Биполярные пластины для топливных элементов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 29 января, печатный экземпляр отправим 2 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Левин, А. В. Биполярные пластины для топливных элементов / А. В. Левин, М. А. Безгин, К. С. Улямаев, А. А. Симонова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 47 (285). — С. 10-14. — URL: https://moluch.ru/archive/285/64212/ (дата обращения: 17.01.2022).



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:

  1. 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.
  2. 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).
  3. Белоглазов В. Ю., Баранов И. Е., Шатковский А. С. Топливный элемент с твёрдополимерным электролитом, структура каталитического слоя // Электрохимическая энергетика. — 2010. — № 1. — С. 29−33.
  4. Кривобоков В. П. Электрохимия топливных элементов. — Томск: Томского политехнического университета, 2008. — 155 с.
  5. 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.
Основные термины (генерируются автоматически): биполярная пластина, топливный элемент, канал, пластина, воздушный электрод, обычная биполярная пластина, поток топлива, сторона пластины, текучая среда, топливный электрод.


Похожие статьи

Высокоэффективные методы прямого нанесения каталитических...

Обычно МЭБ спрессован между двумя платами с газоподводящими каналами. МЭБ состоит из протонповодящей мембраны, каталитических слоев и газодиффузионных слоев (ГДС). Тонкопленочные каталитические слои делятся на два вида по способу нанесения

Современные функциональные нанокомпозитные материалы...

Рис. 1. А- биологический топливный элемент, Б — твердополимерный топливный элемент. На рисунке 1 А и Б изображены двухкамерные ячейки

– малоэффективная передача накопленного заряда от бактериальной клетки на поверхность электрода топливного элемента, т. е...

Оптимизация Bosch-процесса травления | Статья в журнале...

Термическое окисление стандартной пластины монокристаллического кремния, толщина диоксида кремния 1,2±0.1 мкм. Формирование рисунка масок диоксида кремния на лицевой стороне пластины (шаблон № 1) и на тыльной стороне методами фотолитографии с...

Расчет работы твердрооксидных топливных элементов в составе...

В отличие от обычного гальванического элемента электроды в ТЭ в процессе работы не изменяются, так как окислители и восстановители в состав электродов не входят. Вследствие этого ТЭ в основном работает в стационарном режиме. Принцип действия ТЭ состоит в том...

Концентраторы потоков для ветроэнергетических установок

Воздушный поток попадает в концентратор, повышается его температура и начинает движение от криволинейного канала к вытяжной трубе. Из-за уменьшения канала повышается скорость потока. При этом каждый канал действует на одну криволинейную лопасть.

Исследование электрофизических свойств структур...

Верхние электроды формируются на завершающей стадии создания мемристорных структур, дополнительные требования к материалам и

В этом случае зависимость проводимости структуры от разности потенциалов между электродами и, как предполагается, от...

Тепловые характеристики алюминиевых радиаторов из трубчатых...

Сборка трубчатых пластин с опорными пластинами производилась путем использования

Сравнение приведенных характеристик алюминиевого радиатора из трубчатых пластин с

Для водяных и масляных радиаторов такой стороной обычно служит воздушная сторона, где...

Математическое моделирование неоднородного электрического...

Слева и справа от пластин — изображение «краевого эффекта» — неоднородности электрического поля.

Для границ расчетной области, которые должны находиться на достаточном удалении от пластин конденсатора, примем потенциал равным нулю, то есть

Разработка устройства очистки отработавших газов тепловозного...

Разноименные электроды размещены по концентрическим окружностям, и их полярность чередуется по ходу движения газа. При подаче высокого постоянного напряжения на электроды 6, между ними создается биполярный коронный разряд. При прохождении газа область...

Похожие статьи

Высокоэффективные методы прямого нанесения каталитических...

Обычно МЭБ спрессован между двумя платами с газоподводящими каналами. МЭБ состоит из протонповодящей мембраны, каталитических слоев и газодиффузионных слоев (ГДС). Тонкопленочные каталитические слои делятся на два вида по способу нанесения

Современные функциональные нанокомпозитные материалы...

Рис. 1. А- биологический топливный элемент, Б — твердополимерный топливный элемент. На рисунке 1 А и Б изображены двухкамерные ячейки

– малоэффективная передача накопленного заряда от бактериальной клетки на поверхность электрода топливного элемента, т. е...

Оптимизация Bosch-процесса травления | Статья в журнале...

Термическое окисление стандартной пластины монокристаллического кремния, толщина диоксида кремния 1,2±0.1 мкм. Формирование рисунка масок диоксида кремния на лицевой стороне пластины (шаблон № 1) и на тыльной стороне методами фотолитографии с...

Расчет работы твердрооксидных топливных элементов в составе...

В отличие от обычного гальванического элемента электроды в ТЭ в процессе работы не изменяются, так как окислители и восстановители в состав электродов не входят. Вследствие этого ТЭ в основном работает в стационарном режиме. Принцип действия ТЭ состоит в том...

Концентраторы потоков для ветроэнергетических установок

Воздушный поток попадает в концентратор, повышается его температура и начинает движение от криволинейного канала к вытяжной трубе. Из-за уменьшения канала повышается скорость потока. При этом каждый канал действует на одну криволинейную лопасть.

Исследование электрофизических свойств структур...

Верхние электроды формируются на завершающей стадии создания мемристорных структур, дополнительные требования к материалам и

В этом случае зависимость проводимости структуры от разности потенциалов между электродами и, как предполагается, от...

Тепловые характеристики алюминиевых радиаторов из трубчатых...

Сборка трубчатых пластин с опорными пластинами производилась путем использования

Сравнение приведенных характеристик алюминиевого радиатора из трубчатых пластин с

Для водяных и масляных радиаторов такой стороной обычно служит воздушная сторона, где...

Математическое моделирование неоднородного электрического...

Слева и справа от пластин — изображение «краевого эффекта» — неоднородности электрического поля.

Для границ расчетной области, которые должны находиться на достаточном удалении от пластин конденсатора, примем потенциал равным нулю, то есть

Разработка устройства очистки отработавших газов тепловозного...

Разноименные электроды размещены по концентрическим окружностям, и их полярность чередуется по ходу движения газа. При подаче высокого постоянного напряжения на электроды 6, между ними создается биполярный коронный разряд. При прохождении газа область...

Задать вопрос