Den bipolare platen til brenselcellen er rund i form. Bipolar brenselcelleplate og metode for fremstilling av den Oppfinnelse av brenselceller

I tillegg kan basen være laget av titanlegering, aluminium eller rustfritt stål.

Beskrivelse for 6 ark, illus. 2 l.

Bruksmodellen er relatert til utformingen av enheter for direkte konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi, mer spesifikt, til bipolare plater av brenselceller og kan brukes til å lage kompakte autonome strømforsyninger basert på dem for lav- og middels strømforbrukere , inkludert eksterne forbrukere, transport og bærbare bærbare kraftverk, strømforsyninger for mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, etc.

Det er for tiden to hovedtyper av bipolare plater som brukes i brenselcellesammenstillinger. Den første typen er bipolare plater laget utelukkende av karbon- eller grafittpolymerkompositter, og den andre er bipolare plater laget av metallmaterialer - rustfritt stål, aluminium, etc.

Utviklingen innen grafitt-bipolare plater har ført til betydelige forbedringer i deres fysisk-kjemiske egenskaper og spesifikke egenskaper. Spesielt er en bipolar plate laget utelukkende av en karbon-polybenzimidazol-kompositt kjent (se US patent US 7510678, 2004). Bipolare plater laget på grunnlag av karbonkompositter er mer korrosjonsbestandige enn metaller, men deres største ulempe er fortsatt svak mekanisk styrke, noe som begrenser bruken i brenselceller for transport og bærbare bærbare kraftverk.

Metaller har i denne forbindelse flere utvilsomme fordeler fremfor karbonmaterialer. De er preget av høyere termisk og elektrisk ledningsevne, fravær av porer, gassugjennomtrengelighet, samt høy mekanisk styrke. Bipolare metallplater er også mer lønnsomme sammenlignet med grafittplater når det gjelder kostnadene. For fremstilling av basen til den bipolare platen, spesielt, er det mulig å bruke rustfritt stål, aluminium og titan. Bruken av rustfritt stål og aluminium er relativt praktisk og fordelaktig på grunn av deres lave kostnader, mens det dyrere titanet har, sammenlignet med dem, ytterligere fordeler forbundet med letthet, styrke og høyere korrosjonsbestandighet.

En rekke beskyttende belegg har blitt foreslått for å forbedre korrosjonsmotstanden til bipolare metallplater. De anodiske og katodiske overflatene til bipolare rustfrie stålplater kan beskyttes med en ledende kromnitridfilm (US patent US 7247403, 2005) eller en karbidfilm (US patent US 5798188, 1997). Hovedproblemet med denne teknologien er å få defektfrie belegg.

Den nærmeste tekniske løsningen til den foreslåtte er en bipolar brenselcelleplate som inneholder en metallbase, hvis anode- og katodeoverflater er utstyrt med et beskyttende ledende belegg (se US patent US 6887610, 2003). Et trekk ved den kjente bipolare platen er at bunnen er laget av rustfritt stål, og anode- og katodeoverflatene er utstyrt med et beskyttende belegg i form av et gulllag avsatt på bunnen elektrokjemisk. Ulempene med den kjente innretningen inkluderer den relativt høye kostnaden for det beskyttende belegget, muligheten for at det avskalles fra basen hvis den elektrokjemiske gullreduksjonsteknologien brytes og, som en konsekvens, en reduksjon i levetiden til de bipolare platene og brenselcellebatteriet som helhet.

Det løste problemet med bruksmodellen er å lage en relativt enkel, teknologisk avansert og effektiv design av en bipolar plate som brukes i produksjon av brenselcellebatterier for autonome strømforsyninger til utstyr til ulike formål. I tillegg til dette er oppgaven med å øke ytelsesegenskapene til bipolare plater når de opererer på hydrogen og luft ved forhøyede temperaturer.

Løsningen på dette problemet oppnås ved det faktum at i en bipolar plate av en brenselcelle som inneholder en metallbase, hvis anode- og katodeoverflater er utstyrt med et beskyttende ledende belegg, i henhold til bruksmodellen, er det beskyttende ledende belegget laget integrert med basen i form av et modifisert lag av metall legert med karbon til en dybde på 100-250 nm, med basen laget av titan, aluminium eller rustfritt stål.

Denne utformingen av enheten lar oss løse problemet med å lage en relativt enkel, teknologisk avansert og effektiv design av en bipolar plate som er egnet for industriell produksjon av flercellede brenselcellebatterier med lav og middels effekt. Den foreslåtte tekniske løsningen gjør det også mulig å forbedre de viktigste egenskapene til bipolare plater når de opererer på hydrogen og luft ved forhøyede temperaturer, inkludert egen- og kontaktelektrisk ledningsevne, termisk ledningsevne, varmebestandighet og korrosjonsmotstand. Samtidig løses problemet med å hindre frigjøring av komponenter som forgifter brenselceller under drift.

Doping av overflatelagene på en bipolar metallplate med karbon til en spesifisert dybde kan blant annet oppnås ved termisk diffusjonsmetode eller ioneimplantasjonsmetoden. Forskning utført ved JSC "RIMOS" viste den høye effektiviteten av overflatemodifisering av disse metallene ved bruk av ioneimplantasjonsmetoden når man doper bipolare plater med karbon til en dybde på 250 nm. Den teknologiske prosessen med ioneimplantasjon som brukes til å lage den foreslåtte enheten er basert på introduksjonen av akselererte karbonioner i basismaterialet til de bimetalliske platene til brenselceller. For ionestrålebehandling av bipolare plater ble det utviklet et spesialisert stativ som gir en kontrollert høystrømsstråle av akselererte karbonioner (C + 12) under høyvakuumforhold. Stativet ga den nødvendige endringen i de fysiske egenskapene til overflatelaget til bimetallplater på dybder på opptil tideler av mikrometer.

Innføringen av karbonioner (C + 12) i overflatelagene til bipolare metallplater sikret dannelsen av et modifisert beskyttende nanolag med en ultrahøy karbonkonsentrasjon i dem. Det resulterende laget har egenskaper nær de for rent karbon, men sammen med metallbasen til den bipolare platen til brenselcellen danner det en uatskillelig helhet, det vil si en felles struktur. Dette er en grunnleggende forskjell fra det overflatebeskyttende nanolaget skapt ved elektrolyse eller sputtering.

I den teknologiske prosessen med ioneimplantasjon, på grunn av hemming av ioner i de bearbeidede produktene, blir de oppvarmet, som opprettholdes til slutten av implantasjonen, og sikrer dermed termisk diffusjon av de introduserte karbonionene dypt inn i materialet til den bipolare platen. Den grunnleggende forskjellen mellom introduksjonen av urenheter ved ioneimplantasjonsmetoden og den termiske diffusjonsmetoden er at maksimumskonsentrasjonen ikke ligger på overflaten, men i dybden av den gjennomsnittlige normale banen til målionene, som bestemmes av ovennevnte faktorer.

Spesielt nådde implantasjonsdosen ved en karbonionenergi på 20 keV langs dybdefordelingsprofilen til en slipt titanplate av klasse VT1-0 10 18 cm -2 hovedsakelig på en dybde på 200-230 nm med et kraftig fall i sone på 250-300 nm. Å redusere dopingdybden til bunnen av den bipolare platen til mindre enn 100 nm, reduserer i sin tur nivået av karbonkonsentrasjon i grunnmetallet, de beskyttende og elektriske egenskapene til den bipolare platen.

Som et resultat av forskningen ble det også funnet at de oppnådde resultatene på graden av titankarbonlegering kan utvides til andre metaller for bipolare plater av brenselceller, inkludert aluminium og rustfritt stål, mye brukt i brenselceller. Årsaken til dette er den relativt store frie banen av akselererte karbonioner med en energi på ca. 20 keV, som gjør det mulig å modifisere anode- og katodeoverflatene til en bipolar plate til en tilstrekkelig dybde på tideler av en mikron.

Figur 1 viser et tverrsnitt av en typisk bipolar plate av en brenselcelle, Figur 2 viser fordelingen av karbonkonsentrasjon i det implanterte basislaget, Figur 3 er en graf over effekttettheten til den foreslåtte brenselcellen med en bipolar titanplate .

Den bipolare platen inneholder en flat base 1 laget av et ledende materiale, fortrinnsvis titan, aluminium eller rustfritt stål, samt en legering av hvert av disse metallene. Som et eksempel er egenskapene til en bipolar titanplate VT1-0 gitt. Katode- og anodeoverflatene til basen 1 er utstyrt med et beskyttende ledende belegg 2, 3, som er gjort integrert med basen 1 og er et modifisert basislag av titan dopet med karbon til en dybde på 100-250 nm. I basen 1, med dimensjoner på 4×30×30 mm, i området av katode- og anodeoverflaten, freses langsgående og tverrgående kanaler 4, 5 for å tilføre hydrogen og luft til gassdiffusjonslagene til brenselcellen og teknologiske hull 6. På katoden og anodeoverflaten til basen 1 er bipolare. Platene ble implantert med lag 2, 3 av karbon med en tykkelse på ca. 200 nm ved bruk av ionestrålebehandling.

Figur 2 viser en typisk graf over fordelingen av karbonkonsentrasjon på anode- og katodeoverflaten til bunnen av en bipolar plate (titan VT1-0 materiale). Figur 3 viser typiske effekttetthetskurver for en hydrogen-luft brenselcelle med strømkollektorplater laget av ubelagt metall og karbonlegert metall (titan VT1-0 materiale). Som beregninger og eksperimentelle data viser, blir det mulig å løse problemet med å lage effektive og pålitelige bipolare plater hvis hvert av de nevnte materialene brukes. Samtidig er teknologien for å produsere en bipolar plate med andre basismaterialer (aluminium, rustfritt stål, samt legeringer av titan, aluminium og rustfritt stål) lik den som er beskrevet for titan, tatt i betraktning de skiftende egenskapene til hver metall.

Bipolar brenselcelleplate fungerer som følger.

Etter fresing av de angitte kanalene 4, 5 i basen 1 og boring av hull 6, blir arbeidsflatene til den bipolare platen utsatt for ioneimplantasjon med en strøm av karbonioner akselerert til 20 keV for å dope katode- og anodeoverflatene til den bipolare platen og oppnå karbondopede lag 2, 3. Den bipolare platen plasseres i monteringsbrenselcellene mellom membran-elektrodeblokker basert på protonutvekslingsmembraner og tilfører hydrogen inn i kanaler 5 og luft inn i kanaler 4 med påfølgende valg av elektrisk energi.

Som angitt, for den foreslåtte enheten, ble ioneimplantasjon av karbon 12 i bipolare plater utført på et spesialisert stativ under utviklingen av ionekilder av JSC RIMOS. Dosen av karbonimplantasjon ble målt langs dybdefordelingsprofilen til en slipt titanplate av klasse VT1-0 (TU 1-5-063-85) ved bruk av metoden for sekundær ionemassespektrometri (SIMS) ved bruk av CAMESA IMS4F-utstyr (Frankrike) .

Fra figur 2 følger det at i området 200-220 nm er det høyeste karboninnholdet konsentrert. Ved lavere ioneenergier skifter konsentrasjonstoppen nærmere titanoverflaten, og ved høyere ioner tilsvarende til større dybde. Resultatene av målinger av dosen av karbonimplantasjon langs dybden av distribusjonsprofilen i en titanplate viser at dybden på det effektive overflatelaget for problemet som skal løses er 200–220 nm, noe som er tilstrekkelig til å oppnå fundamentalt nye fysisk-kjemiske egenskaper av nanolag av bipolare plater. Metalllaget legert med karbon har egenskaper nær karbon, men er integrert med titanbasen, det vil si at det har styrkeegenskaper som tilsvarer basismetallet.

Fordelingskurven for karbonkonsentrasjon i titan kan betinget deles inn i flere seksjoner (Figur 2).

Området fra overflaten til en dybde på 200 nm er preget av en ganske konstant karbonkonsentrasjon. Området 200-220 nm inneholder det høyeste karboninnholdet. Ved lavere energier vil konsentrasjonstoppen flytte seg nærmere titanoverflaten, og ved høyere energier, tilsvarende, til større dybde. Denne fordelingen av karbonkonsentrasjon i titan ble oppnådd ved en ioneenergi på 20 keV, en implantasjonsdose på 1018 cm-2 og en temperatur på arbeidsstykket på 300°C±10°C.

I neste avsnitt, 230-300 nm, observeres et kraftig fall i karbonkonsentrasjonen på grunn av utilstrekkelig energi til at de fleste ioner kan trenge ned til en slik dybde. Området som ligger mer enn 300 nm fra overflaten er preget av driften av CAMESA IMS4F-utstyret utover grensene for pålitelige målinger av urenhetskonsentrasjonen. Dette indikerer det virtuelle fraværet av karbon på slike dybder under ioneimplantasjon med ovennevnte ioneenergi og prøvetemperatur.

De bipolare titanplatene oppnådd etter ioneimplantasjonsmetoden ble undersøkt for elektriske egenskaper.

Figur 3 viser effekttetthetskurver for brenselceller med ubehandlet titan bipolare plater og med titan dopet karbon. De absolutte effektverdiene er relatert til det aktive overflatearealet til membran-elektrodeenheten, som er 2,16 cm 2 . Det følger av grafene at doping med karbon fører til en forbedring av de spesifikke egenskapene til brenselceller. Resultatene av å studere de oppnådde prøvene ved bruk av impedansspektroskopi indikerer at doping av basen med karbonioner reduserer den totale ohmske motstanden til den bipolare platen sammenlignet med titan uten belegg med omtrent 1,4 ganger på grunn av en reduksjon i kontakttap.

Prototyper av brenselceller med bipolare plater av den foreslåtte designen ble produsert ved hjelp av de nevnte stativene og testet på spesialutstyr. Testene som ble utført bekreftet de viktigste taktiske og tekniske egenskapene til brenselceller der de foreslåtte bipolare platene ble brukt. Testene bekreftet også den tekniske og økonomiske effektiviteten til den foreslåtte tekniske løsningen.

En bipolar plate av en brenselcelle som inneholder en metallbase, hvis anode- og katodeoverflater er utstyrt med et beskyttende ledende belegg, karakterisert ved at det beskyttende ledende belegget er laget integrert med basen i form av et modifisert lag av metalllegert med karbon til en dybde på 100-250 nm, og basen er laget av titan, aluminium eller rustfritt stål.

Lignende patenter:

USA har flere initiativer rettet mot å utvikle hydrogenbrenselceller, infrastruktur og teknologi for å gjøre brenselcellekjøretøyer praktiske og drivstoffeffektive innen 2020. Mer enn én milliard dollar er bevilget til disse formålene.

Brenselceller genererer strøm stille og effektivt, uten å forurense miljøet. I motsetning til energikilder som bruker fossilt brensel, er biprodukter av brenselceller varme og vann. Hvordan det fungerer?

I denne artikkelen vil vi kort se på hver av de eksisterende drivstoffteknologiene i dag, samt snakke om design og drift av brenselceller, og sammenligne dem med andre former for energiproduksjon. Vi vil også diskutere noen av hindringene forskerne møter for å gjøre brenselceller praktiske og rimelige for forbrukere.

Brenselceller er elektrokjemiske energikonverteringsenheter. En brenselcelle omdanner kjemikalier, hydrogen og oksygen, til vann, og genererer elektrisitet i prosessen.

En annen elektrokjemisk enhet som vi alle er godt kjent med er batteriet. Batteriet har alle nødvendige kjemiske elementer i seg selv og omdanner disse stoffene til elektrisitet. Dette betyr at batteriet til slutt dør og du enten kaster det eller lader det på nytt.

I en brenselcelle mates kjemikalier kontinuerlig inn i den slik at den aldri "dør". Elektrisitet vil bli generert så lenge kjemikalier kommer inn i elementet. De fleste brenselceller som er i bruk i dag, bruker hydrogen og oksygen.

Hydrogen er det mest tallrike grunnstoffet i vår galakse. Imidlertid eksisterer hydrogen praktisk talt ikke på jorden i sin elementære form. Ingeniører og forskere må utvinne rent hydrogen fra hydrogenforbindelser, inkludert fossilt brensel eller vann. For å utvinne hydrogen fra disse forbindelsene, må du bruke energi i form av varme eller elektrisitet.

Oppfinnelse av brenselceller

Sir William Grove oppfant den første brenselcellen i 1839. Grove visste at vann kunne deles til hydrogen og oksygen ved å føre en elektrisk strøm gjennom det (en prosess kalt elektrolyse). Han foreslo at det i omvendt rekkefølge ville være mulig å få strøm og vann. Han skapte en primitiv brenselcelle og kalte den gass ​​galvanisk batteri. Etter å ha eksperimentert med sin nye oppfinnelse, beviste Grove sin hypotese. Femti år senere laget forskerne Ludwig Mond og Charles Langer begrepet brenselsceller når man prøver å bygge en praktisk modell for å generere elektrisitet.

Brenselcellen vil konkurrere med mange andre energikonverteringsenheter, inkludert gassturbiner i urbane kraftverk, forbrenningsmotorer i biler og alle typer batterier. Forbrenningsmotorer, som gassturbiner, brenner forskjellige typer drivstoff og bruker trykket som skapes av utvidelsen av gasser til å utføre mekanisk arbeid. Batterier konverterer kjemisk energi til elektrisk energi ved behov. Brenselceller må utføre disse oppgavene mer effektivt.

Brenselcellen gir DC (likestrøm) spenning som kan brukes til å drive elektriske motorer, lys og andre elektriske apparater.

Det finnes flere forskjellige typer brenselceller, som hver bruker forskjellige kjemiske prosesser. Brenselceller er vanligvis klassifisert i henhold til deres Driftstemperatur Og typeelektrolytt, som de bruker. Noen typer brenselceller er godt egnet for bruk i stasjonære kraftverk. Andre kan være nyttige for små bærbare enheter eller for å drive biler. Hovedtypene brenselceller inkluderer:

Polymer exchange membran brenselcelle (PEMFC)

PEMFC anses som den mest sannsynlige kandidaten for transportapplikasjoner. PEMFC har både høy effekt og relativt lav driftstemperatur (fra 60 til 80 grader Celsius). Lave driftstemperaturer betyr at brenselceller raskt kan varmes opp for å begynne å generere strøm.

Solid oxide brenselcelle (SOFC)

Disse brenselcellene er best egnet for store stasjonære kraftgeneratorer som kan drive fabrikker eller byer. Denne typen brenselceller opererer ved svært høye temperaturer (700 til 1000 grader Celsius). Høy temperatur utgjør et pålitelighetsproblem fordi noen brenselceller kan svikte etter noen av-på-sykluser. Fast oksid brenselceller er imidlertid meget stabile under kontinuerlig drift. Faktisk har SOFC-er vist den lengste levetiden til en brenselcelle under visse forhold. Den høye temperaturen har også den fordelen at dampen som produseres av brenselcellene kan sendes til turbiner og generere mer strøm. Denne prosessen kalles kraftvarmeproduksjon av varme og elektrisitet og forbedrer den generelle systemeffektiviteten.

Alkalisk brenselcelle (AFC)

Det er en av de eldste designene for brenselceller, etter å ha vært i bruk siden 1960-tallet. AFC-er er svært utsatt for forurensning da de krever rent hydrogen og oksygen. I tillegg er de veldig dyre, så denne typen brenselceller vil neppe bli satt i masseproduksjon.

Smeltet-karbonat brenselcelle (MCFC)

I likhet med SOFC-er er disse brenselcellene også best egnet for store stasjonære kraftverk og generatorer. De opererer ved 600 grader Celsius slik at de kan generere damp, som igjen kan brukes til å generere enda mer energi. De har lavere driftstemperatur enn fastoksid brenselceller, noe som betyr at de ikke krever slike varmebestandige materialer. Dette gjør dem litt billigere.

Fosforsyre brenselcelle (PAFC)

Fosforsyre brenselcelle har potensial for bruk i små stasjonære kraftsystemer. Den opererer ved en høyere temperatur enn en brenselcelle med polymerutvekslingsmembran, så det tar lengre tid å varme opp, noe som gjør den uegnet for bruk i biler.

Direkte metanol brenselcelle (DMFC)

Metanol brenselceller er sammenlignbare med PEMFC når det gjelder driftstemperatur, men er ikke like effektive. I tillegg krever DMFC-er ganske store mengder platina som katalysator, noe som gjør disse brenselcellene dyre.

Brenselcelle med polymer utvekslingsmembran

Polymer exchange membrane brenselcelle (PEMFC) er en av de mest lovende brenselcelleteknologiene. PEMFC bruker en av de enkleste reaksjonene til enhver brenselcelle. La oss se på hva den består av.

1. EN node – negativ terminal på brenselcellen. Den leder elektroner som frigjøres fra hydrogenmolekyler, hvoretter de kan brukes i en ekstern krets. Den har graverte kanaler gjennom hvilke hydrogengass fordeles jevnt over overflaten av katalysatoren.

2.TIL athode - positiv terminal på brenselcellen, har også kanaler for fordeling av oksygen over overflaten av katalysatoren. Den leder også elektroner tilbake fra katalysatorens ytre krets, hvor de kan kombineres med hydrogen- og oksygenioner for å danne vann.

3.Elektrolytt-proton utvekslingsmembran. Dette er et spesialbehandlet materiale som leder kun positivt ladede ioner og blokkerer elektroner. Med PEMFC må membranen være hydrert for å fungere ordentlig og forbli stabil.

4. Katalysator er et spesielt materiale som fremmer reaksjonen av oksygen og hydrogen. Den er vanligvis laget av platinananopartikler som påføres veldig tynt på karbonpapir eller stoff. Katalysatoren har en overflatestruktur slik at maksimalt overflateareal av platina kan utsettes for hydrogen eller oksygen.

Figuren viser hydrogengass (H2) som kommer inn i brenselcellen under trykk fra anodesiden. Når et H2-molekyl kommer i kontakt med platina på katalysatoren, splittes det i to H+-ioner og to elektroner. Elektronene passerer gjennom anoden, hvor de brukes i eksterne kretser (gjør nyttig arbeid, for eksempel å snu en motor), og går tilbake til katodesiden av brenselcellen.

I mellomtiden, på katodesiden av brenselcellen, passerer oksygen (O2) fra luften gjennom katalysatoren hvor den danner to oksygenatomer. Hvert av disse atomene har en sterk negativ ladning. Denne negative ladningen tiltrekker seg to H+ ioner over membranen, hvor de kombineres med et oksygenatom og to elektroner som kommer fra den eksterne kretsen for å danne et vannmolekyl (H2O).

Denne reaksjonen i en enkelt brenselcelle produserer bare ca. 0,7 volt. For å heve spenningen til et rimelig nivå, må mange individuelle brenselceller kombineres for å danne en brenselcellestabel. Bipolare plater brukes til å koble en brenselcelle til en annen og gjennomgår oksidasjon for å redusere potensialet. Det store problemet med bipolare plater er deres stabilitet. Bipolare metallplater kan korroderes, og biprodukter (jern- og kromioner) reduserer effektiviteten til brenselcellemembranene og elektrodene. Derfor bruker lavtemperatur brenselceller lettmetaller, grafitt og kompositter av karbon og herdeplast (en herdeplast er en slags plast som forblir solid selv når de utsettes for høye temperaturer) i form av bipolart arkmateriale.

Brenselcelleeffektivitet

Å redusere forurensning er et av hovedmålene til en brenselcelle. Ved å sammenligne en bil drevet av en brenselcelle med en bil drevet av en bensinmotor og en bil drevet av et batteri, kan du se hvordan brenselceller kan forbedre effektiviteten til biler.

Siden alle tre typer biler har mange av de samme komponentene, vil vi ignorere denne delen av bilen og sammenligne de nyttige handlingene frem til det punktet hvor mekanisk energi produseres. La oss starte med brenselcellebilen.

Hvis brenselcellen drives av rent hydrogen, kan effektiviteten være opptil 80 prosent. Dermed omdanner den 80 prosent av energiinnholdet i hydrogen til elektrisitet. Imidlertid må vi fortsatt konvertere elektrisk energi til mekanisk arbeid. Dette oppnås ved hjelp av en elektrisk motor og en inverter. Virkningsgraden til motor + omformer er også omtrent 80 prosent. Dette gir en total effektivitet på ca. 80*80/100=64 prosent. Hondas FCX konseptbil har angivelig 60 prosent energieffektivitet.

Hvis drivstoffkilden ikke er i form av rent hydrogen, vil kjøretøyet også trenge en reformator. Reformatorer omdanner hydrokarbon- eller alkoholdrivstoff til hydrogen. De genererer varme og produserer CO og CO2 i tillegg til hydrogen. De bruker forskjellige enheter for å rense det resulterende hydrogenet, men denne rensingen er utilstrekkelig og reduserer effektiviteten til brenselcellen. Så forskerne bestemte seg for å fokusere på brenselceller for kjøretøy drevet av rent hydrogen, til tross for utfordringene knyttet til produksjon og lagring av hydrogen.

Effektiviteten til en bensinmotor og et batteri-elektrisk kjøretøy

Effektiviteten til en bil drevet av bensin er overraskende lav. All varme som tømmes eller absorberes av radiatoren er bortkastet energi. Motoren bruker også mye strøm på å drive de ulike pumpene, viftene og generatorene som holder den i gang. Dermed er den totale effektiviteten til en bensinbilmotor omtrent 20 prosent. Dermed blir bare rundt 20 prosent av bensinens termiske energiinnhold omdannet til mekanisk arbeid.

Et batteridrevet elektrisk kjøretøy har ganske høy effektivitet. Batteriet er omtrent 90 prosent effektivt (de fleste batterier genererer noe varme eller krever oppvarming), og motoren + omformeren er omtrent 80 prosent effektiv. Dette gir en samlet effektivitet på cirka 72 prosent.

Men det er ikke alt. For at en elbil skal bevege seg, må det først genereres strøm et sted. Hvis det var et kraftverk som brukte en forbrenningsprosess for fossilt brensel (snarere enn kjernekraft, vannkraft, sol- eller vindkraft), så ble bare omtrent 40 prosent av drivstoffet som forbrukes av kraftverket omdannet til elektrisitet. I tillegg krever prosessen med å lade en bil å konvertere vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC). Denne prosessen har en effektivitet på omtrent 90 prosent.

Nå, hvis vi ser på hele syklusen, er effektiviteten til et elektrisk kjøretøy 72 prosent for selve kjøretøyet, 40 prosent for kraftverket og 90 prosent for lading av kjøretøyet. Dette gir en samlet effektivitet på 26 prosent. Samlet effektivitet varierer betydelig avhengig av hvilket kraftverk som brukes til å lade batteriet. Hvis bilens elektrisitet er generert av for eksempel et vannkraftverk, vil elbilens virkningsgrad være cirka 65 prosent.

Forskere forsker på og forbedrer design for å fortsette å forbedre effektiviteten til brenselcellen. En ny tilnærming ville være å kombinere brenselcelle- og batteridrevne kjøretøy. Et konseptkjøretøy drevet av en hybrid drivlinje drevet av en brenselcelle er under utvikling. Den bruker et litiumbatteri for å drive bilen mens brenselcellen lader batteriet.

Brenselcellekjøretøyer er potensielt like effektive som en batteridrevet bil som lades fra et kraftverk som ikke bruker fossilt brensel. Men å nå dette potensialet på en praktisk og tilgjengelig måte kan være vanskelig.

Hvorfor bruke brenselceller?

Hovedårsaken er alt relatert til olje. Amerika må importere nesten 60 prosent av oljen. Innen 2025 forventes importen å stige til 68 %. Amerikanerne bruker to tredjedeler av oljen daglig til transport. Selv om hver bil på gaten var en hybridbil, ville USA innen 2025 fortsatt trenge å bruke samme mengde olje som amerikanerne konsumerte i 2000. Faktisk forbruker Amerika en fjerdedel av all verdens olje, selv om bare 4,6 % av verdens befolkning bor her.

Eksperter forventer at oljeprisene vil fortsette å stige i løpet av de neste tiårene ettersom billigere kilder minker. Oljeselskapene må bygge ut oljefelt under stadig vanskeligere forhold, noe som vil øke oljeprisen.

Bekymringer strekker seg langt utover økonomisk sikkerhet. Mye penger fra salg av olje brukes på å støtte internasjonal terrorisme, radikale politiske partier og den ustabile situasjonen i oljeproduserende regioner.

Bruk av olje og andre fossile brensler til energi gir forurensning. Det er best for alle å finne et alternativ til å brenne fossilt brensel for energi.

Brenselceller er et attraktivt alternativ til oljeavhengighet. I stedet for å forurense, produserer brenselceller rent vann som et biprodukt. Mens ingeniører midlertidig har fokusert på å produsere hydrogen fra ulike fossile kilder som bensin eller naturgass, utforskes fornybare, miljøvennlige måter å produsere hydrogen på i fremtiden. Den mest lovende vil naturligvis være prosessen med å produsere hydrogen fra vann

Oljeavhengighet og global oppvarming er et internasjonalt problem. Flere land er i fellesskap involvert i å fremme forskning og utvikling for brenselcelleteknologi.

Det er klart at forskere og produsenter har mye arbeid å gjøre før brenselceller blir et alternativ til moderne metoder for energiproduksjon. Likevel, med verdensomspennende støtte og globalt samarbeid, kan et levedyktig brenselcellekraftsystem bli en realitet innen bare et par tiår.

Eiere av patent RU 2577860:

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for å beskytte bipolare plater av brenselceller og strømkollektorer av elektrolysatorer med fast polymerelektrolytt (SPE) mot oksidasjon, som består i å forbehandle et metallsubstrat, påføre et elektrisk ledende belegg av edelmetaller på det behandlede metallet. substrat ved bruk av magnetron-ion-forstøvningsmetoden. Metoden er karakterisert ved at et elektrisk ledende belegg påføres det behandlede substratet lag for lag, hvor hvert lag sikres ved pulserende implantasjon av oksygenioner eller inert gass. Det tekniske resultatet er å oppnå et stabilt belegg med en levetid som er 4 ganger lengre enn den som oppnås fra prototypen, og som bevarer ledende egenskaper. 7 lønn filer, 3 bilder, 1 bord, 16 pr.,

Teknologifelt

Oppfinnelsen angår feltet for kjemiske strømkilder, nemlig fremgangsmåter for å lage beskyttende belegg av metallstrømsamlere (i tilfelle av elektrolysatorer) og bipolare plater (i tilfelle av brenselceller - FC) med en solid polymer elektrolytt (SPE) . Under elektrolyseprosessen blir strømkollektorer, vanligvis laget av porøst titan, konstant utsatt for aggressive miljøer av oksygen, ozon og hydrogen, noe som fører til dannelse av oksidfilmer på oksygenstrømsamleren (anode), noe som resulterer i en økning i elektrisk motstand, en reduksjon i elektrisk ledningsevne og produktivitet elektrolysator På hydrogensamleren (katoden) av strøm, som et resultat av hydrogenering av overflaten av porøst titan, oppstår korrosjonssprekker. Drift under så tøffe forhold med konstant luftfuktighet krever strømavtakere og bipolare plater pålitelig beskyttelse mot korrosjon.

Hovedkravene til korrosjonsbeskyttende belegg er lav elektrisk kontaktmotstand, høy elektrisk ledningsevne, god mekanisk styrke, jevn påføring over hele overflaten for å skape elektrisk kontakt, lave materialkostnader og produksjonskostnader.

For installasjoner med TPE er det viktigste kriteriet den kjemiske motstanden til belegget, manglende evne til å bruke metaller som endrer graden av oksidasjon under drift og fordamper, noe som fører til forgiftning av membranen og katalysatoren.

Med tanke på alle de spesifiserte kravene, har Pt, Pd, Ir og deres legeringer ideelle beskyttelsesegenskaper.

State of the art

For tiden er mange forskjellige metoder kjent for å lage beskyttende belegg - galvanisk og termisk reduksjon, ioneimplantasjon, fysisk dampavsetning (PVD-sputteringsmetoder), kjemisk dampavsetning (CVD-sputteringsmetoder).

En fremgangsmåte for å beskytte metallsubstrater er kjent fra tidligere teknikk (US patent US nr. 6887613 for oppfinnelsen, publisert 05/03/2005). Oksydlaget som passiviserer overflaten ble først fjernet fra metalloverflaten ved kjemisk etsing eller mekanisk behandling. Et polymerbelegg blandet med ledende partikler av gull, platina, palladium, nikkel osv. ble påført på overflaten av substratet Polymeren er valgt basert på dens kompatibilitet med metallsubstratet - epoksyharpikser, silikoner, polyfenoler, fluorpolymerer, etc. Belegget ble påført som en tynn film ved bruk av elektroforetisk avsetning; børste; sprøyting i pulverform. Belegget har gode anti-korrosjonsegenskaper.

Ulempen med denne metoden er den høye elektriske motstanden til laget på grunn av tilstedeværelsen av en polymerkomponent.

En metode for beskyttelse er kjent fra tidligere teknikk (se US patent nr. 7632592 for oppfinnelsen, publisert 15. desember 2009), som foreslår å lage et anti-korrosjonsbelegg på bipolare plater ved bruk av en kinetisk (kald) prosess av sprøytepulver av platina, palladium, rhodium, rutenium og deres legeringer. Sprøyting ble utført med en pistol ved bruk av en komprimert gass, slik som helium, som ble tilført pistolen under høyt trykk. Bevegelseshastigheten til pulverpartikler er 500-1500 m/s. De akselererte partiklene forblir i fast og relativt kald tilstand. Under prosessen er det ingen oksidasjon eller smelting; gjennomsnittlig lagtykkelse er 10 nm. Adhesjonen av partikler til underlaget avhenger av en tilstrekkelig mengde energi - med utilstrekkelig energi observeres svak adhesjon av partikler, ved svært høye energier oppstår deformasjon av partiklene og underlaget, og det skapes en høy grad av lokal oppvarming.

En fremgangsmåte for å beskytte metallsubstrater er kjent fra tidligere teknikk (se US patent US nr. 7700212 for oppfinnelsen, publisert 20. april 2010). Overflaten av substratet ble først ru for å forbedre vedheft til beleggmaterialet. To lag med belegg ble påført: 1 - rustfritt stål, lagtykkelse fra 0,1 µm til 2 µm, 2 - belegglag av gull, platina, palladium, ruthenium, rhodium og deres legeringer, ikke mer enn 10 nm tykt. Lagene påføres ved termisk sprøyting, ved bruk av en sprøytepistol som avgir en strøm av smeltede partikler som danner en kjemisk binding med metalloverflaten, eller PVD-belegg (fysisk dampavsetning) er også mulig. Tilstedeværelsen av 1 lag reduserer korrosjonshastigheten og reduserer produksjonskostnadene, men dens tilstedeværelse fører også til en ulempe - et passivt lag av kromoksid er dannet av rustfritt stål, noe som fører til en betydelig økning i kontaktmotstanden til anti-korrosjon belegg.

En beskyttelsesmetode er kjent fra tidligere teknikk (se US patent nr. 7803476 for oppfinnelsen, publisert 28. september 2010), som foreslår å lage ultratynne belegg fra edelmetallet Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir og deres legeringer, tykkelse belegg er fra 2 til 10 nm, fortrinnsvis til og med et monoatomisk lag med en tykkelse på fra 0,3 til 0,5 nm (tykkelse lik diameteren til beleggatomet). Tidligere ble et lag av ikke-metall med god porøsitet - kull, grafitt blandet med polymer, eller metall - aluminium, titan, rustfritt stål påført den bipolare platen. Metallbelegg ble påført ved elektronstrålesputtering, elektrokjemisk avsetning og magnetronion-forstøvning.

Fordelene med denne metoden inkluderer: eliminering av stadiet med etsing av substratet for å fjerne oksider, lav kontaktmotstand og minimale kostnader.

Ulemper - i tilfelle av et ikke-metallisk lag øker den elektriske kontaktmotstanden på grunn av forskjeller i overflateenergier og andre molekylære og fysiske interaksjoner; blanding av det første og andre laget er mulig, som et resultat kan uedle metaller som er utsatt for oksidasjon vises på overflaten.

En fremgangsmåte for å beskytte et metallsubstrat er kjent fra tidligere teknikk (se US patent nr. 7150918 for oppfinnelsen, publisert 19. desember 2006), inkludert: bearbeiding av metallsubstratet for å fjerne oksider fra overflaten, påføring av en elektrisk ledende korrosjon -bestandig metallbelegg av edelmetaller, påføring av et elektrisk ledende korrosjonsbestandig polymerbelegg.

Ulempen med denne metoden er den høye elektriske motstanden i nærvær av en betydelig mengde bindende polymer; ved utilstrekkelig mengde bindende polymer vaskes elektrisk ledende sotpartikler ut av polymerbelegget.

En metode for å beskytte bipolare plater og strømkollektorer mot korrosjon er kjent fra tidligere teknikk - en prototype (se US patent US nr. 8785080 for oppfinnelsen, publisert 22. juli 2014), inkludert:

Behandling av substratet i kokende avionisert vann, eller varmebehandling ved temperaturer over 400°C, eller bløtlegging i kokende avionisert vann for å danne et passivt oksidlag med en tykkelse på 0,5 nm til 30 nm,

Påføring av et elektrisk ledende metallbelegg (Pt, Ru, Ir) på et passivt oksidlag med en tykkelse på 0,1 nm til 50 nm. Belegget ble påført ved magnetron-ion-sputtering, elektronstrålefordampning eller ioneavsetning.

Tilstedeværelsen av et passivt oksidlag øker korrosjonsmotstanden til metallbelegget, men det fører også til ulemper - det ikke-ledende oksidlaget forverrer de ledende egenskapene til beleggene kraftig.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Det tekniske resultatet av den patentsøkte oppfinnelsen er å øke beleggets motstand mot oksidasjon, øke korrosjonsmotstanden og levetiden, og bevare de ledende egenskapene som er iboende i ikke-oksidert metall.

Det tekniske resultatet oppnås ved at metoden for å beskytte bipolare plater av brenselceller og strømsamlere av elektrolysatorer med solid polymerelektrolytt (SPE) fra oksidasjon består i å forbehandle et metallsubstrat, påføre et elektrisk ledende belegg av edelmetaller på det behandlede metallsubstratet ved bruk av magnetron-ion-forstøvningsmetoden, i dette tilfellet påføres det elektrisk ledende belegget lag for lag med hvert lag sikret ved pulserende implantasjon av oksygenioner eller inert gass.

Fortrinnsvis er de anvendte edelmetaller platina, eller palladium, eller iridium, eller en blanding derav. Pulserende ioneimplantasjon utføres med en gradvis reduksjon i ioneenergi og dose. Den totale beleggtykkelsen varierer fra 1 til 500 nm. Suksessivt avsatte lag har en tykkelse fra 1 til 50 nm. Argon, eller neon, eller xenon, eller krypton brukes som en inert gass. Energien til implanterte ioner varierer fra 2 til 15 keV, og dosen av implanterte ioner er opptil 10 15 ioner/cm 2 .

Kort beskrivelse av tegninger

Egenskapene og essensen av den patentsøkte oppfinnelsen er forklart i den følgende detaljerte beskrivelsen, illustrert av tegninger og en tabell som viser det følgende.

I fig. 1 - fordeling av platina- og titanatomer fortrengt som et resultat av argonimplantasjon (beregnet av SRIM-programmet).

I fig. 2 - seksjon av et titansubstrat med sputteret platina før argonimplantasjon, hvor

1 - titansubstrat;

2 - platinalag;

3 - porer i platinalaget.

I fig. 3 - seksjon av et titansubstrat med sputteret platina etter argonimplantasjon, hvor:

1 - titansubstrat;

4 - mellomlag av titan-platina;

5 - platinabelegg.

Tabellen viser egenskapene til alle eksempler på implementering av oppfinnelsen og prototypen.

Implementering og eksempler på implementering av oppfinnelsen

Magnetron-ion-forstøvningsmetoden er basert på en prosess basert på dannelsen av et ringformet plasma over overflaten av katoden (målet) som et resultat av kollisjonen av elektroner med gassmolekyler (vanligvis argon). Positive gassioner dannet i utladningen, når et negativt potensial påføres underlaget, akselereres i et elektrisk felt og slår ut atomer (eller ioner) av målmaterialet, som avsettes på overflaten av underlaget, og danner en film på overflaten.

Fordelene med magnetron-ion-forstøvningsmetoden er:

Høy hastighet på sprøyting av det avsatte stoffet ved lave driftsspenninger (400-800 V) og ved lave arbeidsgasstrykk (5·10 -1 -10 Pa);

Mulighet for regulering innenfor vide grenser for hastigheten på sprøyting og avsetning av det sprøytede stoffet;

Lav grad av forurensning av avsatte belegg;

Muligheten for samtidig sputtering av mål laget av forskjellige materialer og, som en konsekvens, muligheten for å oppnå belegg med kompleks (flerkomponent) sammensetning.

Relativ enkel implementering;

Lave kostnader;

Lett å skalere.

Samtidig er det resulterende belegget preget av tilstedeværelsen av porøsitet, har lav styrke og har ikke god vedheft til substratmaterialet på grunn av den lave kinetiske energien til sputterte atomer (ioner), som utgjør omtrent 1-20 eV. Dette energinivået tillater ikke penetrering av atomer av det sprøytede materialet inn i de nære overflatelagene av substratmaterialet og sikrer dannelsen av et mellomlag med høy affinitet for substratet og beleggmaterialet, høy korrosjonsmotstand og relativt lav motstand selv med dannelse av en oksidoverflatefilm.

Innenfor rammen av den patenterte oppfinnelsen løses oppgaven med å øke holdbarheten og opprettholde de ledende egenskapene til elektroder og beskyttende belegg av strukturmaterialer ved å utsette belegget og substratet for en strøm av akselererte ioner som beveger belegget og substratmaterialet ved atomnivå, som fører til gjensidig penetrering av substratet og beleggmaterialet, noe som resulterer i erosjon av grensesnittet mellom belegget og substratet med dannelse av en fase med mellomsammensetning.

Typen av akselererte ioner og deres energi velges avhengig av beleggmaterialet, dets tykkelse og substratmaterialet på en slik måte at det forårsaker bevegelse av belegg- og substratatomer og deres blanding ved fasegrensen med minimal sputtering av beleggmaterialet . Utvalget gjøres ved hjelp av passende beregninger.

I fig. Figur 1 viser beregnede data om bevegelsen av atomer i et belegg bestående av platina med en tykkelse på 50 A og atomer av et substrat bestående av titan under påvirkning av argonioner med en energi på 10 keV. Ioner med lavere energi på nivået 1-2 keV når ikke fasegrensen og vil ikke gi effektiv blanding av atomer for et slikt system ved fasegrensen. Ved energier over 10 keV oppstår imidlertid betydelig sputtering av platinabelegget, noe som påvirker produktets levetid negativt.

I tilfellet med et enkeltlagsbelegg med stor tykkelse og høy energi som kreves for penetrering av implanterte ioner til fasegrensen, oppstår derfor sputtering av beleggsatomer og tap av edle metaller; i tilfellet med en liten beleggtykkelse med optimal ionenergi, penetrering av beleggsatomer inn i substratmaterialet, blanding av materialets substrater og belegg og øker styrken til belegget. En så liten (1-10 nm) beleggtykkelse gir imidlertid ikke lang levetid på produktet. For å øke styrken på belegget, dets levetid og redusere tap under sputtering, utføres pulsert implantasjon av ioner i lag-for-lag (tykkelsen på hvert lag er 1-50 nm) påføring av belegget med en gradvis reduksjon i ioneenergi og dose. Å redusere energien og dosen gjør det mulig å praktisk talt eliminere tap under sputtering, men gir mulighet for den nødvendige adhesjonen av de påførte lagene til underlaget som det samme metallet allerede er påført på (fravær av faseseparasjon) øker deres homogenitet. Alt dette er også med på å øke ressursen. Det skal bemerkes at filmer med en tykkelse på 1 nm ikke gir en betydelig (påkrevd for strømsamlere) økning i produktets levetid, og den foreslåtte metoden øker kostnadene betydelig. Filmer med en tykkelse på mer enn 500 nm bør også anses som ikke økonomisk lønnsomme, fordi Forbruket av platinagruppemetaller øker betydelig, og levetiden til produktet som helhet (elektrolysator) begynner å bli begrenset av andre faktorer.

Ved påføring av flere lag med belegg, er behandling med ioner med høyere energi tilrådelig først etter påføring av det første laget med en tykkelse på 1-10 nm, og ved behandling av påfølgende lag med en tykkelse på opptil 10-50 nm, argonioner med en energi på 3-5 keV er tilstrekkelig for deres komprimering. Implantasjonen av oksygenioner under påføringen av de første lagene med belegg, sammen med å løse problemene ovenfor, gjør det mulig å lage en korrosjonsbestandig oksidfilm på overflaten, dopet med beleggsatomer.

Eksempel 1 (prototype).

Prøver av VT1-0 titanfolie med et areal på 1 cm 2 og en tykkelse på 0,1 mm og porøst titan TPP-7 med et areal på 7 cm 2 plasseres i et tørkeskap og holdes ved en temperatur på 450 °C i 20 minutter.

Prøvene klemmes en etter en inn i en ramme og installeres i en spesiell prøveholder til MIR-1 magnetron-ion sputterinstallasjonen med et avtakbart platinamål. Kameraet er lukket. Den mekaniske pumpen slås på og luften pumpes ut av kammeret til et trykk på ~10 -2 Torr. Pumpingen av luft fra kammeret stenges og pumpingen av diffusjonspumpen åpnes og oppvarmingen slås på. Etter ca. 30 minutter går diffusjonspumpen tilbake til driftsmodus. Kammeret pumpes ut gjennom en diffusjonspumpe. Etter å ha nådd et trykk på 6×10 -5 Torr, åpnes strømmen av argon inn i kammeret. Lekkasjen setter argontrykket til 3×10 -3 Torr. Ved jevn økning av spenningen ved katoden, tennes utladningen, utladningseffekten settes til 100 W, og forspenningen påføres. Åpne lukkeren mellom målet og holderen og begynn å telle behandlingstiden. Under behandlingen overvåkes trykket i kammeret og utløpsstrømmen. Etter 10 minutters behandling, slå av utslippet, slå av rotasjonen og slå av argontilførselen. Etter 30 minutter, stopp pumpingen av kammeret. Slå av oppvarmingen til diffusjonspumpen og slå av den mekaniske pumpen etter at den er avkjølt. Kammeret åpnes mot atmosfæren og rammen med prøven fjernes. Tykkelsen av det avsatte belegget var 40 nm.

De resulterende belagte materialene kan brukes i elektrokjemiske celler, først og fremst i elektrolysatorer med fast polymerelektrolytt, som katode- og anodematerialer (strømsamlere, bipolare plater). De maksimale problemene er forårsaket av anodematerialer (intens oksidasjon); derfor ble levetidstester utført når de ble brukt som anoder (det vil si med et positivt potensial).

En strømledning sveises til den resulterende titanfolieprøven ved punktsveising og plasseres som en testelektrode i en tre-elektrodecelle. Pt-folie med et areal på 10 cm 2 brukes som motelektrode; en standard sølvkloridelektrode koblet til cellen gjennom en kapillær brukes som referanseelektrode. En løsning av 1 M H 2 SO 4 i vann brukes som elektrolytt. Målinger utføres ved hjelp av en AZRIVK 10-0.05A-6 V-enhet (produsert av Buster LLC, St. Petersburg) i galvanostatisk modus, dvs. et positivt likestrømpotensial påføres elektroden som studeres, noe som er nødvendig for å oppnå en strømverdi på 50 mA. Testen består i å måle endringen i potensialet som kreves for å oppnå en gitt strøm over tid. Når potensialet overstiger 3,2 V, anses elektroderessursen som oppbrukt. Den resulterende prøven har en ressurs på 2 timer og 15 minutter.

Eksempler 2-16 i den patentsøkte oppfinnelsen.

Prøver av VT1-0 titanfolie med et areal på 1 cm 2 og en tykkelse på 0,1 mm og porøst titan TPP-7 med et areal på 7 cm 2 kokes i isopropylalkohol i 15 minutter. Deretter tappes alkoholen av og prøvene kokes 2 ganger i 15 minutter i avionisert vann, og vannet skiftes mellom oppkokene. Prøvene varmes opp i en løsning av 15 % saltsyre til 70°C og holdes ved denne temperaturen i 20 minutter. Syren tappes deretter og prøvene kokes 3 ganger i 20 minutter i avionisert vann, og vannet skiftes mellom kokene.

Prøvene plasseres én etter én i en MIR-1 magnetron-ion sputterinstallasjon med et platinamål og et platinabelegg påføres. Magnetronstrøm er 0,1 A, magnetronspenning er 420 V, gass er argon med et resttrykk på 0,86 Pa. Etter 15 minutters avsetning oppnås et belegg med en tykkelse på 60 nm. Det resulterende belegget eksponeres for en strøm av argonioner ved bruk av plasma pulsed ionimplantasjon.

Implantasjon utføres i en strøm av argonioner med en maksimal ioneenergi på 10 keV og en gjennomsnittlig energi på 5 keV. Dosen under eksponering var 2*10 14 ioner/cm 2 . Et tverrsnitt av belegget etter implantasjon er vist i fig. 3.

Den resulterende prøven testes i en tre-elektrodecelle, prosessen er lik den som er gitt i eksempel 1. Den resulterende prøven har en ressurs på 4 timer. Til sammenligning er dataene om ressursen til titanfolie med den originale sputterede platinafilmen (60 nm) uten argonimplantasjon 1 time.

Eksempler 3-7.

Prosessen er lik den i eksempel 2, men implantasjonsdosen, ioneenergien og beleggtykkelsen varierer. Implantasjonsdosen, ioneenergien, beleggtykkelsen, samt levetiden til de oppnådde prøvene er gitt i tabell 1.

Prosessen er lik den som er gitt i eksempel 2 og skiller seg ved at prøver med en avsatt lagtykkelse på opptil 15 nm behandles i en kryptonstrøm med en maksimal ioneenergi på 10 keV og en dose på 6*10 14 ioner/cm 2 . Den resulterende prøven har en ressurs på 1 time og 20 minutter. I følge elektronmikroskopidata ble tykkelsen på platinalaget redusert til 0-4 nm, men samtidig ble det dannet et titanlag med platinaatomer innebygd i det.

Prosessen er lik den som er gitt i eksempel 2 og skiller seg ved at prøver med en avsatt lagtykkelse på 10 nm behandles i en strøm av argonioner med en maksimal ioneenergi på 10 keV og en dose på 6*10 14 ioner/cm 2 . Etter påføring av det andre laget med en tykkelse på 10 nm, utføres behandlingen i en strøm av argonioner med en energi på 5 keV og en dose på 2 * 10 14 ioner/cm 2, og deretter gjentas sputteringen 4 ganger med en tykkelse på et nytt lag på 15 nm, og hvert påfølgende lag behandles i en ionestrøm-argon med en ioneenergi på 3 keV og en dose på 8*1013 ioner/cm2. Den resulterende prøven har en ressurs på 8 timer og 55 minutter.

Eksempel 10.

Prosessen er lik den som er gitt i eksempel 2 og skiller seg ved at prøver med en avsatt lagtykkelse på 10 nm behandles i en strøm av oksygenioner med en maksimal ioneenergi på 10 keV og en dose på 2*10 14 ioner/cm 2 . Etter påføring av det andre laget med en tykkelse på 10 nm, utføres behandlingen i en strøm av argonioner med en energi på 5 keV og en dose på 1 * 10 14 ioner/cm 2, og deretter gjentas sputteringen 4 ganger med en tykkelse på et nytt lag på 15 nm, hvor hvert påfølgende lag behandles i en strøm av argonioner med en ioneenergi på 5 keV og en dose på 8*10 13 ioner/cm 2 (slik at det ikke er sputtering!). Den resulterende prøven har en ressurs på 9 timer og 10 minutter.

Eksempel 11.

Prosessen er lik den som er gitt i eksempel 2 og skiller seg ved at prøvene plasseres i en MIR-1 magnetron-ion-forstøvningsinstallasjon med et iridiummål og et iridiumbelegg påføres. Magnetronstrøm er 0,1 A, magnetronspenning er 440 V, gass er argon med et resttrykk på 0,71 Pa. Avsetningshastigheten sikrer dannelsen av et belegg med en tykkelse på 60 nm på 18 minutter. Det resulterende belegget eksponeres for en strøm av argonioner ved bruk av plasma pulsed ionimplantasjon.

Prøver med en tykkelse på det første avsatte laget på 10 nm behandles i en strøm av argonioner med en maksimal ioneenergi på 10 keV og en dose på 2*1014 ioner/cm2. Etter påføring av det andre laget med en tykkelse på 10 nm, utføres behandlingen i en strøm av argonioner med en energi på 5-10 keV og en dose på 2 * 10 14 ioner/cm 2, og deretter gjentas sputtering 4 ganger med en tykkelse på et nytt lag på 15 nm, blir hvert påfølgende lag behandlet i en flyt argonioner med en ioneenergi på 3 keV og en dose på 8*1013 ioner/cm2. Den resulterende prøven har en ressurs på 8 timer og 35 minutter.

Eksempel 12.

Prosessen er lik den som er gitt i eksempel 2 og skiller seg ved at prøvene er plassert i en MIR-1 magnetron-ion-forstøvningsinstallasjon med et mål laget av en platina-iridium-legering (PLI-30-legering i henhold til GOST 13498-79) , og et belegg bestående av platina og iridium påføres. Magnetronstrøm er 0,1 A, magnetronspenning er 440 V, gass er argon med et resttrykk på 0,69 Pa. Avsetningshastigheten sikrer dannelsen av et belegg med en tykkelse på 60 nm på 18 minutter. Det resulterende belegget eksponeres for en strøm av argonioner ved bruk av plasma pulsed ionimplantasjon.

Prøver med en forstøvet lagtykkelse på 10 nm behandles i en strøm av argonioner med en maksimal ioneenergi på 10 keV og en dose på 2 * 10 14 ioner/cm 2, og deretter gjentas sputteringen 5 ganger med en ny lagtykkelse på 10 nm. Etter påføring av det andre laget utføres behandlingen i en strøm av argonioner med en energi på 5-10 keV og en dose på 2 * 10 14 ioner/cm 2, og hvert påfølgende lag behandles i en strøm av argonioner med en ioneenergi på 3 keV og en dose på 8 * 10 13 ioner/cm 2. Den resulterende prøven har en ressurs på 8 timer og 45 minutter.

Eksempel 13.

Prosessen er lik den som er gitt i eksempel 2 og skiller seg ved at prøvene plasseres i en MIR-1 magnetron-ion sputterinstallasjon med et palladiummål og et palladiumbelegg påføres. Magnetronstrøm er 0,1 A, magnetronspenning er 420 V, gass er argon med et resttrykk på 0,92 Pa. Etter 17 minutters avsetning oppnås et belegg med en tykkelse på 60 nm. Prøver med en avsatt første lagtykkelse på 10 nm behandles i en strøm av argonioner med en maksimal ioneenergi på 10 keV og en dose på 2*1014 ioner/cm2. Etter påføring av det andre laget med en tykkelse på 10 nm, utføres behandlingen i en strøm av argonioner med en energi på 5-10 keV og en dose på 2 * 10 14 ioner/cm 2, og deretter gjentas sputtering 4 ganger med en tykkelse på et nytt lag på 15 nm, blir hvert påfølgende lag behandlet i en flyt argonioner med en ioneenergi på 3 keV og en dose på 8*1013 ioner/cm2. Den resulterende prøven har en ressurs på 3 timer og 20 minutter.

Eksempel 14.

Prosessen er lik den som er vist i eksempel 2 og skiller seg ved at prøvene plasseres i en MIR-1 magnetron-ion sputterinstallasjon med et mål bestående av platina, inkludert 30 % karbon, og et belegg bestående av platina og karbon er påført . Magnetronstrøm er 0,1 A, magnetronspenning er 420 V, gass er argon med et resttrykk på 0,92 Pa. Etter 20 minutters avsetning oppnås et belegg med en tykkelse på 80 nm. Prøver med en forstøvet lagtykkelse på 60 nm behandles i en strøm av argonioner med en maksimal ioneenergi på 10 keV og en dose på 2 * 10 14 ioner/cm 2, og deretter gjentas sputteringen 5 ganger med en ny lagtykkelse på 10 nm. Etter påføring av det andre laget utføres behandlingen i en strøm av argonioner med en energi på 5-10 keV og en dose på 2 * 10 14 ioner / cm 2, og hvert påfølgende lag behandles i en strøm av argonioner med en ioneenergi på 3 keV og en dose på 8 * 10 13 ioner / cm 2. Den resulterende prøven har en ressurs på 4 timer og 30 minutter.

Eksempel 15.

Prosessen er lik den gitt i eksempel 9 og skiller seg ved at 13 lag sprøytes, tykkelsen på det første og det andre er 30 nm, det neste er 50 nm, ioneenergien reduseres suksessivt fra 15 til 3 keV, implantasjonen dose er fra 5 10 14 til 8 10 13 ioner/cm2. Den resulterende prøven har en ressurs på 8 timer og 50 minutter.

Eksempel 16.

Prosessen er lik den gitt i eksempel 9 og skiller seg ved at tykkelsen på det første laget er 30 nm, de neste seks lagene er 50 nm hver, implantasjonsdosen er fra 2·10 14 til 8·10 13 ioner/cm 2 . Den resulterende prøven har en ressurs på 9 timer 05 minutter.

Dermed gjør den påståtte metoden for å beskytte bipolare plater av brenselceller og strømsamlere av elektrolysatorer med TPE mot oksidasjon det mulig å oppnå et stabilt belegg med en levetid som er 4 ganger lengre enn den som oppnås fra prototypen, og bevare strømledende egenskaper.

1. En fremgangsmåte for å beskytte bipolare plater av brenselceller og strømsamlere av elektrolysatorer med fast polymerelektrolytt (SPE) mot oksidasjon, som består i å forbehandle et metallsubstrat, påføre et elektrisk ledende belegg av edelmetaller på det behandlede metallsubstratet ved hjelp av magnetron-ion-forstøvningsmetoden, karakterisert ved at den påføres på det behandlede substratet er elektrisk ledende belagt lag for lag med hvert lag sikret ved pulsert implantasjon av oksygenioner eller inert gass.

2. Beskyttelsesmetode ifølge krav 1, karakterisert ved at platina, eller palladium, eller iridium, eller en blanding derav, anvendes som edelmetaller.

3. Fremgangsmåte for beskyttelse ifølge krav 1, karakterisert ved at implantering av pulser ione utføres med en gradvis reduksjon i ioneenergi og dose.

4. Beskyttelsesmetode ifølge krav 1, karakterisert ved at den totale beleggtykkelsen er fra 1 til 500 nm.

5. Fremgangsmåte for beskyttelse ifølge krav 1, karakterisert ved at de sekvensielt avsatte lagene har en tykkelse fra 1 til 50 nm.

6. Fremgangsmåte for beskyttelse ifølge krav 1, karakterisert ved at argon, eller neon, eller xenon, eller krypton anvendes som en inert gass.

7. Fremgangsmåte for beskyttelse ifølge krav 1, karakterisert ved at energien til de implanterte ionene varierer fra 2 til 15 keV.

8. Fremgangsmåte for beskyttelse ifølge krav 1, karakterisert ved at dosen av implanterte ioner er opptil 1015 ioner/cm2.

Lignende patenter:

Oppfinnelsen angår området elektroteknikk, nemlig et batteri av rørformede fastoksidbrenselceller (SOFC), som inkluderer minst to sammenstillinger av rørformede fastoksidbrenselceller, minst én felles strømledning og en holder for å holde en seksjon av brenselcelleenhetene og den felles strømledningen i forbindelse med dem med en nøyaktig tilpasning, mens termisk ekspansjonskoeffisient til holderen er mindre enn eller lik varmeutvidelseskoeffisienten til brenselcelleenhetene.

Oppfinnelsen angår polymermembraner for lav- eller høytemperatur polymerbrenselceller. Protonledende polymermembran basert på et polyelektrolyttkompleks bestående av: a) en nitrogenholdig polymer, slik som poly(4-vinylpyridin) og dets derivater oppnådd ved alkylering, poly(2-vinylpyridin) og dets derivater oppnådd ved alkylering, polyetylenimin , poly(2-dimetylamino)etylmetakrylat)metylklorid, poly(2-dimetylamino)etylmetakrylat)metylbromid, poly(diallyldimetylammonium)klorid, poly(diallyldimetylammonium)bromid, b) Nafion eller annen Nafion-lignende polymer valgt fra gruppen , inkludert Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta og ionebytterharpikser inneholdende karboksyl- og sulfongrupper; c) en flytende blanding omfattende et løsningsmiddel valgt fra gruppen bestående av metanol, etylalkohol, n-propylalkohol, isopropylalkohol, n-butylalkohol, isobutylalkohol, tert-butylalkohol, formamider, acetamider, dimetylsulfoksid, N-metylpyrrolidon og også destillert vann og blandinger derav; hvori molforholdet mellom nitrogenholdig polymer og Nafion eller Nafion-lignende polymer er i området 10-0,001.

Oppfinnelsen angår området elektroteknikk, nemlig fremstilling av en elektrolyttoksidfilm med en tykkelse som står i forhold til porestørrelsen til elektrodematerialet, på en enklere og mer teknologisk avansert, samt mer økonomisk måte enn ioneplasma.

Oppfinnelsen tilveiebringer et gassformig diffusjonsmedium for en brenselcelle som har lav luftpermeabilitet i planet og gode dreneringsegenskaper og er i stand til å utvise høy brenselcelleytelse over et bredt temperaturområde fra lave til høye temperaturer.

Oppfinnelsen vedrører området elektroteknikk, nemlig en fremgangsmåte for fremstilling av en katalytisk elektrode til en membran-elektrodeenhet, hovedsakelig for hydrogen og metanol brenselceller.

Elektroder av SOFC produsert ved ISSP RAS: grønn - anode og svart - katode. Drivstoffceller er plassert på bipolare SOFC-batteriplater

Nylig besøkte en venn av meg Antarktis. En morsom tur! – sa hun, reiselivsvirksomheten er utviklet nok til å bringe den reisende til stedet og la ham nyte den harde prakten av Arktis uten å fryse i hjel. Og dette er ikke så enkelt som det kan virke - selv med tanke på moderne teknologier: elektrisitet og varme i Antarktis er gull verdt. Døm selv, konvensjonelle dieselgeneratorer forurenser jomfrusnø og krever levering av store mengder drivstoff, og fornybare energikilder er ennå ikke særlig effektive. For eksempel, på en museumsstasjon som er populær blant turister i Antarktis, genereres all energi av kraften fra vind og sol, men museumslokalene er kule, og de fire vaktmesterne dusjer utelukkende på skipene som bringer gjester til dem.

Problemer med konstant og uavbrutt strømforsyning er ikke bare kjent for polfarere, men også for alle produsenter og folk som bor i avsidesliggende områder.

De kan løses med nye metoder for å lagre og generere energi, blant hvilke kjemiske strømkilder ser ut til å være de mest lovende. I disse minireaktorene blir energien fra kjemiske transformasjoner direkte omdannet til elektrisitet, uten å omdannes til varme. Dermed reduseres tapene og følgelig drivstofforbruket kraftig.

Ulike reaksjoner kan oppstå i kjemiske strømkilder, og hver har sine egne fordeler og ulemper: noen "brenner raskt ut", andre kan bare fungere under visse forhold, for eksempel ultrahøye temperaturer, eller på et strengt definert drivstoff, som f.eks. rent hydrogen. En gruppe forskere fra Institute of Solid State Physics RAS (ISSP RAS) ledet av Sergei Bredikhin avhengig av den såkalte solid oxide brenselcellen (SOFC). Forskere er sikre på at den med riktig tilnærming vil kunne erstatte ineffektive generatorer i Arktis. Prosjektet deres ble støttet innenfor rammen av det føderale målprogrammet "Research and Development for 2014-2020".

Sergey Bredikhin, prosjektleder for Federal Targeted Program "Utvikling av en skalerbar laboratorieteknologi for produksjon av SOFC-er av plan design og konseptet med å lage kraftverk på grunnlag av deres for ulike formål og strukturer, inkludert hybride, med produksjon og testing av en småskala eksperimentell modell av et kraftverk med en kapasitet på 500 - 2000 W"

Uten støy og støv, men med full effektivitet

I dag er kampen i energisektoren for en nyttig energiproduksjon: forskere kjemper for hver prosent av effektiviteten. Generatorer som opererer etter prinsippet om intern forbrenning ved bruk av hydrokarbonbrensel - fyringsolje, kull, naturgass (den siste typen drivstoff er den mest miljøvennlige) er mye brukt. Tap ved bruk av dem er betydelige: selv med maksimal optimalisering overstiger ikke effektiviteten til slike installasjoner 45%. Samtidig, under driften, dannes nitrogenoksider (NOx), som, når de samhandler med vann i atmosfæren, blir til ganske aggressive syrer.

SOFC-batteri under mekanisk belastning

Solid oxide brenselceller (SOFCs) har ikke slike "bivirkninger". Slike installasjoner har en effektivitet på mer enn 50% (og dette er bare når det gjelder elektrisitetseffekt, og når man tar hensyn til termisk effekt, kan effektiviteten nå 85-90%), og de slipper ikke ut farlige forbindelser til atmosfæren .

– Dette er en veldig viktig teknologi for Arktis eller Sibir, hvor økologi og problemer med levering av drivstoff er spesielt viktig. Fordi SOFC-er bruker flere ganger mindre drivstoff," forklarte Sergei Bredikhin. "De må jobbe uavbrutt, så de er godt egnet til å jobbe på en polarstasjon eller en nordlig flyplass."

Med relativt lavt drivstofforbruk fungerer en slik installasjon også uten vedlikehold i opptil 3-4 år. «Dieselgeneratoren som er mest brukt i dag, krever oljeskift hver tusende time. Og SOFC-er jobber i 10-20 tusen timer uten vedlikehold, understreket Dmitry Agarkov, juniorforsker ved ISTT.

Fra idé til batteri

Driftsprinsippet til SOFC er ganske enkelt. De representerer et "batteri" der flere lag med fast oksid brenselceller er satt sammen. Hvert element har en anode og en katode; drivstoff tilføres det fra anodesiden, og luft tilføres det fra katodesiden. Det er bemerkelsesverdig at en rekke drivstoff er egnet for SOFC, fra rent hydrogen til karbonmonoksid og ulike hydrokarbonforbindelser. Som et resultat av reaksjonene som skjer ved anoden og katoden, forbrukes oksygen og drivstoff, og det dannes en strøm av ioner mellom elektrodene. Når et batteri integreres i en elektrisk krets, begynner strømmen å flyte.

Datamodellering av fordelingen av strømmer og temperaturfelt i et SOFC-batteri med dimensjoner 100×100 mm.

En ubehagelig egenskap ved SOFC-drift er behovet for høye temperaturer. For eksempel opererer en prøve samlet ved ISSP RAS ved 850°C. Det tar ca. 10 timer før generatoren varmes opp til driftstemperatur, men så vil den fungere i flere år.

De faste oksidcellene som utvikles ved ISSP RAS vil produsere opptil to kilowatt elektrisitet, avhengig av størrelsen på brenselplaten og antall disse platene i batteriet. Små prototyper av 50-watts batterier er allerede satt sammen og testet.

Spesiell oppmerksomhet bør rettes mot selve platene. En plate består av syv lag, som hver har sin egen funksjon. To lag hver på katoden og anoden katalyserer reaksjonen og lar elektroner passere gjennom; det keramiske laget mellom dem isolerer forskjellige medier (luft og drivstoff), men lar ladede oksygenioner passere. Samtidig må selve membranen være sterk nok (keramikk av denne tykkelsen blir veldig lett skadet), så den består i seg selv av tre lag: det sentrale gir de nødvendige fysiske egenskapene - høy ionisk ledningsevne - og ytterligere lag påført på begge sider gir mekanisk styrke. En brenselcelle er imidlertid veldig tynn - ikke mer enn 200 mikron tykk.

SOFC-lag

Men én brenselcelle er ikke nok - hele systemet må plasseres i en varmebestandig beholder som tåler driftsforhold i flere år ved en temperatur på 850°C. Forresten, som en del av prosjektet, for å beskytte metallkonstruksjonselementer, bruker ISSP RAS-forskere belegg utviklet under et annet prosjekt.

"Da vi startet dette prosjektet, ble vi møtt med det faktum at vi ikke har noe i landet vårt: ingen råvarer, ingen lim, ingen tetningsmidler," sa Bredikhin. – Vi måtte gjøre alt. Vi gjorde simuleringer og øvde på små pelletformede brenselceller. Vi fant ut hva de skulle være i sammensetning og konfigurasjon, og hvordan de skulle plasseres.»

I tillegg må det tas i betraktning at brenselcellen opererer i et miljø med høy temperatur. Dette betyr at det er nødvendig å sikre tetthet, for å kontrollere at materialene ved måltemperaturen ikke vil reagere med hverandre. En viktig oppgave var å "synkronisere" utvidelsen av alle elementer, fordi hvert materiale har sin egen lineære varmeutvidelseskoeffisient, og hvis noe ikke er koordinert, kan kontakter løsne, tetningsmidler og lim kan bryte. Forskere har fått patent på produksjon av dette elementet.

På vei til realisering

Dette er sannsynligvis grunnen til at Bredikhins gruppe ved ISTP har bygget et helt system med trinnvis forberedelse av først materialer, deretter plater og til slutt brenselceller og generatorer. I tillegg til denne anvendte fløyen er det også en retning som omhandler grunnleggende vitenskap.

Innenfor veggene til IFTT utføres en grundig kvalitetskontroll av hvert parti brenselceller

Hovedpartneren i dette prosjektet er Krylov State Research Center, som fungerer som hovedutvikler av kraftverket, inkludert utvikling av nødvendig designdokumentasjon og produksjon av maskinvare i pilotproduksjonen. Noe av arbeidet gjøres også av andre organisasjoner. For eksempel er den keramiske membranen som skiller katoden og anoden produsert av Novosibirsk-selskapet NEVZ-Ceramics.

For øvrig er det ingen tilfeldighet at skipsbyggingssenteret deltar i prosjektet. Et annet lovende bruksområde for SOFC-er kan være ubåter og undervannsdroner. Det er også ekstremt viktig for dem hvor lenge de kan være helt autonome.

Den industrielle partneren til prosjektet, Energy Without Borders Foundation, kan organisere produksjonen av små partier med to-kilowatt-generatorer ved Krylov Research Center, men forskerne håper på en betydelig utvidelse av produksjonen. I følge utviklerne er energien som oppnås i SOFC-generatoren konkurransedyktig selv for innenlandsbruk i avsidesliggende hjørner av Russland. Kostnaden for en kW*time forventes å være omtrent 25 rubler, og med dagens energikostnad i Yakutia opp til 100 rubler per kW*time, ser en slik generator veldig attraktiv ut. Markedet er allerede forberedt, Sergei Bredikhin er sikker, det viktigste er å ha tid til å bevise deg selv.

I mellomtiden introduserer utenlandske selskaper allerede SOFC-baserte generatorer. Lederen i denne retningen er amerikanske Bloom Energy, som produserer hundrekilowatt-installasjoner for kraftige datasentre til selskaper som Google, Bank of America og Walmart.

Den praktiske fordelen er klar – enorme datasentre drevet av slike generatorer bør være uavhengige av strømbrudd. Men i tillegg streber store firmaer etter å opprettholde bildet av progressive selskaper som bryr seg om miljøet.

Bare i USA kreves det store offentlige betalinger for utvikling av slike "grønne" teknologier - opptil 3000 dollar for hver kilowatt kraft produsert, som er hundrevis av ganger mer enn finansieringen av russiske prosjekter.

I Russland er det et annet område hvor bruken av SOFC-generatorer ser veldig lovende ut - katodisk beskyttelse av rørledninger. Først og fremst snakker vi om gass- og oljerørledninger som strekker seg hundrevis av kilometer over det øde landskapet i Sibir. Det er fastslått at når spenning påføres et metallrør, er det mindre utsatt for korrosjon. For tiden opererer katodiske beskyttelsesstasjoner på termiske generatorer, som må overvåkes konstant og hvis effektivitet bare er 2%. Deres eneste fordel er deres lave kostnader, men hvis du ser på det på lang sikt, ta hensyn til drivstoffkostnadene (som er drevet av innholdet i røret), og denne "fortjenesten" av dem ser lite overbevisende ut. Ved hjelp av stasjoner på SOFC-generatorer er det mulig å organisere ikke bare en uavbrutt tilførsel av spenning til rørledningen, men også overføring av elektrisitet for telemetriundersøkelser... De sier at Russland uten vitenskap er et rør. Det viser seg at selv dette røret er et rør uten vitenskap og ny teknologi.

Den foreslåtte oppfinnelsen angår bipolare plater av brenselceller (FC). Den foreslåtte bipolare TE-platen med rund form inneholder skilleplater som har en midtsone der kanalene er plassert langs evolventene i en sirkel som begrenser den sentrale sonen, og lengden på sirkelen langs hvilken evolventene er bygget er lik produktet av antall kanaler per trinn, og trinnet til kanalene er jevnt langs omkretsen, en sentral sone, som inkluderer de indre endene av de evolvente kanalene og ribbene til kanalene på platene er plassert på en slik måte at under montering de krysser hverandre, danner flate sentrale samlere, en perifer ringformet sone som består av kryssende kanaler og koniske fremspring, gjennom hvilke tilførsel og utslipp av reagenser er organisert og kjølemiddel til de ytre endene av de tilsvarende evolvente kanalene. Skilleplatene langs periferien og den perifere tetningskanten har hull som faller sammen langs periferien, som ved montering av brenselcellebatteriet danner samlekanaler for tilførsel av oksidasjonsmiddel, drivstoff og kjølevæske gjennom horisontale kanaler til den perifere ringformede sonen til skilleplatene og deretter inn i de tilsvarende hulrommene og fjern reagenser fra dem. Opprettelsen av en stiv og lett bipolar metallplate med rund form, som sikrer jevn fjerning og tilførsel av drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske over hele området til brenselcellen er det tekniske resultatet av oppfinnelsen. 3 lønn fly, 6 syke.

Tegninger for RF patent 2516245

Den påståtte tekniske løsningen relaterer seg til feltet for direkte konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi, spesielt til utformingen av en bipolar plate av en brenselcelle (FC).

Tallrike designalternativer for brenselceller er kjent, hvor rektangulære bipolare plater brukes.

En av analogene til slike bipolare plater er en brenselcelle med en protonutvekslingsmembran, beskrevet i US patent nr. 6261710 (IPC klasse H01M 8/02, prioritetsdato 25. november 1998). I henhold til denne oppfinnelsen inneholder den bipolare platen øvre og nedre skillende tynnplate metallplater, hvor rette kanaler med en trekantet profil er stemplet. Kanalene er designet for tilførsel og fjerning av drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske.

Når skilleplatene kommer i kontakt under monteringsprosessen, dannes et indre kjølemiddelhulrom mellom dem, og de ytre kanalene danner drivstoff- og oksidasjonshulrommene. Den bipolare platen inkluderer også en perifer tetning.

Ulempene med analogen, nemlig økt vekt, dimensjoner og en betydelig tetningsomkrets, er forbundet med den rektangulære formen til den bipolare platen. Det er kjent at en sirkel er en linje med minimum lengde som begrenser den totale overflaten til en gitt form. Bare runde bipolare plater, og følgelig et brenselcellebatteri basert på dem, kan ha den minste vekten, dimensjonene og tetningens omkrets.

Nærmest den påståtte tekniske løsningen og derfor akseptert som prototype er et brenselcellebatteri som inneholder membran-elektrode og bipolare sammenstillinger (plater), erklært i RF patent nr. 2355072 "Brennselcellebatteri" (IPC klasse HO1M 8/10, HO1M 8/02, prioritetsdato 10/03/2007) . Dette batteriet av brenselceller inneholder runde (i plan) komponenter, spesielt bipolare plater med kanaler for tilførsel og fjerning av anode- og katodegasser og flytende kjølemiddel. Hver bipolar enhet består av tilstøtende katode-, midt- og anodeskillende metallplater. Katode- og anodeseparasjonsplatene er utstyrt med kanaler for tilførsel av katodegass til luft og anodegass til hydrogenelektroder i membran-elektrodesammenstillingene, og midtplaten er utstyrt med kanaler for å sirkulere flytende kjølemiddel mellom katode- og anodeplatene. Kanalene til katodeplaten har form av spiraler i plan, kanalene til anodeplaten har form av halvsirkler, og kanalene til midtplaten har form av bueformede slisser. Katodegassinnløpssamleren er en sentral kanal som penetrerer brenselcellen, inkludert bipolare sammenstillinger; katodegassutløpssamleren er laget i form av en sporlignende kanal plassert langs generatrisen til batteriet. Innløps- og utløpskollektorene for anodegassen og kjølemediet er også laget i form av slisslignende kanaler plassert motsatt langs de batteridannende elementene. Kanaler på overflaten av anode- og katodeplatene til bipolare sammenstillinger kan lages ved stempling.

Ulempene med den tekniske løsningen angitt i prototypen er som følger.

For det første er kanalene til alle tre hulrommene organisert på en slik måte at de varierer betydelig i lengde og form. Ujevn lengde og form skaper forskjellig hydraulisk motstand i kanalene mot strømmen av reagenser og kjølemiddel, og som en konsekvens ujevn fordeling av den strømgenererende reaksjonen over området til brenselcellen.

Denne omstendigheten reduserer effektiviteten til brenselceller og svekker korrosjonsmotstanden til brenselcellebatteriet, noe som igjen reduserer levetiden.

For det andre gjør organiseringen av spaltekanaler ved å kontakte den indre overflaten av et sylindrisk dielektrisk legeme og den ytre overflaten av den indre overflaten av en pakke bestående av membran-elektrode og bipolare sammenstillinger, som er nesten umulig å gjøre glatt, det svært vanskelig å oppnå interkavitets tetthet av batteriet.

Målet med den foreslåtte utformingen av en rundformet bipolar FC-plate er å gi betingelser for jevn fordeling av reagenser og kjølevæske over området til brenselceller og å forenkle spørsmålet om å oppnå tetthet under montering, både mellom hulrommene i batteri og selve brenselcellebatteriet i forhold til det ytre miljøet, og i tillegg for å sikre nødvendig stivhet av den bipolare platen, noe som er spesielt viktig ved produksjon av spesielt tynne metallplater opp til 0,05 mm tykke.

Løsningen på problemet ligger i det faktum at i den kjente utformingen av en rundformet brenselcelle, bestående av en membran-elektrode samt en bipolar enhet som inneholder kanaler for sirkulasjon av anode, katodegasser og kjølemiddel, oppnådd ved stempling , med et motsatt (motsatt) arrangement av innganger og utganger av anodegass og kjølemiddel, hull for festing og sentrering av bipolare enheter ved montering av batteriet, i henhold til den foreslåtte tekniske løsningen, er formen på kanalene endret, antall skilleplater i den bipolare sammenstillingen har blitt redusert til to, ved å eliminere den sentrale platen, og i stedet for fem sporlignende og én runde sentrale kanaler (kollektorer) inngang og utgang av katode- og anodegasser og kjølemiddel, et flertall av innløp og utløp samlere av katode, anodegasser og kjølemiddel er organisert, dannet av hull i den perifere kanten av den bipolare FC-platen med en rund form.

I henhold til den påståtte tekniske løsningen, i stedet for spiral (for katodegass), halvsirkulære (for anodegass) og bueformede (for kjølevæske) kanaler, er kanalene til både reagenser og kjølevæske til den påståtte bipolare TE-platen med rund form. laget langs involuttene i sirkelen som avgrenser den sentrale sonen og er jevnt fordelt over området. De indre endene av de evolvente kanalene er forbundet med den sentrale sonen, og de ytre endene av de evolvente kanalene i den perifere ringformede sonen er forbundet via horisontale kanaler til samlehull, for eksempel trapesformet, plassert rundt omkretsen på den perifere tetningskanten av den bipolare FC-platen. Kun bruken av denne utformingen gjør det mulig å oppnå kanaler med lik lengde og identisk form for bipolare rundformede TE-plater. Lengden på sirkelen langs hvilken involuttene er konstruert er lik produktet av antall kanaler per trinn, og trinnet til kanalene er jevnt langs omkretsen, og derfor er tykkelsen på ribbene som danner kanalene like, og alle kanaler har den samme hydrauliske motstanden, noe som sikrer høy ensartethet av den elektrokjemiske strømgenererende reaksjonen i området av brenselcellen og, som en konsekvens, høy effektivitet av brenselcellebatteriet som helhet.

Drivstoff-, oksidasjons- og kjølevæskekanalene er stemplet inn i to skilleplater av tynne metallplater, som er en del av den bipolare platen til brenselcellen. Begge skilleplatene (anode og katode) er fast forbundet med hverandre, for eksempel loddet på alle kontaktpunkter. Alle kontaktpunkter mellom delene og den perifere tetningskanten er også loddet sammen.

Det er ingen evolvente kanaler i den sentrale, sirkulære sonen av den bipolare TE-platen. Kanalene for strømmen av reagenser og kjølemiddel i den sentrale sonen er organisert ved hjelp av separate utvidede ribber, hvis lengde, form og relative posisjon sikrer fullstendig blanding og gjennomsnitt av konsentrasjonen av gasser og kjølemiddel som kommer inn i den fra alle evolvente kanaler. For å sikre strukturell stivhet i den sentrale sonen, er ribbene til anode- og katodeseparasjonsplatene til den bipolare platen anordnet på en slik måte at de krysser hverandre og danner et slags gitter.

I den perifere ringformede sonen til den bipolare FC-platen organiseres også sirkulasjonen av reagenser og kjølevæske ved hjelp av ribber. Ribbene til anode- og katodeseparasjonsplatene, for å gi stivhet til den bipolare platen i dette området, er også plassert på en slik måte at de krysser hverandre, noe som sikrer stivheten til dette området.

Vertikale samlere for tilførsel og utlading av reagenser og kjølemiddel i brenselcellebatteriet dannes når brenselcellebatteriet settes sammen fra hull plassert i den perifere tetningskanten til den runde bipolare platen til brenselcellen.

En pakke bestående av membran-elektrodemontasjer og rundformede bipolare FC-plater er forseglet langs kantene, for eksempel ved bruk av fugemasse eller lim.

Dermed sikrer den påståtte tekniske løsningen jevn fordeling av reagens- og kjølevæskestrømmer over hele området av brenselcellen, pålitelig forsegling av anoden, katoden, så vel som kjølevæskehulrommene seg imellom og alle hulrom i forhold til det ytre miljøet, den nødvendige stivheten og styrken til bipolare plater av brenselceller laget av spesielle tynne metallplater.

Den påståtte tekniske løsningen er presentert i følgende figurer. Figur 1 er et generelt riss av den rundformede bipolare TE-platen ifølge oppfinnelsen. Figur 2 viser midtsonen av evolvente kanaler i større skala. Figur 3 viser et tverrsnitt av midtsonen av evolventkanalene. Figur 4 er den sentrale sonen i større skala. Figur 5 er et forstørret fragment av den perifere ringformede sonen med en perifer tetningskant. Fig.6 - brenselcelle i snitt langs anodehulrommet.

Den runde bipolare TE-platen (fig. 1) inneholder følgende soner: selve evolventkanalene - midten (1), den perifere ringformede (2), der de ytre endene av evolventkanalene er koblet til samlehullene i den perifere tetningskanten, den sentrale (3), hvor de indre endene av de evolvente kanalene kommer ut, samt den perifere tetningskanten (4). I fig. 1 er den midtre (evolvente) sonen (1) og den perifere ringformede sonen (2) ikke vist i sin helhet; faktisk dekker de jevnt hele overflaten til den oppfinnsomme bipolare rundformede TE-platen.

I fig. 2 er midtsonen til de evolvente kanalene (1) vist i større skala for å vise dens kanaler (5) og ribber (buler) (6).

Tverrsnittet av midtsonen av de evolvente kanalene (fig. 3) gir en ide om hvordan anode (8) og katode (9) skilleplater er koblet sammen, for eksempel loddet sammen (loddesømmen er indikert med posisjon 7), og danner et hulrom for kjølevæskesirkulasjon mellom deres indre overflater ( 10). De ytre overflatene til separasjonsplatene for katoden (9) og anode (8) tjener til å danne kanaler gjennom hvilke henholdsvis brensel (11) og oksidasjonsmiddel (12) sirkulerer.

Figur 4 viser plasseringen i den sentrale sonen av ribbene til kanalene til katoden (13) (heltrukne linjer) skilleplaten og anoden (14) (stiplede linjer) skilleplaten. Kanalene til den sentrale sonen på begge platene er plassert på en slik måte at når den bipolare FC-platen monteres, skjærer kanalene seg og danner en flat sentral manifold, som tjener til å jevnt fordele drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske i den sentrale sonen. I tillegg gjør et slikt arrangement av kanaler det mulig å styrke den sentrale sonen (3) av den bipolare platen. Figur 4 viser også hvordan de evolvente kanalene (5) og deres ribber (6) artikulerer med kanalene og ribbene i den sentrale sonen.

Figur 5 viser hvordan ribbene til kanalene til anoden (15) og ribbene til kanalene til katoden (16) skilleplatene krysser hverandre i den perifere ringformede sonen (2) til en rund bipolar TE-plate, og sikrer dens stivhet og styrke. i denne sonen. Ribbene til kanalene (15 og 16) danner sammen med de koniske fremspringene (17) en slags flate samlere som jevnt fordeler drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske ved innløpet til de ytre endene av de tilsvarende evolvente kanalene i midtsonen av evolvente kanaler (1) på den runde bipolare FC-platen og utløpet fra dem. Hull (18) i den perifere tetningskanten (4) og langs periferien av anode (8) og katode (9) separasjonsplater, for eksempel trapesformede, danner vertikale kollektorkanaler under monteringen av FC-batteriet for tilførsel og utlading reagenser og FC bipolare plater inn i de tilsvarende hulrommene i den bipolare platekjølevæsken gjennom horisontale kanaler (19), og gjennom hullene for å feste og sentrere de bipolare enhetene ved montering av batteriet (20), går festeelementene gjennom for eksempel pinner ( stangfjærer), strammer drivstoffelementene inn i brenselcellebatteriet. Hullene for å feste og sentrere de bipolare enhetene ved montering av batteriet (20) er plassert jevnt rundt omkretsen av den rundformede bipolare TE-platen og det kan for eksempel være tre av dem.

Figur 6 viser et tverrsnitt av hele brenselcellen. Brenselcellen inneholder en bipolar plate (21), som inkluderer anode (8) og katode (9) skilleplater, som danner kanaler for sirkulasjon av kjølevæsken (10) mellom seg, og sammen med anoden (22) og katoden (23) ) danner kanaler for sirkulasjonsbrensel (11) og kanaler for sirkulasjon av oksidasjonsmidlet (12). Den rundformede bipolare FC-platen inkluderer også en perifer tetningskant (4), som har hull ved hjelp av hvilke det ved montering av rundformede bipolare FC-plater til et FC-batteri dannes vertikale samlekanaler (24), hvorfra reagenser strømmer gjennom horisontale kanaler (19) inn i passende kanaler for sirkulasjon, for eksempel, som i dette tilfellet, drivstoff (11), dvs. til anoden (22) og inn i kanalene for sirkulasjon av oksidasjonsmidlet (12), dvs. til katoden (23), og kjølevæsken inn i kjølevæskesirkulasjonskanalen (10). Brenselcellen inkluderer også en elektrolyttmembran (25) med sin perifere tetningskant (26).

Driften av brenselceller med den foreslåtte bipolare platedesignen er vist ved å bruke eksemplet med brenselsirkulasjon (fig. 6) og skjer som følger. Drivstoff fra de vertikale samlekanalene (24) gjennom de horisontale kanalene (19) kommer inn i de flate kollektorene til den perifere ringformede sonen (2) og fordeles jevnt langs de evolvente kanalene for brenselsirkulasjon (11) i den midtre sonen til den evolvente kanalen (1), fra den midterste sonen av den evolvente kanalen ( 1) kommer drivstoffet deretter inn i kanalene i den sentrale sonen (3), hvor brenselet mottatt fra alle evolvente kanaler i den midtre sonen (1) blandes, mens konsentrasjonen av dets komponenter, spesielt urenheter, for eksempel karbondioksid, karbonmonoksid og andre, er garantert utlignet urenheter i tilfelle når hydrogen oppnådd ved omdannelse av hydrokarboner brukes som drivstoff. På lignende måte, men i motsatt rekkefølge, fjernes inerte komponenter fra hulrommet dannet av kanalene for brenselsirkulasjon, på motsatt side av brenselcellen med en strøm av sirkulerende drivstoff.

Oksydasjonsmidlet fra den tilsvarende vertikale samleren og horisontale kanaler går på samme måte inn i lignende soner i hulrommet dannet av kanalene for sirkulasjon av oksidasjonsmidlet, den bipolare platen til den rundformede brenselcellen. Inerte urenheter i oksidasjonsmidlet fjernes på samme måte fra motsatt side av brenselcellen.

En kjølevæske sirkulerer gjennom hulrommet til en rund bipolar FC-plate dannet av kjølevæskekanaler (10), og fjerner varme som frigjøres i den strømgenererende elektrokjemiske reaksjonen av drivstoffoksidasjon. Sammenkoblede, for eksempel, evolvente kanaler sveiset sammen langs hele lengden av ribbene i midtsonen (1), samt ved alle skjæringspunktene mellom ribbene i de perifere ringformede (2) og sentrale (3) sonene, gir den bipolare plate den nødvendige stivheten og styrken.

Ensartet fordeling av reaktant og kjølevæske strømmer over brenselcellens område, sammen med jevn og garantert tilstrekkelig pressing av elektrodene til matrisen, sikret av stivheten og styrken til den bipolare platen, gjorde det mulig å oppnå høye elektriske egenskaper av brenselcellen.

Nikkel bipolare plater av alkaliske brenselceller av den påståtte designen ble produsert for elektroder med et areal på 700 cm 2 og en separatorplatetykkelse på 0,06 mm. Gjennomsnittsvekten på den bipolare platen var 150 g. Alle platene oppfylte designkravene. Tettheten til kjølevæskehulrommet i forhold til drivstoff- og oksidasjonshulrommene og alle tre hulrommene i forhold til det ytre miljøet, samt brenselcellebatterier produsert ved hjelp av de oppfinnsomme bipolare brenselcelleplatene, oppfylte de tekniske kravene. Styrken og stivheten til alle bipolare plater, karakterisert ved fravær av deformasjon under en belastning på 3 kg/cm 2, oppfylte også de tekniske kravene. Den høye jevnheten av strømmen av reagenser og kjølevæske over brenselcellens område ble manifestert i den høye effektiviteten til brenselceller: som en del av brenselcellebatterier ved en temperatur på 99 °C, konsentrasjonen av kaustisk kalium i elektrolytten var 8,3 g-ekv/l og trykket av oksygen og hydrogen var 4,2 kg/cm 2, spenningen til den gjennomsnittlige battericellen var 985 mV ved en belastningsstrømtetthet på 200 mA/cm 2, og den spesifikke effekten var 0,43 kg TE/kW og 805 mV (0,52 kg TE/kW) ved 1000 mA/cm2. På FC-batterier med et mindre elektrodeareal (176 cm2) ved en temperatur på 121°C og samme elektrolyttkonsentrasjon, gasstrykk og belastningsstrømtetthet på 4200 mA/cm2, var gjennomsnittsspenningen 612 mV (0,18 kg FC/kW) .

Bruken av den påståtte designen gjør det mulig å produsere lette, kompakte, høyeffektive brenselcellebatterier med flere elementer som kan drives pålitelig i lang tid både ved atmosfærisk trykk av drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølevæske, og ved omgivelsestrykk som betydelig overstiger atmosfærisk trykk, så vel som i vakuum. Alt dette gjør at de kan brukes ikke bare i tradisjonelle områder, men også der det kreves produkter med høy vekt og størrelsesegenskaper, først og fremst i verdensrommet og på undervannsfarkoster.

Informasjonskilder

1. US patent nr. 6261710 "Bipolar platedesign forceller", klasse. IPC H01M 2/00, prioritetsdato 17.07.2001.

2. RF-patent nr. 2355072 "Brennselcellebatteri", klasse. IPC H01M 8/10, H01M 8/02, prioritetsdato 10/03/2007.

KRAV

1. En bipolar plate av en brenselcelle av rund form, som inneholder sammenkoblede skilleplater med kanaler for sirkulasjon av drivstoff, oksidasjonsmiddel og kjølemiddel og et motsatt arrangement av innløp og utløp av oksidasjonsmiddel, drivstoff og kjølevæske, karakterisert ved at separeringen plater er laget på en slik måte at de danner en midtsone, der kanalene er plassert langs evolventene til sirkelen som avgrenser den sentrale sonen, og lengden på sirkelen som evolventene er bygget er lik produktet av antall kanaler per trinn, og trinnet til kanalene er jevnt langs lengden av sirkelen, den sentrale sonen, som inkluderer de indre endene av de evolvente kanalene og ribbene til kanalene der platene er plassert på en slik måte at de under montering krysser hverandre og danner flate sentrale samlere, en perifer ringformet sone som består av kryssende kanaler og koniske fremspring, gjennom hvilke tilførsel og utslipp av reagenser og kjølemiddel til de ytre endene av de tilsvarende evolvente kanalene er organisert, og skilleplatene langs periferien og den perifere tetningskanten har hull som faller sammen langs periferien, som ved montering av brenselcellestabelen danner samlekanaler for tilførsel av oksidasjonsmiddel, brensel og kjølemiddel gjennom horisontale kanaler til den perifere ringformede sonen til skilleplatene og videre inn i den tilsvarende hulrom og utslipp fra dem.

2. Rundformet bipolar brenselcelleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at skilleplatene ved alle kontaktpunkter og den perifere tetningskanten er loddet.

3. Rundformet bipolar brenselcelleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at samlehullene på den perifere tetningskanten og langs periferien av skilleplatene er trapesformede.

4. Rundformet bipolar brenselcelleplate ifølge krav 1, karakterisert ved at hullene for festing og sentrering av batteriet under montering, plassert jevnt langs den perifere tetningskanten og langs periferien av skilleplatene, faller sammen.