Полномасштабный топливный элемент с твердополимерным электролитом для батарей топливных элементов мощностью около 60 квт

Полезная модель относится к химическим источникам тока с прямым преобразованием химической энергии в электрическую, а именно к топливному элементу (ТЭ) с твердополимерным электролитом-мембраной.

ТЭ содержит газодиффузионные коллекторы, водородный и кислородный (воздушный) с одноименными электродами. Между газодиффузионными коллекторами размещается мембранный электролит, который вклеен между двух полурамок, с центральными отверстиями, где размещаются газодиффузионные коллекторы. Здесь же размещаются и токовые коллекторы. К полурамкам с двух сторон примыкают уплотнительные прокладки. Полурамка в ТЭ выполнена, квадратной формы, с осью симметрии совпадающей с диагональю квадрата. Причем при повороте полурамки вокруг оси симметрии на 180° у нее меняется сторона с водородной на кислородную (воздушную) и наоборот. В полурамках, равномерно, за периметром центрального отверстия выполнены отверстия под шпильки. Между отверстиями под шпильки и внешними кромками полурамок выполнены четыре овалообразных отверстия. Длина указанных отверстий равна длине стороны квадратного центрального отверстия.

В углах полурамок расположены четыре отверстия для транзитного прохода охлаждающей жидкости для ТЭ и два отверстия для центровки полурамок, как между собой, так и с соседними элементами. В двух противоположно расположенных перемычках между овалообразными отверстиями и центральным отверстием выполнены параллельные каналы глубиной, не превышающей толщину полурамки. При этом два упомянутых овалообразных отверстия и центральное отверстие ограничены по периметру канавкой уплотняющей прокладкой. Аналогичными канавками с прокладками окружены все отверстия под шпильки внутри указанного периметра, а также каждое из двух оставшихся овалообразных отверстий и все отверстия для прохода охлаждающей жидкости. Токовые коллекторы у ТЭ выполнены из металлической фольги в виде гофрированной перфорированной пластины. Форма гофр-прямоугольная, а перфорация выполнена только в стенках гофр перпендикулярных поверхности пластин. Гофры у пластин в ТЭ расположены вертикально с кислородной (воздушной) и горизонтально с водородной стороны.

Техническим результатом заявляемой конструкции ТЭ является упрощение конструкции и повышение надежности в работе.

Полезная модель относится к химическим источникам тока с прямым преобразованием химической энергии в электрическую, а именно к топливному элементу (ТЭ) с твердополимерным электролитом-мембраной. Топливные элементы с биполярными пластинами между ними, объединяются в батарею, где водород используется в качестве топлива, а кислород (в чистом виде, или содержащийся в воздухе) в качестве окислителя.

Известны конструкции ТЭ содержащие водородный электрод, кислородный (воздушный) электрод, полимерный мембранный электролит, расположенный между электродами и размещенный в центральном отверстии рамки, формообразующей ТЭ, а также расположенные с водородной и кислородной сторон газодиффузионные коллекторные пластины для подвода и распределения реагентов в ТЭ и в том же месте расположены токовые коллекторы (см. патенты США 5879826, 1999 г.; РФ 2328060 С1, 2002 г.)

Известна также конструкция ТЭ (см. патент США 6207310 В1, 2001 г.) содержащего водородный и кислородный (воздушный) газодиффузионные коллекторы с электродами. Между коллекторами расположен полимерный мембранный электролит вклеенный между двух полурамок, каждая из которых состоит из жесткой рамки и примыкающей к ней упругой рамки-прокладки. Газодиффузионные коллекторы, при этом, размещаются в центральном отверстии полурамок - водородный с одной стороны и кислородный (воздушный) с другой. К указанным коллекторам также примыкают токовые коллекторы в виде сетчатых электропроводящих элементов.

Указанная конструкция ТЭ является наиболее близким аналогом представленной полезной модели.

Недостатками технических решений аналога являются:

1. Отсутствие необходимой симметрии в деталях, составляющих полурамки, что не позволяет использование одного типоразмера полурамок как с водородной, так и с кислородной (воздушной) стороны ТЭ.

2. Отсутствие по периметру, в непосредственной близости от газодиффузионного коллектора отверстий под шпильки стягивающие ТЭ в батарею, что отрицательно влияет на качество контакта электродов с токовыми коллекторами, и последних с биполярными пластинами, расположенными между ТЭ в батарее.

3. Локальный, из угла в угол по диагонали, подвод и отвод рабочих сред в ТЭ не гарантирующий равномерное распределение сред по поверхностям газодиффузионных коллекторов.

4. Отсутствие в полурамках ТЭ центровочных отверстий для упрощения и повышения качества сборки полурамок как между собой, так и с примыкающими к ним биполярным пластинам при сборке ТЭ в батарею.

5. Отсутствие, равномерно расположенных в полурамках по периметру центральных отверстий с газодиффузионными коллекторами, каналов для подачи рабочих сред, что ухудшает равномерность распределения последних в указанных коллекторах.

6. Значительная площадь уплотняющих поверхностей у рамок-прокладок, составных частей полурамок, предопределяющая как повышенный расход материала на их изготовление, так и значительные усилия затяжки шпилек, для обеспечения герметичности соединения ТЭ с биполярными пластинами в батарее ТЭ.

7. Выполнение токовых коллекторов из металлических сеток, которыми невозможно создать значительную площадь контакта как с электродами в газодиффузионных коллекторах ТЭ, так и с биполярными пластинами между ТЭ, что снижает эффективность и надежность ТЭ.

Техническим результатом заявляемой конструкции ТЭ, при устранении указанных выше недостатков, является упрощение конструкции и повышение ее надежности.

Указанный результат достигается в известном ТЭ, с водородным и кислородным газодиффузионными коллекторами с электродами на полимерном мембранном электролите, вклеенном между двух полурамок, с выполненными в них центральными отверстиями с размещением в них газодиффузионных коллекторов, водородного и кислородного (воздушного), где одновременно расположены также и токовые коллекторы в виде сетчатых электропроводящих элементов, следующим образом:

1. Каждая полурамка выполняется из жесткого полимерного материала квадратной формы со скругленными углами, с квадратным центральным отверстием, с осью симметрии, совпадающей с одной из диагоналей квадрата. При повороте полурамки вокруг оси симметрии на 180° обеспечивается смена стороны у полурамки с водородной на кислородную (воздушную) и наоборот.

2. В полурамках, за периметром центрального отверстия, в непосредственной близости к кромке последнего, расположены отверстия под шпильки, которыми стягиваются ТЭ и биполярные пластины между ними в батарею топливных элементов.

3. В полурамках между отверстиями под шпильки и внешними кромками полурамок, расположены четыре одинаковых овалообразных отверстия, совпадающие по длине с длиной сторон квадратных центральных отверстий и предназначенные для равномерной раздачи при подводе и отводе реагентов к поверхностям газодиффузионных коллекторов. При этом в углах полурамок, между овалообразными отверстиями, выполнены четыре отверстия, два для подвода и два для отвода охлаждающей среды, транзитом проходящей к полостям биполярных пластин смежных с ТЭ при сборке последних в батарею.

4. По меньшей мере в 2-х углах полурамок, симметрично относительно оси симметрии, расположены отверстия для центровки полурамок как между собой, так и со смежными элементами при сборке в батарею.

5. В полурамках, в двух противоположно расположенных перемычках между овалообразными отверстиями и кромками центрального отверстия, где расположены газодиффузионные коллекторы, в том числе в промежутках между отверстиями под шпильки, выполнены параллельно расположенные каналы глубиной, не превышающей толщину полурамки.

6. Противоположно-расположенные два овалообразных отверстия в полурамке с параллельными каналами, соединяющими упомянутые отверстия с газодиффузионным коллектором, ограничены с последним по периметру канавкой прямоугольного сечения с размещением в канавке уплотняющей прокладки из упругого материала. При этом, каждое отверстие под шпильки внутри указанного периметра, а также каждое из двух оставшихся овалообразных отверстий и все отверстия для прохода охлаждающей среды, окружены аналогичными канавками с прокладками.

7. Токовые коллекторы выполнены из металлической фольги в виде гофрированной перфорированной пластины, причем форма гофр - прямоугольная, и перфорация выполнена только в стенках гофр перпендикулярных поверхности газодиффузионных коллекторов водородного и кислородного (воздушного). При этом упомянутые пластины расположены в ТЭ гофрами вертикально с кислородной (воздушной) стороны и гофрами горизонтально с водородной стороны.

На фиг.1 изображена полурамка ТЭ с водородной стороны, где:

5 - ось симметрии;

6 - овалообразные отверстия;

7 - отверстия под шпильки;

8 - отверстия центровочные;

9 - отверстия для прохода охлаждающей среды;

10 - канавки для прокладок;

12 - каналы для подвода и отвода рабочих сред;

13 - перемычки между овалообразными отверстиями и центральным отверстием;

14 - отверстие центральное.

На фиг.2 изображен ТЭ с водородной стороны, с дополнительными к фиг.1 элементами, где:

2 - коллектор газодиффузионный с водородным электродом;

4 - полурамка с водородной стороны;

11 - прокладки уплотняющие;

15 - коллектор токовый.

На фиг.3 изображен ТЭ с кислородной (воздушной) стороны с дополнительными к фиг.1, 2 элементами, где:

3 - коллектор газодиффузионный с кислородным (воздушным) электродом;

4 - полурамка с кислородной (воздушной) стороны.

На фиг.4 - разрез А-А с фиг.2 с дополнительными к фиг.1, 2, 3 элементами, где:

1 - электролит мембранный;

12 - каналы для подачи рабочих сред к газодиффузионным коллекторам;

16 - гофры прямоугольные в токовом коллекторе;

17 - стенки перфорированные в гофрах токового коллектора.

На фиг.5 - вид Б с фиг.2.

На фиг.6 - разрез В-В с фиг.2.

На фиг.7 - вид Г с фиг.3.

Топливный элемент состоит из мембранного электролита 1 с размещенными на нем с 2-х сторон газодиффузионными коллекторами с электродами, водородным 2 и кислородным (воздушным) 3, мембранный электролит 1 вклеен между двух одинаковых полимерных полурамок 4 квадратной формы. В каждой полурамке имеется ось симметрии 5, которая дает возможность, при вращении полурамки вокруг оси на 180°, менять сторону у полурамки с водородной на кислородную (воздушную) и наоборот.

Полурамка 4 также содержит овалообразные отверстия 6, для подвода и отвода рабочих сред, отверстия 7 под шпильки, центровочные отверстия 8, отверстия 9 для транзитного прохода охлаждающей ТЭ среды, канавки 10 прямоугольной формы, уплотняющие прокладки 11, размещенные в канавках 10, а также каналы 12 в перемычках 13 между овалообразными отверстиями 6 и центральным отверстием 14 в полурамке 4. ТЭ содержит также токовые коллекторы 15 из металлической фольги с прямоугольными гофрами 16 и с перфорированными стенками 17.

ТЭ может работать только в составе батареи, где должны чередоваться ТЭ с биполярными пластинами (на черт. не показаны). При этом полурамки 4 ТЭ при сборке в батарею центруются через отверстия 8 с ответными выступами у биполярных пластин, уплотняются с последними через прокладки 11 при сжимании шпильками через отверстия 7 с одновременным обеспечением электрического контакта прямоугольных гофр 16 токовых коллекторов 15 как с газодиффузионными коллекторами с электродами 2 и 3 мембранного электролита 1, так и с поверхностью биполярных пластин.

Одновременно при сборке ТЭ в батарею формируются каналы в отверстиях 6 для подвода и отвода рабочих сред в газодиффузионные коллектора 2 и 3 с токовыми коллекторами 15 через каналы 12 в перемычках 13 полурамок 4, а так же формируются каналы в отверстиях 9 для прохода в биполярные пластины жидкости, охлаждающей ТЭ.

Реализация в ТЭ всех конструктивных особенностей, перечисленных выше, позволит существенно упростить конструкцию ТЭ путем уменьшения типоразмеров и количества деталей в ТЭ, а также повысить надежность ТЭ в работе.

1. Топливный элемент, содержащий газодиффузионные водородный и кислородный (воздушный) коллекторы с одноименными электродами, расположенный между газодиффузионными коллекторами полимерный мембранный электролит, вклеенный между двух полурамок с размещением в центральном отверстии полурамок водородного с одной стороны и кислородного (воздушного) с другой стороны газодиффузионных коллекторов, где расположены также и токовые коллекторы в виде сетчатых электропроводящих элементов, при этом к полурамкам с внешних сторон примыкают уплотнительные прокладки, отличающийся тем, что каждая полурамка выполнена квадратной формы со скругленными углами, с осью симметрии совпадающей с одной из диагоналей квадрата, с обеспечением при повороте полурамки вокруг оси симметрии на 180° смену у нее сторон, с водородной на кислородную (воздушную) и наоборот.

2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что в полурамке равномерно за периметром ее центрального отверстия расположены отверстия под шпильки, а между указанными отверстиями и внешними кромками полурамки расположены четыре одинаковых овалообразных отверстия, совпадающие по длине со сторонами центрального отверстия полурамки и предназначенные для подвода и отвода реагентов в полости и из полостей газодиффузионных коллекторов, при этом между овалообразными отверстиями в углах полурамки выполнены четыре отверстия для транзитного прохода среды, охлаждающей топливный элемент, и там же выполнены, по меньшей мере, два отверстия для центровки полурамок как между собой, так и с соседними элементами.

3. Топливный элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в полурамке в двух противоположно расположенных перемычках между овалообразными отверстиями и центральным отверстием, в том числе и в промежутках между отверстиями под шпильки, выполнены параллельно расположенные каналы глубиной, не превышающей толщину полурамки, при этом два указанных овалообразных отверстия и центральное отверстие ограничены по периметру канавкой прямоугольного сечения с размещенной в ней уплотняющей прокладкой, при этом каждое отверстие под шпильки внутри указанного периметра, а также каждое из двух оставшихся овалообразных отверстий и все отверстия для прохода охлаждающей среды окружены аналогичными канавками с прокладками.

4. Топливный элемент по пп.1-3, отличающийся тем, что токовые коллекторы выполнены из металлической фольги в виде гофрированной перфорированной пластины, причем форма гофр - прямоугольная, а перфорация выполнена только в стенках гофр перпендикулярных поверхности газодиффузионных коллекторов.

5. Топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что токовые коллекторы из гофрированных перфорированных пластин расположены в ТЭ гофрами вертикально с кислородной (воздушной) стороны и гофрами горизонтально с водородной стороны.