunii.
Principalele cerințe pentru acoperirile de protecție împotriva coroziunii sunt rezistența de contact electrică scăzută, conductivitate electrică ridicată, rezistență mecanică bună, aplicare uniformă pe întreaga suprafață pentru a crea contact electric, costul scăzut al materialelor și costurile de producție.
Pentru instalațiile cu TPE, cel mai important criteriu este rezistența chimică a acoperirii, imposibilitatea folosirii metalelor care modifică gradul de oxidare în timpul funcționării și se evaporă, ceea ce duce la otrăvirea membranei și a catalizatorului.
Având în vedere toate aceste cerințe, Pt, Pd, Ir și aliajele lor au proprietăți de protecție ideale.
De ultimă oră
În prezent sunt multe cunoscute diferite căi crearea de acoperiri de protectie - recuperare galvanica si termica, implantare ionica, depunere fizica de vapori (metode de pulverizare PVD), depunere chimica de vapori (metode de pulverizare CVD).
O metodă pentru protejarea substraturilor metalice este cunoscută din stadiul tehnicii (brevetul U.S. Nr. 6.887.613 pentru o invenţie, publicat pe 3 mai 2005). Stratul de oxid, care pasivează suprafața, a fost îndepărtat preliminar de pe suprafața metalului prin gravare chimică sau tratament mecanic. Pe suprafața substratului a fost aplicat un strat de polimer, amestecat cu particule conductoare de aur, platină, paladiu, nichel etc. Polimerul este selectat în funcție de compatibilitatea sa cu substratul metalic - rășini epoxidice, siliconi, polifenoli, fluorocopolimeri etc. Acoperirea a fost aplicată ca o peliculă subțire folosind depunerea electroforetică; perie; pulverizat sub formă de pulbere. Acoperirea are bune proprietăți anticorozive.
Dezavantajul acestei metode este rezistența electrică ridicată a stratului datorită prezenței componentei polimerice.
Din stadiul tehnicii este cunoscută o metodă de protecție (a se vedea brevetul US Nr. 7632592 pentru invenție, publ. 15/12/2009), care propune crearea unei acoperiri anticoroziune pe plăcile bipolare folosind un procedeu cinetic (la rece). de pulbere de pulbere de platină, paladiu, rodiu, ruteniu și aliajele acestora. Pulverizarea a fost efectuată cu un pistol folosind un gaz comprimat, cum ar fi heliul, care este introdus în pistol la presiune ridicată. Viteza de mișcare a particulelor de pulbere este de 500-1500 m/s. Particulele accelerate rămân într-o stare solidă și relativ rece. În acest proces, oxidarea și topirea lor nu au loc, grosimea medie a stratului este de 10 nm. Aderența particulelor la substrat depinde de o cantitate suficientă de energie - cu energie insuficientă, se observă o aderență slabă a particulelor, la energii foarte mari, are loc deformarea particulelor și a substratului, creând grad înalt incalzire locala.
O metodă pentru protejarea substraturilor metalice este cunoscută din stadiul tehnicii (a se vedea brevetul US Nr. 7700212 pentru invenţie, publicaţia 20.04.2010). Suprafața substratului a fost rugoasă preliminar pentru a îmbunătăți aderența la materialul de acoperire. S-au aplicat două straturi de acoperire: 1 - oțel inoxidabil, grosimea stratului de la 0,1 μm la 2 μm, 2 - strat de acoperire din aur, platină, paladiu, ruteniu, rodiu și aliajele acestora, cu grosimea nu mai mare de 10 nm. Straturile au fost aplicate prin pulverizare termică, cu ajutorul unui pistol, din duza de pulverizare din care a fost ejectat un flux de particule topite, care au format o legătură chimică cu suprafața metalică, fiind posibilă și acoperirea prin metoda PVD (depunerea fizică în vapori). Prezența unui strat reduce viteza de coroziune și reduce costurile de producție, cu toate acestea, prezența acestuia duce și la un dezavantaj - se formează un strat pasiv de oxid de crom din oțel inoxidabil, ceea ce duce la o creștere semnificativă a rezistenței de contact a anti- acoperire împotriva coroziunii.
Din stadiul tehnicii este cunoscută o metodă de protecție (a se vedea brevetul US nr. 7803476 pentru invenție, publ. 28.09.2010), în care se propune realizarea de acoperiri ultra-subțiri din metalul nobil Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir și aliajele lor, grosimea acoperirii este de la 2 la 10 nm, de preferință chiar un strat monoatomic cu o grosime de 0,3 la 0,5 nm (grosime egală cu diametrul atomului de acoperire). Anterior, pe placa bipolară a fost aplicat un strat de nemetal cu porozitate bună - cărbune, grafit amestecat cu un polimer sau un metal - aluminiu, titan, oțel inoxidabil. Acoperirile metalice au fost aplicate prin pulverizare cu fascicul de electroni, depunere electrochimică și pulverizare cu ioni de magnetron.
Avantajele acestei metode includ: eliminarea etapei de gravare a substratului pentru îndepărtarea oxizilor, rezistență scăzută la contact, cost minim.
Dezavantaje - în cazul unui strat nemetalic, rezistența de contact electrică crește din cauza diferențelor de energii de suprafață și a altor interacțiuni moleculare și fizice; este posibil să se amestece primul și al doilea strat, ca urmare, pe suprafață pot apărea metale nenobile supuse oxidării.
O metodă pentru protejarea unui substrat metalic este cunoscută din stadiul tehnicii (a se vedea brevetul US nr. 7150918 pentru o invenție, publicat la 19 decembrie 2006), incluzând: prelucrarea unui substrat metalic pentru a îndepărta oxizii de pe suprafața sa, aplicarea unei coroziuni conductoare electric -acoperire metalică rezistentă a metalelor nobile, aplicând o acoperire polimerică rezistentă la coroziune conductoare electric.
Dezavantajul acestei metode este rezistența electrică ridicată în prezența unei cantități semnificative de polimer de liant, în cazul unei cantități insuficiente de polimer de liant, particulele de funingine conductoare electric sunt spălate de pe acoperirea polimerului.
Metoda din stadiul tehnicii de protejare a plăcilor bipolare și a colectoarelor de curent împotriva coroziunii este un prototip (a se vedea brevetul US nr. 8785080 pentru invenție, publicat în 22.07.2014), incluzând:
Tratarea substratului în apă deionizată clocotită sau tratament termic la o temperatură de peste 400°C sau înmuiere în apă deionizată clocotită pentru a forma un strat de oxid pasiv cu o grosime de 0,5 nm până la 30 nm,
Depunerea unui strat de metal conductiv electric (Pt, Ru, Ir) pe un strat de oxid pasiv cu o grosime de la 0,1 nm la 50 nm. Acoperirea a fost aplicată prin pulverizare cu ioni de magnetron, evaporare cu fascicul de electroni sau depunere de ioni.
Prezența unui strat de oxid pasiv crește rezistența la coroziune a învelișului metalic, totuși, și duce la dezavantaje - un strat de oxid neconductiv înrăutățește brusc proprietățile conductoare ale acoperirilor.
Dezvăluirea invenției
Rezultatul tehnic al invenției revendicate este de a crește rezistența acoperirii la oxidare, de a crește rezistența la coroziune și de durata de viață și de a menține proprietățile conductoare inerente metalului neoxidat.
Rezultatul tehnic este atins prin faptul că metoda de protecție împotriva oxidării plăcilor bipolare ale pilelor de combustie și colectoarelor de curent ale electrolizoarelor cu un electrolit polimer solid (SPE) constă în faptul că substratul metalic este pretratat, un conductiv electric. acoperirea cu metale nobile este aplicată pe substratul metalic tratat prin pulverizare cu ioni de magnetron, în acest caz, învelișul conductiv electric este aplicat în straturi, fiecare strat fiind fixat prin implantare în impulsuri de ioni de oxigen sau un gaz inert.
De preferință, platina, sau paladiu, sau iridiu, sau un amestec al acestora, este utilizată ca metale nobile. Implantarea ionică pulsată se realizează cu o scădere treptată a energiei ionice și a dozei. Grosimea totală a acoperirii este de la 1 la 500 nm. Straturile depuse succesiv au o grosime de la 1 la 50 nm. Gazul inert utilizat este argon, sau neon, sau xenon, sau cripton. Energia ionilor implantați este de la 2 la 15 keV, iar doza ionilor implantați este de până la 10 15 ioni/cm2.
Scurta descriere desene
Caracteristicile și esența invenției revendicate sunt explicate în următoarea descriere detaliată, ilustrată prin desene și un tabel, unde sunt prezentate următoarele.
în fig. 1 - distribuția atomilor de platină și titan deplasați ca urmare a implantării argonului (calculat prin programul SRIM).
în fig. 2 - o tăietură a unui substrat de titan cu platină pulverizată înainte de implantarea argonului, unde
1 - substrat de titan;
2 - un strat de platină;
3 - pori în stratul de platină.
în fig. 3 - o tăietură a unui substrat de titan cu platină pulverizată după implantarea cu argon, unde:
1 - substrat de titan;
4 - strat intermediar de titan-platină;
5 - acoperire cu platină.
Tabelul prezintă caracteristicile tuturor exemplelor de implementare a invenției revendicate și a prototipului.
Implementare și exemple ale invenției
Metoda pulverizării catodic magnetron-ion se bazează pe un proces bazat pe formarea unei plasme inelare deasupra suprafeței catodului (țintei) ca urmare a ciocnirii electronilor cu moleculele de gaz (de obicei argon). Ionii de gaz pozitivi formați în descărcare, atunci când un potențial negativ este aplicat substratului, sunt accelerați într-un câmp electric și elimină atomii (sau ionii) materialului țintă, care se depun pe suprafața substratului, formând un film pe acesta. suprafaţă.
Avantajele metodei de pulverizare cu magnetron-ion sunt:
Viteză mare de pulverizare a substanței depuse la tensiuni scăzute de funcționare (400-800 V) și la presiuni scăzute ale gazului de lucru (5·10 -1 -10 Pa);
Posibilitatea de reglare într-o gamă largă de viteze de dispersie și depunere a substanței pulverizate;
Grad scăzut de contaminare a straturilor depuse;
Posibilitatea pulverizării simultane a țintelor din diferite materiale și, ca urmare, posibilitatea obținerii de acoperiri cu compoziție complexă (multicomponentă).
Ușurință relativă de implementare;
Cost scăzut;
Ușurință de scalare.
În același timp, acoperirea rezultată se caracterizează prin prezența porozității, are o rezistență scăzută și o aderență insuficientă la materialul substratului datorită energiei cinetice scăzute a atomilor (ionilor) pulverizați, care este de aproximativ 1-20 eV. Un astfel de nivel de energie nu permite pătrunderea atomilor materialului depus în straturile apropiate de suprafață ale materialului substrat și crearea unui strat intermediar cu o afinitate mare pentru substrat și materialul de acoperire, rezistență ridicată la coroziune și relativ scăzută. rezistență chiar și cu formarea unei pelicule de suprafață de oxid.
În cadrul invenției revendicate, sarcina de a crește rezistența și de a menține proprietățile conductoare ale electrozilor și acoperirilor de protecție ale materialelor structurale este rezolvată prin expunerea acoperirii și substratului la un flux de ioni accelerați care mișcă materialul de acoperire și substrat la nivelul nivel atomic, conducând la întrepătrunderea substratului și a materialului de acoperire, având ca rezultat estomparea interfeței dintre acoperire și substrat cu formarea unei faze de compoziție intermediară.
Tipul de ioni accelerați și energia lor sunt selectate în funcție de materialul de acoperire, grosimea acestuia și materialul substratului, astfel încât să provoace mișcarea stratului de acoperire și a atomilor de substrat și amestecarea acestora la limita de fază cu pulverizare minimă a acoperirii. material. Selecția se face folosind calcule adecvate.
în fig. În figura 1 sunt prezentate datele calculate privind deplasarea atomilor unui înveliș format din platină de 50 A grosime și atomi ai unui substrat format din titan sub acțiunea ionilor de argon cu o energie de 10 keV. Ionii cu o energie mai mică la nivelul de 1-2 keV nu ating limita de fază și nu vor asigura amestecarea eficientă a atomilor pentru un astfel de sistem la limita de fază. Cu toate acestea, la energii de peste 10 keV, are loc o pulverizare semnificativă a stratului de platină, care afectează negativ durata de viață a produsului.
Astfel, în cazul unei acoperiri cu un singur strat de grosime mare și energie mare necesară pentru ca ionii implantați să pătrundă până la limita de fază, atomii de acoperire sunt pulverizați și se pierd metale prețioase; substraturi și acoperiri și crește rezistența acoperirii. Cu toate acestea, o grosime de acoperire atât de mică (1–10 nm) nu asigură o durată lungă de viață a produsului. Pentru a crește rezistența acoperirii, durata de viață a acestuia și pentru a reduce pierderile în timpul pulverizării, implantarea ionică în impulsuri este efectuată cu strat cu strat (grosimea fiecărui strat este de 1-50 nm) cu o scădere treptată a ionului. energie și doză. Reducerea energiei și a dozei face posibilă eliminarea practic a pierderilor în timpul pulverizării, dar face posibilă asigurarea aderenței necesare a straturilor depuse la substrat, pe care a fost deja depus același metal (fără separare de fază) crește uniformitatea acestora. . Toate acestea contribuie și la creșterea resursei. Trebuie remarcat faptul că filmele cu grosimea de 1 nm nu asigură o creștere semnificativă (necesară pentru colectorii actuali) a duratei de viață a produsului, iar metoda propusă crește semnificativ costul acestora. Filmele cu o grosime mai mare de 500 nm ar trebui, de asemenea, considerate neprofitabile din punct de vedere economic, deoarece consumul de metale din grupa platinei crește semnificativ, iar resursa produsului în ansamblu (celula) începe să fie limitată de alți factori.
Atunci când straturile de acoperire sunt aplicate în mod repetat, tratamentul cu ioni de energie mai mare este recomandabil numai după depunerea primului strat cu o grosime de 1-10 nm, iar la prelucrarea straturilor ulterioare de până la 10-50 nm grosime, ionii de argon cu o energie de 3-5 keV. sunt suficiente pentru a le compacta. Implantarea ionilor de oxigen în timpul depunerii primelor straturi de acoperire, împreună cu soluționarea problemelor de mai sus, face posibilă crearea unui film de oxid rezistent la coroziune pe suprafața dopată cu atomi de acoperire.
Exemplul 1 (prototip).
Mostre de folie de titan marca VT1-0 cu o suprafață de 1 cm 2 , 0,1 mm grosime și titan poros marca TPP-7 cu o suprafață de 7 cm 2 sunt introduse într-un cuptor și păstrate la o temperatură de 450° C timp de 20 de minute.
Probele sunt prinse alternativ într-un cadru și plasate într-un suport special de probă al unității de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă de platină detașabilă. Camera este închisă. Pompa mecanică este pornită și aerul este evacuat din cameră la o presiune de ~10 -2 Torr. Camerele blochează evacuarea aerului și deschid evacuarea pompei de difuzie și pornesc încălzirea acesteia. După aproximativ 30 de minute, pompa de difuzie intră în modul de funcționare. Camera este evacuată prin pompa de difuzie. După atingerea unei presiuni de 6×10 -5 Torr, deschideți intrarea de argon în cameră. Scurgerea a stabilit presiunea argonului 3×10 -3 Torr. Prin creșterea lină a tensiunii la catod, descărcarea este aprinsă, puterea de descărcare este setată la 100 W și se aplică tensiunea de polarizare. Deschideți obturatorul dintre țintă și suport și începeți să numărați timpul de procesare. În timpul procesării, presiunea din cameră și curentul de descărcare sunt controlate. După 10 minute de tratament, descărcarea este oprită, rotația este oprită și alimentarea cu argon este întreruptă. După 30 de minute, pomparea din cameră este blocată. Încălzirea pompei de difuzie este oprită, iar după ce s-a răcit, pompa mecanică este oprită. Camera este deschisă în atmosferă și rama cu proba este îndepărtată. Grosimea acoperirii depuse a fost de 40 nm.
Materialele acoperite rezultate pot fi utilizate în celule electrochimice, în primul rând în electrolizoare cu un electrolit polimer solid, ca materiale catodice și anodice (colectori de curent, plăci bipolare). Materialele anodice cauzează cele mai multe probleme (oxidare intensă); prin urmare, testele de viață au fost efectuate atunci când au fost utilizate ca anozi (adică la un potențial pozitiv).
Un cablu de curent este sudat pe proba obținută de folie de titan prin sudare în puncte și plasat ca electrod de testare într-o celulă cu trei electrozi. Folia de Pt cu o suprafață de 10 cm 2 este utilizată ca contraelectrod, iar un electrod standard de clorură de argint conectat la celulă printr-un capilar este folosit ca electrod de referință. Electrolitul folosit este o soluție de 1M H 2 SO 4 în apă. Măsurătorile sunt efectuate folosind un dispozitiv AZRIVK 10-0.05A-6 V (fabricat de LLC „Buster”, Sankt Petersburg) în mod galvanostatic, adică electrodului studiat se aplică un potențial de curent continuu pozitiv, care este necesar pentru a obține o valoare a curentului de 50 mA. Testul constă în măsurarea modificării potenţialului necesară pentru a atinge un anumit curent în timp. Dacă potențialul depășește valoarea de 3,2 V, resursa electrodului este considerată epuizată. Proba rezultată are o resursă de 2 ore și 15 minute.
Exemplele 2-16 de implementare a invenţiei revendicate.
Mostre de folie de titan marca VT1-0 cu o suprafață de 1 cm 2 , 0,1 mm grosime și titan poros marca TPP-7 zonă de 7 cm 2 fierte în alcool izopropilic timp de 15 minute. Apoi alcoolul este scurs și probele sunt fierte de 2 ori timp de 15 minute în apă deionizată cu schimbări de apă între fierbe. Probele sunt încălzite într-o soluție de acid clorhidric 15% la 70°C și menținute la această temperatură timp de 20 de minute. Acidul este apoi scurs și probele sunt fierte de 3 ori timp de 20 de minute în apă deionizată cu schimbări de apă între fierbe.
Probele sunt plasate alternativ într-o unitate de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă de platină și se aplică un strat de platină. Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 420 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,86 Pa. Pentru 15 minute de depunere se obține o acoperire cu grosimea de 60 nm. Acoperirea rezultată este expusă fluxului de ioni de argon prin metoda implantării ionilor pulsați cu plasmă.
Implantarea se realizează într-un flux ionic de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV, o energie medie de 5 keV. Doza în timpul expunerii a fost de 2*1014 ioni/cm2. Vederea în secțiune a acoperirii după implantare este prezentată în Fig. 3.
Proba rezultată este testată într-o celulă cu trei electrozi, procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 1. Proba rezultată are o resursă de 4 ore. Pentru comparație, datele privind resursa foliei de titan cu filmul inițial de platină pulverizat (60 nm) fără implantare de argon este de 1 oră.
Exemplele 3-7.
Procesul este similar cu cel din exemplul 2, dar doza de implantare, energia ionică și grosimea acoperirii sunt variate. Doza de implantare, energia ionică, grosimea acoperirii, precum și durata de viață a probelor obținute sunt prezentate în Tabelul 1.
Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele cu o grosime a stratului depus de până la 15 nm sunt procesate într-un flux de cripton cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 6*1014 ioni/cm 2 . Proba rezultată are o resursă de 1 oră 20 de minute. Conform microscopia electronică, grosimea stratului de platină a fost redusă la o valoare de 0–4 nm, dar s-a format un strat de titan cu atomi de platină încorporați în el.
Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele cu o grosime a stratului depus de 10 nm sunt procesate într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 6*10 14 ioni/cm2 . După depunerea celui de-al doilea strat cu o grosime de 10 nm, procesarea se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2, iar apoi depunerea se repetă de 4 ori. cu grosimea unui nou strat de 15 nm, iar fiecare strat ulterior este procesat într-un flux de ioni argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*10 13 ion/cm 2 . Proba rezultată are o resursă de 8 ore 55 minute.
Exemplul 10
Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele cu o grosime a stratului depus de 10 nm sunt tratate într-un flux de ioni de oxigen cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2 . După depunerea celui de-al doilea strat cu o grosime de 10 nm, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5 keV și o doză de 1*10 14 ion/cm 2 , iar apoi depunerea se repetă de 4 ori cu un nou grosimea stratului de 15 nm, fiecare strat ulterior fiind tratat într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică de 5 keV și o doză de 8 * 10 13 ion / cm 2 (astfel încât să nu existe pulverizare!). Proba rezultată are o resursă de 9 ore și 10 minute.
Exemplul 11.
Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele sunt plasate în unitatea de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă de iridiu și se aplică o acoperire cu iridiu. Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 440 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,71 Pa. Viteza de depunere asigură formarea unei acoperiri cu o grosime de 60 nm în 18 minute. Acoperirea rezultată este expusă fluxului de ioni de argon prin metoda implantării ionilor pulsați cu plasmă.
Probele cu o grosime a primului strat depus de 10 nm sunt tratate într-un flux ionic de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*1014 ioni/cm2. După depunerea celui de-al doilea strat cu o grosime de 10 nm, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5-10 keV și o doză de 2 * 10 14 ioni / cm 2, apoi depunerea se repetă. De 4 ori cu grosimea unui nou strat de 15 nm, fiecare strat ulterior este procesat într-un curent de ioni de argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*1013 ioni/cm2. Proba rezultată are o resursă de 8 ore 35 minute.
Exemplul 12.
Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele sunt plasate într-o instalație de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă realizată dintr-un aliaj de platină cu iridiu (aliaj Pli-30 conform GOST 13498-79 ), se aplică un strat format din platină și iridiu. Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 440 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,69 Pa. Viteza de depunere asigură formarea unei acoperiri cu o grosime de 60 nm în 18 minute. Acoperirea rezultată este expusă fluxului de ioni de argon prin metoda implantării ionilor pulsați cu plasmă.
Probele cu grosimea stratului depus de 10 nm sunt tratate într-un flux ionic de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm 2 , iar apoi depunerea se repetă de 5 ori cu o nouă grosime a stratului. de 10 nm. După aplicarea celui de-al doilea strat, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5-10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2, iar fiecare strat ulterior este tratat într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*10 13 ion/cm2. Proba rezultată are o resursă de 8 ore și 45 de minute.
Exemplul 13
Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin aceea că probele sunt plasate în unitatea de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă de paladiu și se aplică o acoperire cu paladiu. Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 420 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,92 Pa. Pentru 17 minute de depunere se obține o acoperire cu grosimea de 60 nm. Probele cu grosimea primului strat depus de 10 nm sunt tratate într-un flux ionic de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*1014 ioni/cm2. După depunerea celui de-al doilea strat cu o grosime de 10 nm, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5-10 keV și o doză de 2 * 10 14 ioni / cm 2, apoi depunerea se repetă. De 4 ori cu grosimea unui nou strat de 15 nm, fiecare strat ulterior este procesat într-un curent de ioni de argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*1013 ioni/cm2. Proba rezultată are o resursă de 3 ore și 20 de minute.
Exemplul 14
Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 2 și diferă prin faptul că probele sunt plasate în instalația de pulverizare cu ioni magnetron MIR-1 cu o țintă constând din platină, inclusiv 30% carbon, și se aplică o acoperire constând din platină și carbon. . Curentul magnetronului este de 0,1 A, tensiunea magnetronului este de 420 V, gazul este argon cu o presiune reziduală de 0,92 Pa. Pentru 20 de minute de depunere se obține o acoperire cu grosimea de 80 nm. Probele cu grosimea stratului depus de 60 nm sunt tratate într-un flux ionic de argon cu o energie ionică maximă de 10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm 2 , iar apoi depunerea se repetă de 5 ori cu o nouă grosime a stratului. de 10 nm. După aplicarea celui de-al doilea strat, tratamentul se efectuează într-un flux de ioni de argon cu o energie de 5-10 keV și o doză de 2*10 14 ioni/cm2, iar fiecare strat ulterior este tratat într-un flux de ioni de argon cu o energie ionică de 3 keV și o doză de 8*10 13 ion/cm2. Proba rezultată are o resursă de 4 ore și 30 de minute.
Exemplul 15
Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 9 și diferă prin aceea că sunt depuse 13 straturi, grosimea primului și celui de-al doilea este de 30 nm, a celui de-al doilea 50 nm, energia ionică este redusă succesiv de la 15 la 3 keV, doza de implantare. este de la 5 10 14 la 8 10 13 ion/cm2. Proba rezultată are o resursă de 8 ore și 50 de minute.
Exemplul 16
Procesul este similar cu cel prezentat în exemplul 9 și diferă prin aceea că grosimea primului strat este de 30 nm, următoarele șase straturi sunt de 50 nm fiecare, doza de implantare este de la 2·10 14 la 8.10 13 ion/cm 2 . Proba rezultată are o resursă de 9 ore 05 minute.
Astfel, metoda revendicată de protejare a plăcilor FC bipolare și a colectoarelor de curent ale electrolizoarelor TPE de oxidare face posibilă obținerea unei acoperiri stabile cu o durată de viață de 4 ori mai mare decât cea obținută conform prototipului și păstrând proprietățile conductoare.
1. O metodă de protejare a plăcilor bipolare ale pilelor de combustie și a colectoarelor de curent ale electrolizoarelor cu un electrolit polimer solid (SPE) de oxidare, care constă în pretratarea unui substrat metalic, aplicarea unui strat conductiv electric de metale nobile pe substratul metalic tratat prin magnetron pulverizare ionică, caracterizată prin aceea că este aplicată pe substratul tratat strat cu strat de acoperire electric conductoare cu fixarea fiecărui strat prin implantare în impulsuri de ioni de oxigen sau gaz inert.
2. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, ca metale nobile, se utilizează platina, sau paladiu sau iridiu sau un amestec al acestora.
3. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că implantarea ionică pulsată se realizează cu o scădere treptată a energiei ionice şi a dozei.
4. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că grosimea totală a acoperirii este de la 1 la 500 nm.
5. Procedeu de protecţie conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că straturile depuse succesiv au o grosime de la 1 la 50 nm.
6. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că argonul, sau neonul, sau xenonul, sau criptonul este utilizat ca gaz inert.
7. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că energia ionilor implantaţi este de la 2 la 15 keV.
8. Metodă de protecţie conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că doza de ioni implantaţi este de până la 1015 ioni/cm2.
Brevete similare:
Invenția se referă la domeniul ingineriei electrice, și anume la o baterie de celule de combustibil tubulare cu oxid solid (SOFC), care include cel puțin două ansambluri tubulare de celule de combustibil cu oxid solid, cel puțin un colector de curent comun și un suport pentru susținerea unei secțiuni de ansambluri de pile de combustie și un colector de curent comun în legătură cu acestea cu o potrivire exactă, în timp ce coeficientul de dilatare termică al suportului este mai mic sau egal cu coeficientul de dilatare termică a ansamblurilor de pile de combustie.
Invenţia se referă la membrane polimerice pentru pile de combustibil polimerice la temperaturi joase sau înalte. O membrană polimerică conducătoare de protoni pe bază de complex polielectrolitic constând din: a) un polimer care conține azot, cum ar fi poli-(4-vinilpiridina) și derivații săi obținuți prin alchilare, poli-(2-vinilpiridina) și derivații săi obținuți prin alchilare , polietilenimină, poli(2-dimetilamino)etilmetacrilat)clorură de metil, poli(2-dimetilamino)etilmetacrilat)bromură de metil, clorură de poli(dialildimetilamoniu), bromură de poli(dialildimetilamoniu), b) Nafion sau alt polimer asemănător Nafion selectat din grup , inclusiv Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta și rășini schimbătoare de ioni care conțin grupări carboxil și sulfonice; c) un amestec lichid care cuprinde un solvent selectat din grupul constând din metanol, alcool etilic, alcool n-propilic, alcool izopropilic, alcool n-butilic, alcool izobutilic, alcool terţ-butilic, formamide, acetamide, dimetil sulfoxid, N-metilpirolidonă , precum și apă distilată și amestecuri ale acestora; în care raportul molar dintre polimerul care conține azot și polimerul Nafion sau Nafion-like este în intervalul 10-0,001.
Invenția se referă la domeniul ingineriei electrice, și anume la obținerea unei pelicule de oxid de electrolit cu o grosime proporțională cu dimensiunea porilor materialului electrodului, într-un mod mai simplu și mai avansat tehnologic și, de asemenea, mai economic decât plasma ionică.
Invenţia furnizează un mediu de difuzie a gazului pentru celulele de combustie care are permeabilitate scăzută la aer în plan şi proprietăţi bune de drenaj şi este capabil să prezinte performanţe ridicate ale celulei de combustie pe un domeniu larg de temperatură de la temperaturi scăzute la temperaturi ridicate.
Invenţia se referă la domeniul ingineriei electrice şi, în special, la o metodă de fabricare a unui electrod catalitic al unei unităţi membrană-electrod, în principal pentru pile de combustibil cu hidrogen şi metanol.
Invenția se referă la domeniul ingineriei electrice și poate fi utilizată în pile de combustie. Placa de celule de combustibil bipolară include placa, un spațiu de curgere a fluidului format pe ambele părți ale plăcii, o grilă de ghidare a fluidului instalată în spațiul de curgere a fluidului. Placa este formată cu un canal de intrare conectat la spațiul de curgere a fluidului și un canal de ieșire conectat la spațiul de curgere a fluidului. Placa bipolară este realizată folosind o anumită matriță și o prelucrare adecvată. Rezultatul este o distribuție mai uniformă a fluxurilor și o reducere a rezistenței la fluxurile de combustibil și aer care curg în electrodul de combustibil și, respectiv, electrodul de aer al celulei de combustibil. În plus, aria de reacție cu ansamblul electrodului cu membrană și zona de difuzie poate fi mărită, iar fabricarea poate fi simplificată și facilitată, 6N. și 14 z.p. f-ly, 16 bolnavi.
Domeniul tehnic
Invenția se referă la o pilă de combustie și, în special, la o placă de pile de combustibil bipolară și la o metodă de fabricare a unei astfel de plăci capabile să confere o distribuție uniformă a fluxului, reducând rezistența la fluxurile de combustibil și aer care curg în electrodul de combustibil și electrodul de aer al celula de combustibil, respectiv, simplificarea fabricării acesteia.
De ultimă oră
Celula de combustibil produce în general energie ecologică și a fost concepută pentru a înlocui energia tradițională din combustibili fosili. După cum se arată în fig.1, celula de combustie include o stivă 100 pentru a fi combinată cu cel puţin o singură celulă 101 în care are loc o reacţie electrochimică; o conductă de alimentare cu combustibil 200 conectată la stiva 100 astfel încât să furnizeze combustibil; o conductă de alimentare cu aer 300 conectată la stiva 100 astfel încât să furnizeze aer; şi conducte de evacuare 400, 500 pentru evacuarea produselor secundare ale reacţiei combustibilului în curs şi respectiv aerului. Celula unitară 101 include un electrod de combustibil (anod) (nefigurat) căruia i se alimentează combustibil; şi un electrod de aer (catod) (nefigurat) căruia i se alimentează aer.
Mai întâi, combustibilul și aerul sunt furnizate electrodului de combustibil și electrodului de aer al stivei 100 prin conducta de alimentare cu combustibil 200 și, respectiv, conducta de alimentare cu aer 300. Combustibilul furnizat electrodului de combustibil este ionizat în ioni pozitivi și electroni (e-) printr-o reacție de oxidare electrochimică la electrodul de combustibil, ionii pozitivi ionizați se deplasează prin electrolit către electrodul de aer, iar electronii se deplasează către electrodul de combustibil. Ionii pozitivi transferați la electrodul de aer intră într-o reacție electrochimică de reducere cu aerul furnizat electrodului de aer și generează produse secundare, cum ar fi căldura de reacție și apa etc. În acest proces, mișcarea electronilor generează electricitate. Combustibilul după reacția la electrodul de combustibil, precum și apa și produsele secundare suplimentare generate la electrodul de aer sunt evacuate prin conductele de evacuare 400, respectiv 500.
Pilele de combustie pot fi clasificate în diferite tipuri în funcție de electrolitul și combustibilul folosit în ele etc.
Între timp, după cum se arată în fig.2, unitatea 101 care constituie pachetul 100 include două plăci bipolare 10 având un pasaj deschis 11 prin care curge aer sau combustibil; şi un ansamblu membrană-electrod (MEA, din engleză "membrane electrode assembly" sau MEA) 20, plasat între aceste două plăci bipolare 10 astfel încât să aibă o anumită grosime şi zonă. Două plăci bipolare 10 și MEU 20 plasate între ele sunt combinate între ele prin intermediul mijloacelor suplimentare 30, 31 ale asociației. Canalul format din canalul 11 al plăcii bipolare 10 și partea laterală a MED 20 constituie electrodul de combustibil, iar atunci când combustibilul curge prin acest canal al electrodului de combustibil, are loc o reacție de oxidare. În plus, canalul format din canalul 11 al celeilalte plăci bipolare 10 și cealaltă parte a MED 20 constituie un electrod de aer, iar atunci când aerul curge prin acest canal al electrodului de aer, are loc o reacție de reducere.
Forma plăcii bipolare 10, în special forma canalului 11, afectează rezistența de contact furnizată de fluxul de combustibil și aer și distribuția fluxurilor și altele asemenea, iar rezistența de contact și distribuția fluxurilor afectează puterea. ieșire (eficiență energetică). În plus, plăcile bipolare 10 au o anumită formă adecvată pentru a facilita procesul și producția de masă.
Aşa cum se arată în Fig. 3, placa bipolară convenţională este prevăzută cu găuri de trecere 13, 14, 15, 16, respectiv, pe fiecare margine a plăcii 12 având o anumită grosime şi o formă dreptunghiulară.
în plus, mai multe canale 11 sunt formate pe partea laterală a plăcii 12, astfel încât să conecteze orificiul traversant 13 la orificiul traversant 16 situat în diagonală. Aceste canale 11 sunt în formă de zig-zag. După cum se arată în figura 4, în secțiunea transversală a canalului 11, acest canal 11 are o anumită lățime și grosime și o latură deschisă. Pe cealaltă parte a plăcii 12, numeroase canale 11 sunt formate astfel încât să conecteze două orificii traversante dispuse diagonal 14, 16, aceste canale 11 având aceeași formă ca și canalele formate pe partea opusă.
În continuare se descrie funcționarea unei plăci bipolare convenționale. Mai întâi, combustibilul și aerul curg în orificiile de trecere 13, respectiv 14, iar combustibilul și aerul care trec prin orificiile de trecere 13, 14 curg în canalele 11. Combustibilul sau aerul din canalele 11 curge în zig-zag de-a lungul canalele 11 și este evacuată în exterior prin orificiile de trecere 15, 16. În acest proces, în MED 20 (prezentat în FIG. 2) în care curge combustibil, are loc o reacție de oxidare și, simultan, are loc o reacție de reducere în MED. în care curge aerul.
Totuşi, în cazul unei plăci bipolare convenţionale, deoarece canalele 11 sunt formate în zig-zag, curgerea poate fi distribuită uniform doar într-o anumită măsură. Mai mult, deoarece canalele prin care fluxul de combustibil și aer sunt complexe și lungi, rezistența la curgere crește și deci pierderea de presiune pentru a crea fluxul de combustibil și aer crește. În plus, deoarece procesul de fabricație este complex și greoi, costul de producție este ridicat.
Esența tehnică a prezentei invenții
Pentru a rezolva problemele descrise mai sus, un obiect al prezentei invenții este acela de a furniza o placă bipolară pentru celule de combustie și o metodă de fabricare a unei astfel de plăci capabile să confere o distribuție uniformă a fluxului, reducând rezistența la fluxul de combustibil și, respectiv, de aer, în electrodul de combustibil și electrodul de aer al celulei de combustibil și simplificați producția acestuia.
Pentru a atinge obiectivele de mai sus, placa de pile de combustibil bipolară include o placă având o anumită grosime și zonă; un spațiu de curgere a fluidului format pe ambele părți ale acestei plăci astfel încât să aibă o anumită lățime, lungime și adâncime; o grilă de ghidare a fluidului instalată în spațiul de curgere a fluidului astfel încât să aibă o anumită formă; un orificiu de intrare format pe placă pentru a fi conectat la spațiul de curgere a fluidului și pentru a primi fluidul; şi un orificiu de ieşire format pe placă astfel încât să fie conectat la spaţiul de curgere a fluidului şi să descarce fluidul.
În plus, metoda de fabricare a unei plăci cu celule de combustie bipolară include fabricarea unei matrițe pentru prelucrarea plăcii, pe care se formează un spațiu de curgere a fluidului având o anumită zonă și adâncime pe ambele părți, iar un canal intern este format dintr-o grilă de susținere care iese în afară. în formă de grilă.din spațiul de curgere a fluidului; formarea unei farfurii cu această matriță; prelucrarea plăcii cu implementarea orificiului de admisie astfel încât să permită intrarea curgerii fluidului în spațiul de curgere a fluidului având o grilă de susținere; și prelucrarea plăcii pentru a forma o ieșire astfel încât să permită curgerii să curgă din spațiul de curgere a fluidului.
În plus, placa de pile de combustibil bipolară include o placă având o anumită grosime și zonă; o zonă de canal având proeminențe de rețea lângă mai multe șanțuri de zăbrele formate de-a lungul unei anumite zone a ambelor părți ale plăcii; un canal de intrare format pe partea laterală a plăcii astfel încât să fie conectat cu fantele de rețea din zona canalului și să primească fluidul; şi un canal de evacuare format pe partea laterală a plăcii astfel încât să evacueze fluidul care trece prin fantele reţelei ale zonei canalului.
în plus, metoda de fabricare a unei plăci de celule de combustibil bipolară include fabricarea unei plăci având o anumită grosime şi zonă; performanţă prelucrare pentru formarea fantelor de zăbrele lângă proeminențele rețelei formate pe ambele părți ale plăcii; și prelucrarea plăcii pentru a forma o intrare și o ieșire, astfel încât acestea să fie conectate la fantele rețelei.
În plus, placa de pile de combustie bipolară include o placă având o anumită grosime și zonă, în care pe ambele părți la mijloc se formează prin presare mai multe canale compuse din multiple urcușuri și coborâșuri, astfel încât acestea să aibă o anumită lățime și lungime; și un element de etanșare, respectiv atașat la conturul ambelor părți ale plăcii astfel încât să formeze canale interne, împreună cu canalele plăcii, un canal de intrare și un canal de evacuare prin care fluidul curge în și din aceste canale.
În plus, metoda de fabricare a unei plăci de celule de combustie bipolară include tăierea plăcii astfel încât să aibă o anumită dimensiune; presarea ambelor părți ale plăcii tăiate astfel încât să se formeze canale multiple prin care curge fluidul; și combinarea elementului de etanșare cu conturul plăcii prelucrate prin presare.
Scurtă descriere a desenelor
Desenele însoțitoare, care sunt incluse pentru a oferi o mai bună înțelegere a invenției, fac parte și fac parte din această specificație, ilustrează exemple de realizare ale invenției și, împreună cu descrierea, servesc la explicarea principiilor invenției.
Pe aceste desene:
Fig. 1 ilustrează un sistem convenţional de celule de combustibil;
Fig. 2 este o vedere în perspectivă explodată care ilustrează o parte a unei stive de celule de combustibil convenţionale;
Fig. 3 este o vedere plană care ilustrează o placă bipolară a unei celule de combustibil convenţionale;
Fig. 4 este o vedere în secţiune de-a lungul liniei A-B din Fig. 3;
Fig. 5 este o vedere plană care ilustrează o primă variantă de realizare a unei plăci de pile de combustibil bipolare conform prezentei invenţii;
Fig. 6 este o vedere în perspectivă explodată care ilustrează o porţiune a unei plăci de pile de combustie bipolară conform unui prim exemplu de realizare a prezentei invenţii;
7 este o diagramă de flux care ilustrează o primă variantă de realizare a unei metode de fabricare a unei plăci de celule de combustie bipolară conform prezentei invenţii;
Fig. 8 este o vedere în perspectivă explodată care ilustrează stiva de plăci bipolare a celulei de combustie conform primului exemplu de realizare a prezentei invenţii;
Fig. 9 este o vedere în plan care ilustrează o stare de funcţionare a plăcii de pile de combustie bipolară conform primului exemplu de realizare a prezentei invenţii;
10 şi 11 sunt vederi în secţiune de sus şi din faţă ilustrând o a doua variantă de realizare a unei plăci de pile de combustibil bipolare în conformitate cu prezenta invenţie;
12 este o organigramă care ilustrează o a doua variantă de realizare a unei metode de fabricare a unei plăci de celule de combustie bipolară conform prezentei invenţii;
Fig. 13 este o vedere în plan care ilustrează o stare de funcţionare a plăcii de pile de combustie bipolară conform celei de-a doua aplicaţii concrete a prezentei invenţii;
14 şi 15 sunt vederi în secţiune de sus şi faţă care ilustrează o a treia variantă de realizare a unei plăci de pile de combustibil bipolare conform prezentei invenţii; și
16 este o organigramă care ilustrează un al treilea exemplu de realizare a unei metode de fabricare a unei plăci de celule de combustibil bipolară conform prezentei invenţii.
Mai întâi, va fi descrisă o primă variantă de realizare a plăcii de pile de combustibil bipolare conform prezentei invenţii.
Fig. 5 este o vedere plană care ilustrează o primă variantă de realizare a unei plăci de pile de combustie bipolară conform prezentei invenții, iar Fig. 6 este o vedere în perspectivă explodată care ilustrează o porțiune a unei plăci de pile de combustibil bipolare conform unei prime variante de realizare a prezentei invenții. . .
Aşa cum este prezentat în fig.5 şi 6, o primă variantă de realizare a unei plăci de pile de combustibil bipolare conform prezentei invenţii include o placă 40 având o anumită grosime şi zonă; un spaţiu de curgere a fluidului 41 format pe ambele părţi ale plăcii 40 astfel încât să aibă o anumită lăţime, lungime şi adâncime; o grilă de direcţie a fluidului 42 instalată în spaţiul de curgere a fluidului 41 astfel încât să aibă o anumită formă; un orificiu de admisie 43 format pe placa 40 conectat la spaţiul de curgere a fluidului 41 pentru introducerea fluidului; şi un orificiu de ieşire 44 format pe placa 40 conectat la spaţiul de curgere a fluidului 41 pentru a descărca fluidul.
Placa 40 are o formă dreptunghiulară și o anumită grosime, un spațiu de curgere a fluidului 41 este format respectiv pe ambele părți ale plăcii dreptunghiulare 40 și are o formă dreptunghiulară și o anumită adâncime. Placa 40 este realizată dintr-un material din oțel inoxidabil. Placa 40 și spațiul de curgere a fluidului 41 pot avea alte forme decât dreptunghiulare.
Rețeaua de direcție a fluidului 42 are o formă dreptunghiulară mai mică decât spațiul de curgere a fluidului 41, astfel încât să poată fi introdusă în spațiul de curgere a fluidului 41 al plăcii 40 și are o grosime care nu este mai mare decât adâncimea spațiului de curgere a fluidului 41.
Orificiul de intrare 43 este format ca cel puțin un orificiu traversant și este format pe o parte a plăcii 40. Orificiul de evacuare 43 este realizat ca cel puțin un orificiu traversant și este format pe partea opusă orificiului de intrare 43, astfel încât să fie diagonală față de această intrare 43.
7 este o diagramă de flux care ilustrează o primă variantă de realizare a unei metode de fabricare a unei plăci de celule de combustie bipolară în conformitate cu prezenta invenţie.
Așa cum se arată în figura 7, în primul exemplu de realizare a metodei de fabricare a unei plăci de pile de combustie bipolare conform prezentei invenții, se formează o matriță pentru prelucrarea plăcii, pe care se formează un spațiu de curgere a fluidului având o anumită zonă și adâncime. pe ambele părți și a format o grilă care iese în spațiul de curgere al mediului fluid. După aceea, placa este prelucrată folosind această matriță. În același timp, un spațiu dreptunghiular de curgere a fluidului având o anumită adâncime este format în placă pe ambele părți ale plăcii dreptunghiulare având o anumită adâncime și se formează o grilă în spațiul de curgere a fluidului astfel încât să formeze un canal. Această plasă poate fi formată în diferite forme.
Apoi, placa este prelucrată pentru a forma un orificiu de admisie, astfel încât să permită fluxului de fluid să curgă în spațiul de curgere a fluidului cu plasă, și procesată pentru a forma o ieșire, astfel încât să permită curgerii să curgă din spațiul de curgere a fluidului. Canalul de intrare și respectiv canalul de evacuare sunt realizate sub forma a cel puțin unui orificiu traversant sau canal deschis.
În primul rând, plăcile de celule de combustibil bipolare sunt stivuite. Mai detaliat, așa cum se arată în Fig. 8, MEA (M) sunt plasate între plăcile bipolare (BP) și sunt combinate între ele prin intermediul unei combinații (nereprezentată). În acest caz, spațiul de curgere a fluidului 41 format pe partea plăcii bipolare (BP), grila de direcție a fluidului 42 formată în spațiul de curgere a fluidului 41 și partea laterală a MED (M) formează o cale (canal) prin pe care curge combustibilul. Cealaltă parte a MEA (M), spațiul de curgere a fluidului 41 format pe partea celeilalte plăci bipolare (BP) în fața primei plăci bipolare (BP) și grila de direcție a fluidului 42 formată în spațiul de curgere a fluidului 41 sunt traseu format (canal) prin care curge aerul.
Cu această structură, atunci când combustibilul este alimentat la admisia 43 a plăcii bipolare (BP), așa cum este prezentat în FIG.9, combustibilul din orificiul de admisie 43 curge în spațiul de curgere a fluidului 41. Mai mult, combustibilul din spațiul de curgere a fluidului 41 este împrăștiat (distribuit) în spațiul de curgere a fluidului 41 de către grila de ghidare a fluidului 42 plasată în spațiul de curgere a fluidului 41 și apoi combustibilul este evacuat în exterior prin orificiul de evacuare 44.
În acest proces, grila de ghidare a fluidului 42 din spațiul de curgere a fluidului 41 îndeplinește nu numai o funcție de ghidare prin distribuirea uniformă a combustibilului în spațiul de curgere a fluidului 41, ci și o funcție de „difuzie” (funcția de difuzie) prin controlul corespunzător a densității curgerii. . În acest caz, distribuția și presiunea pot fi ajustate în funcție de dimensiunea „celulelor” rețelei 42 din direcția fluidului. Între timp, datorită formării rețelei de direcție a fluidului 42 sub forma unei rețele, aria de contact cu MED (M) în contact cu placa bipolară (BP) este relativ redusă și, în consecință, aria de contact efectivă a combustibilul și MED (M) sunt crescute.
În plus, aerul trece prin același proces descris mai sus.
în cazul metodei de fabricare a unei plăci de celule de combustie bipolară conform primului exemplu de realizare a prezentei invenţii, prin fabricarea plăcii cu o matriţă, aceasta poate fi produsă cu uşurinţă în masă. Mai detaliat, prin fabricarea plăcii grilajului de susținere și realizarea admisiei și ieșirii, placa bipolară poate fi fabricată simplu și ușor.
10 şi 11 sunt vederi în secţiune de sus şi din faţă ilustrând un al doilea exemplu de realizare a unei plăci de pile de combustibil bipolare în conformitate cu prezenta invenţie.
După cum se arată în fig.10 şi 11, placa de pile de combustibil bipolară conform celei de-a doua aplicaţii a invenţiei include o placă 50 având o anumită grosime şi zonă; o zonă de canal 53 având proeminențe de rețea 52 adiacente mai multor șanțuri de rețea 51 formate de-a lungul unei anumite zone a ambelor laturi ale plăcii 50; un orificiu de admisie 54 format pe o parte a plăcii 50 astfel încât să fie conectat la fantele de zăbrele 51 ale zonei de trecere a fluidului 53; și un canal de evacuare 55 format pe această parte a plăcii 50, astfel încât să evacueze fluidul care trece prin fantele de rețea 51 ale zonei canalului 53.
Placa 50 are o formă dreptunghiulară și o anumită grosime. Regiunea de canal 53 este respectiv formată pe ambele părţi ale plăcii 50 astfel încât să aibă o formă dreptunghiulară. Placa 50 și regiunea canalului 53 pot fi formate în diferite forme, altele decât o formă dreptunghiulară.
Proeminențele de rețea 52 sunt formate sub forma unui con dreptunghiular, iar fiecare canelură de zăbrele 51 este formată între aceste proeminențe de rețea 52 sub forma unui con dreptunghiular. Proeminenţa zăbrelei 52 poate fi formată astfel încât să aibă forma unui con triunghiular.
Proeminenţele de zăbrele 52 sunt dispuse într-o manieră regulată (la intervale regulate). Într-o modificare, proeminenţele reţelei 52 pot fi plasate într-o manieră neregulată.
Orificiul de intrare 54 și orificiul de evacuare 55, respectiv, sunt formate pe o parte a plăcii 50 având formă deschisă, cu lățime și adâncime definite. în plus, orificiul de intrare 54 şi orificiul de ieşire 55 pot fi, respectiv, formate ca cel puţin un orificiu traversant.
Placa pilei de combustie bipolară conform celui de-al doilea exemplu de realizare a prezentei invenţii este realizată din oţel inoxidabil.
12 este o organigramă care ilustrează un al doilea exemplu de realizare a unei metode de fabricare a unei plăci de pile de combustie bipolară conform prezentei invenţii.
Aşa cum se arată în fig.12, în metoda de fabricare a unei plăci de pile de combustie bipolară conform celei de-a doua variante de realizare a prezentei invenţii, prima etapă este fabricarea unei plăci având o anumită grosime şi zonă. O a doua etapă este apoi efectuată sub formă de prelucrare pentru a forma fantele de zăbrele lângă proeminențele rețelei de pe ambele părți ale plăcii. Această a doua etapă include sub-etapele de crestare a ambelor părți ale plăcii pentru a forma proeminențe de rețea; și șlefuirea ambelor părți crestate ale plăcii. Proeminențele de zăbrele formate de crestătură au forma unui con dreptunghiular, dar pot fi formate în alte forme decât conul dreptunghiular. Prin moletare, se formează fante de zăbrele printre proeminențele rețelei, în care fantele de zăbrele formează canale prin care curge fluidul. Efectuând șlefuirea, este posibilă îndepărtarea bavurilor generate de crestătură și prelucrarea capetelor ascuțite (vârfurile) ale proeminențelor rețelei astfel încât acestea să fie tocite.
În cele din urmă, al treilea pas este de a prelucra placa pentru a forma o intrare și o ieșire, astfel încât acestea să fie conectate la fantele de zăbrele.
Plăcile de celule de combustibil bipolare sunt asamblate într-un pachet. În acest caz, zona canalului 53 formată pe o parte a plăcii bipolare (BP) și partea MEU (M) formează o cale (canal) prin care curge combustibilul. Cealaltă parte a MED (M) și partea celeilalte plăci bipolare (BP) care se confruntă cu prima placă bipolară (BP) formează o cale (canal) prin care curge aerul.
Cu acest design, atunci când combustibilul este alimentat la pasajul de intrare 54 al plăcii bipolare (BP), așa cum este prezentat în canalele din fig.53, și apoi acest combustibil este descărcat în exterior prin canalul de evacuare 55.
În acest proces, datorită formei mici și uniforme a unei astfel de rețele formate de fantele de rețea 51 formate de proeminențele de rețea 52 din regiunea canalului 53, fluidul poate fi nu numai distribuit uniform, ci și disipat. În același timp, datorită proeminențelor de rețea 52 formate în regiunea 53 a canalului, aria de contact a plăcii bipolare (BP) și a MEA (M) este relativ redusă, iar aria de contact efectivă a combustibilul și MEA (M) este crescută.
În plus, aerul trece prin același proces descris mai sus.
În cazul metodei de fabricare a unei plăci de pile de combustie bipolare conform celei de-a doua aplicații a prezentei invenții, prin prelucrarea unei plăci dreptunghiulare având o anumită grosime pe ambele părți pentru a forma o intrare și o ieșire cu o rolă etc., fabricarea este simplă și rapidă.
14 şi 15 sunt vederi în secţiune de sus şi din faţă care ilustrează o a treia variantă de realizare a unei plăci de pile de combustibil bipolare în conformitate cu prezenta invenţie.
Așa cum se arată în figurile 14 și 15, placa de pile de combustie bipolară conform celui de-al treilea exemplu de realizare a prezentei invenții include o placă 60 având o anumită grosime și zonă în care, pe ambele părți în mijloc, canale multiple 61 compuse din numeroase ascensiuni. și coborâri, astfel încât să aibă o anumită lățime și lungime; și un element de etanșare 65, respectiv atașat la conturul ambelor părți ale plăcii 60 astfel încât să formeze canale 62a, 62b, 62c împreună cu canalele 61 ale plăcii 60, o intrare 63 și o ieșire 64 prin care curge fluidul în și afară.
Placa 60 este realizată sub forma unei plăci metalice dreptunghiulare, iar canalele 61 sunt formate într-o anumită zonă interioară a acestei plăci metalice dreptunghiulare. Când placa 60 este presată, canalele 61 sunt, respectiv, formate pe ambele părți ale plăcii 60, iar canalele 61 au aceeași adâncime.
Elementul de etanșare 65 are o formă dreptunghiulară și o anumită lățime și are aceeași grosime ca înălțimea ridicătorilor canalului 61 și are aceeași dimensiune ca și placa 60. Înălțimea ridicărilor canalului 61 este aproximativ 2,5 mm.
O intrare 63 prin care curge fluidul este formată pe o parte a elementului de etanșare 65 și o ieșire 64 este formată pentru a fi opusă orificiului de intrare 63.
Canalul interior format de elementul de etanşare 65 include un canal tampon de intrare 62a pentru distribuirea fluidului prin canalele 61 ale plăcii 60; un canal tampon de evacuare 62b pentru a permite fluidului care trece prin canalele 61 ale plăcii 60 să curgă în canalul de evacuare 64; şi un canal de conectare 62c pentru conectarea canalului tampon de intrare 62a şi canalului tampon de ieşire 62b.
16 este o organigramă care ilustrează un al treilea exemplu de realizare a unei metode de fabricare a unei plăci de celule de combustibil bipolară conform prezentei invenţii.
Așa cum se arată în fig.16, în metoda de fabricare a unei plăci de pile de combustie bipolare conform celei de-a treia variante de realizare a prezentei invenții, prima etapă este obținerea unei plăci 60 prin tăierea unei plăci de metal având o anumită grosime și zonă conform unei o anumită dimensiune, iar a doua etapă constă în presarea plăcii 60 astfel încât să se formeze canale multiple 61 pe ambele părţi ale plăcii 60. Placa metalică 60 are o formă dreptunghiulară.
Canalele 61 ale plăcii 60 sunt realizate drepte și au o anumită lungime, iar înălțimea ridicărilor canalelor 61 este aceeași. Canalul 61 al plăcii 60 poate avea diferite forme în secţiune transversală, cum ar fi o formă de undă sau o formă dreptunghiulară.
Al treilea pas este combinarea elementului de etanșare 65 cu conturul plăcii formate prin presare 60. Elementul de etanșare 65 este format într-un distanțier dreptunghiular având o anumită lățime și grosime, iar acest element de etanșare 65 este combinat cu conturul placa 60 astfel încât să înconjoare regiunea interioară a plăcii 60 şi, prin urmare, să formeze canale 62a, 62b, 62c. O intrare 63 și o ieșire 64 sunt formate pe elementul de etanșare 65. Orificiul de intrare 63 și orificiul de evacuare 64 pot fi formate prin tăierea unei porțiuni a elementului de etanșare 65.
Aşa cum este descris mai sus în primul exemplu de realizare a prezentei invenţii, pachetul de celule de combustie este asamblat. În același timp, prin ridicarea canalului drept 61 format pe partea plăcii bipolare (BP) și pe partea MEU (M), se formează o cale (canal) de-a lungul căreia curge combustibilul. Cealaltă parte a MED (M) și pantele canalelor drepte 61 formate pe partea celeilalte plăci bipolare (BP) îndreptată spre prima placă bipolară (BP) formează o cale (canal) prin care curge aerul.
Cu acest design, atunci când combustibilul este alimentat la orificiul de intrare 63 al plăcii bipolare (BP), combustibilul din orificiul de admisie 63 curge de-a lungul acestei căi, și anume prin orificiul tampon de admisie 62a, orificiul de conectare 62c, orificiul 61 și orificiul de ieșire. portul tampon 62b. După aceea, combustibilul este evacuat în exterior prin orificiul de evacuare 64. În plus, aerul curge prin același proces ca cel descris mai sus.
În plus, în prezenta invenţie, prin fabricarea plăcii metalice prin prelucrare prin presare, fabricarea este simplă şi rapidă. În plus, prin reducerea grosimii plăcii bipolare, dimensiunea și greutatea pachetului pot fi reduse.
Aplicabilitate industrială
Așa cum s-a descris mai sus, în cazul plăcii de pile de combustie bipolare și al metodei de fabricare a acesteia conform prezentei invenții, prin uniformizarea fluxurilor de combustibil și de aer care curg în electrodul de combustibil și respectiv electrodul de aer al celulei de combustie uniforme, crescând eficienta zona de reacție cu MEA și creșterea puterii de ieșire a zonei de difuzie (ieșire de energie) poate fi mărită. Prin reducerea rezistenței la fluxul de combustibil și aer, se poate reduce pierderea de presiune care generează fluxul de combustibil și aer, adică. forta de pompare. În plus, prin simplificarea și facilitarea producției, costurile de producție pot fi reduse foarte mult și, prin urmare, este posibilă producția de masă.
1. Placă de pile de combustibil bipolară, care conține o placă având o anumită grosime și zonă; un spațiu de curgere a fluidului format pe ambele părți ale acestei plăci, spațiul de curgere a fluidului fiind configurat să aibă o anumită lățime, lungime și adâncime; o grilă de ghidare a fluidului instalată în spațiul de curgere a fluidului, grila de ghidare a fluidului având o anumită formă; un orificiu de intrare format pe placa conectat la spaţiul de curgere a fluidului pentru introducerea fluidului; şi un orificiu de ieşire format pe placă conectat la spaţiul de curgere a fluidului pentru a descărca fluidul.
2. Placă bipolară conform revendicării 1, în care spaţiul de curgere a fluidului este format astfel încât să aibă o formă dreptunghiulară, iar grila de ghidare a fluidului are o formă dreptunghiulară nu mai mare decât dimensiunea spaţiului de curgere a fluidului.
3. Placă bipolară conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că grila de ghidare a fluidului are o grosime care nu este mai mare decât adâncimea spaţiului de curgere a fluidului.
4. Placă bipolară conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că orificiul de intrare şi orificiul de ieşire sunt formate ca cel puţin un orificiu traversant şi sunt formate pe partea laterală a plăcii.
5. Placă bipolară conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că intrarea și ieșirea sunt diagonale una față de cealaltă.
6. Placa bipolara conform revendicării 1, placa fiind realizata dintr-un material din otel inoxidabil.
7. O metodă de fabricare a unei plăci de celule de combustie bipolară, incluzând fabricarea unei matrițe pentru prelucrarea plăcii, pe care este format un spațiu de curgere a fluidului având o anumită zonă și adâncime pe ambele părți și o rețea de fluid care iese în spațiul de curgere a fluidului este formata; realizarea unei farfurii folosind această matriță; prelucrarea plăcii pentru a asigura un orificiu de admisie pentru ca fluidul să curgă în spațiul de curgere a fluidului plasat; și prelucrarea plăcii pentru a asigura un pasaj de evacuare pentru ca fluidul să curgă din spațiul de curgere a fluidului.
8. Placă de pile de combustibil bipolară, care conține o placă având o anumită grosime și zonă; o zonă de canal având proeminențe de rețea lângă mai multe șanțuri de zăbrele formate de-a lungul unei anumite zone a ambelor părți ale plăcii; un orificiu de admisie format pe o parte a plăcii conectată la fantele de zăbrele pentru introducerea unui fluid; şi un orificiu de evacuare format pe o parte a plăcii conectată la fantele de grilă pentru a descărca fluidul în fantele de grilă.
9. Placă bipolară conform revendicării 8, caracterizată prin aceea că proeminenţa reţelei (10) este formată într-o formă de con dreptunghiulară.
10. Placă bipolară conform revendicării 8, caracterizată prin aceea că proeminenţele reţelei sunt formate la intervale regulate.
11. Placă bipolară conform revendicării 8, caracterizată prin aceea că orificiul de intrare şi respectiv orificiul de ieşire sunt formate pe partea laterală a plăcii într-o formă deschisă cu o anumită lăţime şi adâncime.
12. Placa bipolara conform revendicării 8, placa fiind realizata dintr-un material din otel inoxidabil.
13. O metodă de fabricare a unei plăci de celule de combustibil bipolare, inclusiv fabricarea unei plăci având o anumită grosime și zonă; efectuarea de prelucrare pentru a forma fante de zăbrele lângă proeminențe de zăbrele formate pe ambele părți ale plăcii; și prelucrarea plăcii cu canalul de intrare și canalul de ieșire conectat la canelurile rețelei.
14. Procedeu conform revendicării 13, în care etapa de prelucrare include sub-etape: crestături pe ambele părţi ale plăcii pentru a forma proeminenţe de zăbrele; și șlefuirea ambelor părți crestate ale plăcii.
15. Placă de pile de combustie bipolară, cuprinzând: o placă având o anumită grosime și zonă, în care, pe ambele părți la mijloc, prin presare se formează numeroase canale, constând în numeroase urcări și coborâri astfel încât să aibă o anumită lățime și lungime; și un element de etanșare, respectiv atașat la conturul ambelor părți ale plăcii astfel încât să formeze canale interne, împreună cu canalele plăcii, o intrare și o ieșire prin care fluidul curge în și din canale.
16. Placă bipolară conform revendicării 15, în care canalele interne includ un canal tampon de intrare pentru distribuirea fluidului prin canalele plăcii; un canal tampon de evacuare pentru a permite fluidului care trece prin canalele plăcii să curgă în canalul de evacuare; şi un canal de conectare pentru conectarea canalului tampon de intrare şi canalului tampon de ieşire.
17. O metodă de fabricare a unei plăci de celule de combustibil bipolare, inclusiv tăierea plăcii astfel încât să aibă o anumită dimensiune; presă prelucrarea ambelor părți ale plăcii tăiate astfel încât să formeze canale multiple prin care curge fluidul; și combinarea elementului de etanșare cu conturul plăcii prelucrate prin presare.
18. Procedeu conform revendicării 17, caracterizat prin aceea că, în timpul etapei de presare, ridicările formate de canale sunt prelucrate astfel încât acestea să aibă aceeași înălțime.
Invenția se referă la domeniul ingineriei electrice și poate fi utilizată în pile de combustie
Doar îndrăgostiții vor supraviețui
Caracteristici ale reclamei destinate copiilor
retuşarea fotografiilor vechi în photoshop retuşarea fotografiilor vechi
Ce este un NPO: decodare, definirea scopurilor, tipuri de activități Are o organizație non-profit dreptul
Prim-adjunct Gleb Nikitin