В последнее время в мире виднеется твёрдая тенденция перехода от стандартных и классических топливных элементов с жидким электролитом к полностью твердотельным. Одним из самых главных компонентов твердотельного топливного элемента становятся биполярные пластины и концевые пластины. Биполярные пластины соединяют между собой отдельные ячейки батареи топливных элементов в мембранно-электродные блоки (МЭБ). С помощью них происходит регулирование тепловыми, газовыми и электрическими потоками.
Работают биполярные пластины, как правило, в достаточно в жёстких условиях: температура порядка 100 ° С и свыше данной температуры, агрессивная среда (ионообменные мембраны, как правило, производятся из материалов с кислыми свойствами; при работе топливного элемента образуются побочные, не желательные продукты с окислительными свойствами, такие как перекись водорода). Поэтому для использования в практике являются важными такие характеристики биполярных пластин, как удельные электропроводность и теплопроводность, коррозионная стойкость и термостойкость при рабочих температурах топливного элемента, устойчивость при большой влажности, химическая равновесие в присутствии реагентов, отсутствие компонентов, отравляющих материалов (МЭБ), низкая газопроницаемость.
Биполярная пластина имеет отношение к электротехнической области и чаще всего используется в топливном элементе. У топливного элемента биполярная пластина включает в себя пластину, пространство для потока текучей среды, образованное с двух сторон пластины, и сеточку для направления жидкости, сформированную для потока жидкости. Пластина имеет впускной и выпускной канал, соединённый с пространством для потока текучей среды Рисунок 1.
Биполярную пластину изготавливают с применением пресс-формы. Результатом использовании пластины является равномерное распределение потоков и уменьшение сопротивления потокам топлива и воздуха, потоки которых текут в топливный электрод и воздушный электрод топливного элемента. Хочется заметить, что площадь реакции способна быть увеличена за счёт сборки мембранного электрода и диффузионной зоны Рисунок 2.
Рис. 1. Устройство биполярной пластины
Рис. 2. Пакет биполярных пластин для топливного элемента
Другими словами, биполярные пластины — это главные детали топливных элементов, в которых химическая энергия превращается в электричество. Они изобретены для электролиза воды в топливном элементе. Топливом, как правило, чаще всего выступает водород — который не сжигается, а окисляется на аноде. А на катоде при этом создаётся восстановление кислорода с возникновением электротока. Побочными продуктами при ходе реакции является вода и тепло.
Материалы, которые используются для изготовления биполярных пластин.
1) Металлы. Элементы, изготавливаемые из них, другими словами, называют — полюсные решётки;
2) Графит. Пластины, которые создаются из данного материала, играют роль элементов, создающих поле для протекания текучей среды;
3) Полимерно-углеродные композиты. Разновидности, создающиеся из них, имеют название- биполярные сепараторы-токосниматели.
Особенности формы
На сегодняшний день создают биполярные пластинчатые элементы, которые имеют сложную конструкцию. Частный случай — формирование на поверхности биполярных пластин рифлений. Данный рельеф образует каналы и по ним движутся поток газа. За счёт этого и обеспечивается равномерное распределение топлива по данной площади электродов. Также, благодаря рифленой поверхности улучшается и отвод побочных (негативных продуктов) — то есть воды.
Методы защиты металлических пластин от коррозии
На сегодняшний день ведётся поиск антикоррозионных покрытий, так как покрытие не имеет право ухудшать электрические и тепловые характеристики биполярных пластин. Поэтому предполагается два коррозионностойких покрытия: Покрытий из наиболее устойчивых металлов, от золота до титана и покрытия тонким слоем полупроводников. В качестве данных соединений включают диоксид олова или оксиды, нитриды, карбиды металлов, которые входят в состав пластин, к примеру никель или хром для сталей.
Один из наилучших по коррозионной стойкости покрытие, это золотое покрытие. К сожалению, электрохимическое золочение — очень дорогой процесс, который сильно поднимает цены пластин. Есть и более дорогостоящие варианты, к примеру титановые пластины, плакированные ниобием. Предполагается также внедрять антикоррозионные титановые покрытия на стали и алюминии методом магнетронного напыления.
На сегодняшний день достигнуты большие успехи и в приобретении антикоррозионных покрытий методом химической обработки с получением на поверхности металла защитных плёнок. К такому виду относится — получение защитных покрытий азотированием поверхностей нержавеющей стали с появлением на поверхности проводящей плёнки нитрида хрома.
Для защиты от коррозии пластин из алюминия и лёгких сплавов необходимы особенные технологии. Покрытие золотом неустойчиво так как образовываются интерметаллиды и очень сильно различаются коэффициенты расширения этих данных металлов. В основном, учитывая все аспекты, наиболее лучшим результатом становится — нанесение большого количества слоёв электрохимических покрытий: на пластину из сплава алюминия наносят медь, сверху неё никель, а позже, сверху никеля наносят золото.
Топливные элементы способны делиться на разные категории взависимости от используемого вних электролита итоплива.
Рассмотрим, что представлено на Рисунке 3, сборка имеет обе биполярные пластины 10 и имеющий открытый канал 11, который позволяет проводить воздух или топливо; и мембранный электродный узел 20 который располагается между этими двумя биполярными пластинами 10, чтобы обладать определённой толщиной и площадью. Обе биполярные пластины 10 и встроенный (МЭБ) 20 соединяются благодаря средствам 30, 31. Канал, генерируемый каналом 10 биполярной пластины и стороной (MЭБ) 20, образует топливный электрод, и когда топливо протекает через этот канал топливного электрода, возникает реакция окисления. А также, канал, создаваемый другим каналом биполярной пластины 10 и другой стороной (MЭБ) 20, создаёт воздушный электрод, и когда воздух движется через данный канал воздушного электрода, возникает реакция восстановления.
Рис. 3. Часть пакета традиционного топливного элемента
Конструкция биполярной пластины 10, а то есть конструкция канала 11, оказывает влияние на контактное сопротивление, которое создаётся потоком топлива и воздуха, а также на регулирование потоков, а контактное сопротивление и регулирование токов влияют на выходную мощность (выход энергии). Биполярные пластины 10 обладают конкретной конструкцией, которая подходит для облегчения рабочего процесса и массового производства.
Рис. 4. Биполярная пластина традиционного топливного элемента
На данном Рисунке 4, отверстия 13, 14, 15, 16 спроектированы в обычной биполярной пластине на каждом краю пластины 12 с определенной её толщиной и которая имеет прямоугольную форму.
Каналы 11 спроектированы на стороне пластины 12 для соединения сквозного отверстия 13 с диагональным сквозным отверстием 16. Данные каналы 11 обладают зигзагообразной формой. Канал 11 в поперечном сечении имеет конкретную ширину и толщину, и открытую сторону. На другой стороне пластины 12 образованны каналы 11 для соединения двух диагональных сквозных отверстий 14, 16, причем эти каналы 11 имеют ту же форму, что и каналы, образованные на противоположной стороне.
Работа обычной биполярной пластины заключается в следующем: Сначала топливо и воздух поступают в сквозные отверстия 13 и 14 соответственно, а топливо и воздух, протекающие через сквозные отверстия 13, 14, протекают в каналы 11. Топливо или воздух в каналах 11 течет зигзагообразно течет, происходит реакция окисления, и в то же время реакция восстановления происходит в (МЭБ), в которой течет воздух.
Однако в случае обычной биполярной пластины поток может быть равномерно распределен только до некоторой степени, поскольку каналы 11 имеют зигзагообразную форму. Кроме того, поскольку каналы, через которые протекают потоки топлива и воздуха, являются сложными и длинными, сопротивление потоку и, следовательно, потеря давления при генерировании потока топлива и воздуха увеличиваются. Кроме того, стоимость производства высока, потому что процесс производства является сложным и трудным.
Основной метод изготовления биполярных пластин.
Наилучший из существующих способов изготовления биполярных пластин для топливных элементов заключается в изготовлении листового материала, формировании рельефа на листовом материале и сжатии его вместе для нанесения углеродного материала из графитового листа. Недостатками способа изготовления биполярной пластины является сложность технологий, используемых при изготовлении деталей биполярной пластины и будущего всеобщего прессования.
Второй метод заключается в использовании проводящего рифлёного листа и углеродного покрытия. Недостатками этой известной биполярной пластины являются низкая электропроводность в направлении, перпендикулярном плоскости биполярной пластины, и низкое сопротивление в атмосфере кислорода.
Третий способ — специальное оборудование термического расширения графитового листового материала, изготавливают эту биполярную пластину путем нанесения рельефа при прокатке или прессовании и насыщения углеродом в специальных установках. В рабочем помещении потока газа-носителя были получены частицы расширенного графита при скорости потока газа-носителя от 0,1 до 0,5 кг / м3. Применив вертикальное колебательное движение к движению частиц графита, частицы графита были сжаты с частотой 50–10 Гц, полученная заготовка была прокатана на валах с отжигом (промежуточным). Таким образом, был получен лист толщиной 2–3 мм и плотностью 1,0–1,2 г / см 3. Рельеф наносился либо прокаткой в валах (фигурных) или прессованием. Полученную заготовку помещали в реактор, и заготовку насыщали пиролитическим углеродом путем предварительной подачи метана при температуре от 600 до 1000 ° С.
Дизайн каналов
Качество работы топливного элемента с полимерной протонообменной мембранной требует минимизации сопротивления всем транспортным потокам, что в сильнейшей степени зависит от архитектуры газовых каналов биполярной пластины. Основные функции биполярной пластины: снабжение топливом и окислителем, водный и тепловой баланс в топливном элементе, напрямую связанны с геометрической формой каналов. Предложено несколько типов структуры каналов на поверхности биполярной пластины: точечного типа, линейные, спиральные или змеевидные.
Кроме распределения газообразных реагентов и транспортировки воды структура каналов должна обеспечивать достаточный электрический контакт между биполярными пластинами и газодиффузионными слоями, т. е. перегородки между каналами должны быть достаточной ширины, иметь плоскую поверхность. Каналы не должны создавать большого сопротивления транспортным потокам и в то же время обеспечивать газо- и водообмен с газодиффузионным слоем. Необходимо также обеспечить отвод воды в каналы из всей толщины этого слоя. Но в то же время каналы не должны быть слишком широкими, т. к. поверхность газодиффузионного слоя над каналом не имеет электрического и теплового контакта с пластиной. Для совмещения этих противоречивых требований необходима тщательная оптимизация размеров каналов и стенок между ними. В результате на поверхности пластин с высокой точностью и чистотой обработки поверхности создают сложную структуру. Использование методов резания (фрезерования) значительно повышает стоимость пластины. Поэтому желательно, чтобы материал биполярных пластин позволял создавать каналы более дешёвыми методами.
Литература:
- Ю. А. Добровольский, А. Е. Укше, А. В. Левченко, И. В. Архангельский, С. Г. Ионов, В. В. Авдеев, С. М. Алдошин. Материалы для биполярных пластин топливных элементов на основе протон проводящих мембран // Российский Химический Журнал. Том L Проблемы водородной энергетики. — 2006. — № № 6. — С. 83–89.
- Биполярная пластина топливного элемента и способ ее изготовления. // Патентный поиск, поиск патентов на изобретения — FindPatent.RU 2012–2019. URL: https://findpatent.ru/patent/231/2316081.html (дата обращения: 18.11.2019).
- Белоглазов В. Ю., Баранов И. Е., Шатковский А. С. Топливный элемент с твёрдополимерным электролитом, структура каталитического слоя // Электрохимическая энергетика. — 2010. — № 1. — С. 29−33.
- Кривобоков В. П. Электрохимия топливных элементов. — Томск: Томского политехнического университета, 2008. — 155 с.
- Корчагин О. В., Тарасевич М. Р. 4) Корчагин О. В., Тарасевич М. Р. Токогенерирующие реакции в топливных элементах с протон проводящим и анион проводящим электролитами // Электрохимическая энергетика. — 2014. — № 3. — С. 117–132.
