RU2328060C1 - Fuel element and fuel-cell battery - Google Patents
Fuel element and fuel-cell battery Download PDFInfo
- Publication number
- RU2328060C1 RU2328060C1 RU2006141365/09A RU2006141365A RU2328060C1 RU 2328060 C1 RU2328060 C1 RU 2328060C1 RU 2006141365/09 A RU2006141365/09 A RU 2006141365/09A RU 2006141365 A RU2006141365 A RU 2006141365A RU 2328060 C1 RU2328060 C1 RU 2328060C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- frame
- fuel cell
- collectors
- hydrogen
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области химических источников тока с прямым преобразованием химической энергии в электрическую, а именно к топливному элементу (ТЭ) и батарее топливных элементов (БТЭ) с полимерной электролитной мембраной, использующим водород в качестве топлива и кислород (в чистом виде или содержащийся в воздухе) в качестве окислителя.The invention relates to the field of chemical current sources with direct conversion of chemical energy into electrical energy, namely to a fuel cell (TE) and a fuel cell battery (BTE) with a polymer electrolyte membrane using hydrogen as fuel and oxygen (in pure form or contained in air ) as an oxidizing agent.
Известны конструкции БТЭ с полимерной электролитной мембраной, использующих водород как топливо и кислород в чистом виде, или содержащийся в воздухе, в качестве окислителя (см. патенты США № 5879826, 1999 г. № 6207310 В1, 2001 г.).BTE constructions with a polymer electrolyte membrane using hydrogen as fuel and oxygen in pure form, or contained in air as an oxidizing agent are known (see US Patents No. 5879826, 1999 No. 6207310 B1, 2001).
Известно, что ТЭ включает водородный электрод, кислородный электрод, полимерный электролит (мембрану), расположенный между электродами, а также расположенные с водородной и кислородной сторон газодиффузионные коллекторные пластины для распределения и подвода реагентов к мембранно-электродной сборке (МЭС) и токовые коллекторы. Известно, что ТЭ в БТЭ разделены биполярной пластиной, имеющей контакт с токовыми коллекторами. ТЭ могут собираться в батарею посредством пакетирования и стяжки с помощью крышек и шпилек.It is known that FC includes a hydrogen electrode, an oxygen electrode, a polymer electrolyte (membrane) located between the electrodes, as well as gas diffusion collector plates located on the hydrogen and oxygen sides for the distribution and supply of reagents to the membrane electrode assembly (MES) and current collectors. It is known that FCs in BFCs are separated by a bipolar plate in contact with current collectors. TEs can be assembled into the battery by stacking and screeding with covers and pins.
Из всех известных конструкций БТЭ и собственно ТЭ наиболее близким аналогом представленного изобретения является ТЭ с металлической распределительной сеткой и БТЭ на основе этого ТЭ по патенту США № 6207310 В1.Of all the known BFC designs and the actual TE, the closest analogue of the presented invention is a TE with a metal distribution grid and a BFC based on this TE according to US patent No. 6207310 B1.
В соответствии с этим патентом БТЭ состоит, по меньшей мере, из двух ТЭ, разделенных электрически проводимой тонкой биполярной охлаждающей пластиной (БОП). БОП выполнена из тонкой металлической фольги и металлической плетеной сетки, расположенной в прямоугольной области рамки, имеющей вход в одном углу и выход в другом, расположенных диагонально друг к другу. Рамка уплотнена по периметру, образуя проточную часть для охлаждающей среды. В водородной и кислородной камерах ТЭ также установлены металлические сетки каждая в своей рамке, которая, аналогично рамке БОП, имеет входной и выходной каналы, расположенные диагонально. Сетки обеспечивают равномерное распределение реагентов по поверхности электродов.In accordance with this patent, the BFC consists of at least two FC separated by an electrically conductive thin bipolar cooling plate (BOP). BOP is made of thin metal foil and a metal wicker mesh located in the rectangular region of the frame, having an entrance in one corner and an exit in another, located diagonally to each other. The frame is sealed around the perimeter, forming a flow part for the cooling medium. In the hydrogen and oxygen chambers of the fuel cell, metal grids are also installed each in its own frame, which, like the BOP frame, has input and output channels located diagonally. Grids provide a uniform distribution of reagents on the surface of the electrodes.
МЭС представляет собой законченный сборочный узел. Мембрана помещена между двумя рамками из нержавеющей стали (толщина листа 0,254 мм) и по периметру уплотняется с помощью адгезива. Газодиффузионные электроды с водородной и кислородной сторон припрессовываются к мембране. Сеточные токовые коллекторы, вложенные в промежуточные прокладки-рамки, расположены с каждой из сторон МЭС. Каналы подвода реагентов в газовые камеры ТЭ выполнены непосредственно в промежуточных прокладках-рамках. Уплотнение ТЭ в батарее производится обжатием промежуточных прокладок-рамок, изготовленных из силиконовой ленты, армированной тканью. Степень сжатия пакета ТЭ в батарее контролируется и ограничивается ограничителями, предусмотренными на промежуточных рамках.MES is a complete assembly unit. The membrane is placed between two stainless steel frames (sheet thickness 0.254 mm) and sealed around the perimeter with adhesive. Gas diffusion electrodes from the hydrogen and oxygen sides are pressed onto the membrane. Mesh current collectors embedded in intermediate gaskets-frames are located on each side of the MES. The channels for supplying reagents to the gas chambers of the fuel cell are made directly in the intermediate gaskets-frames. The TE is sealed in the battery by compressing the intermediate gaskets-frames made of silicone tape reinforced with fabric. The compression ratio of the TE package in the battery is controlled and limited by the limiters provided for in the intermediate framework.
В варианте с жесткой комбинированной пластиковой рамкой из полисульфона, исключающей промежуточную прокладку-рамку, герметизация ТЭ в батарее производится специальным клеем, нанесенным на обе поверхности жесткой пластиковой рамки.In the variant with a rigid combined polysulfone plastic frame excluding the intermediate gasket-frame, the TE is sealed in the battery with a special adhesive applied to both surfaces of the rigid plastic frame.
Токовые сеточные коллекторы выполнены из набора сеток с мелкой и крупной ячейками. Сетка с мелкими ячейками находится в контакте с газодиффузионными коллекторами. Поверхность этих сеток гидрофобизирована композицией из углерода и тефлона для исключения накопления в ячейках капель воды.Current grid collectors are made of a set of grids with small and large cells. The mesh with small cells is in contact with gas diffusion collectors. The surface of these nets is hydrophobized with a composition of carbon and teflon to prevent water droplets from accumulating in the cells.
Недостатками реализованных в аналоге технических решений, являются:The disadvantages of the technical solutions implemented in the analogue are:
1. Отсутствие защиты мембраны по периметру в местах заделки и соприкосновения газодиффузионных коллекторов и металлических рамок от механических повреждений и возможных разрушений.1. The lack of protection of the membrane around the perimeter in places of sealing and contact of gas diffusion collectors and metal frames from mechanical damage and possible damage.
2. Сосредоточенный (местный) подвод/отвод рабочих сред в ТЭ, не гарантирующий равномерного распределения сред по поверхности электродов в широком диапазоне расходов.2. Concentrated (local) supply / removal of working fluids in the fuel cell, which does not guarantee uniform distribution of fluids over the surface of the electrodes in a wide range of flow rates.
3. Возможное «залипание» воды в ячейках сеточных токовых коллекторов и образование в результате этого в сетках участков с заполненными водой ячейками, исключающих подвод реагентов к электродам и приводящих к снижению эффективности электродов.3. Possible “sticking” of water in the cells of the grid current collectors and the formation of sections in the grids with water-filled cells, which exclude the supply of reagents to the electrodes and lead to a decrease in the efficiency of the electrodes.
4. Наличие промежуточных прокладок-рамок для размещения сеточных токовых коллекторов, усложняющих конструкцию топливного элемента и увеличивающих в два раза количество сопрягаемых поверхностей, требующих герметизации (для варианта с промежуточными рамками).4. The presence of intermediate gaskets-frames for placement of grid current collectors, complicating the design of the fuel cell and doubling the number of mating surfaces requiring sealing (for the variant with intermediate frames).
5. Определенные ограничения по минимизации зазора в газовых камерах ТЭ, связанные с необходимостью формирования каналов, сообщающих коллекторную систему батареи с газовыми камерами ТЭ непосредственно в рамках ТЭ, при соблюдении требований по прочности рамки и допустимым размерам каналов.5. Certain restrictions on minimizing the gap in the gas chambers of the fuel cell, associated with the need to form channels that communicate the collector system of the battery with gas chambers of the fuel cell directly within the fuel cell, subject to the requirements for frame strength and permissible channel sizes.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
С целью устранения отмеченных выше недостатков ТЭ по патенту США № 6207310 В1, упрощения конструкции и повышения надежности ТЭ предмет настоящего изобретения может заключать в себе ТЭ и БТЭ с полимерной электролитной мембраной, использующие водород и кислород в чистом виде или содержащийся в воздухе.In order to eliminate the above-mentioned disadvantages of TE according to US patent No. 6207310 B1, simplify the design and increase the reliability of TE, the subject of the present invention can include TE and BFC with a polymer electrolyte membrane using hydrogen and oxygen in pure form or contained in air.
ТЭ включает водородный электрод, кислородный электрод, расположенный между электродами полимерный электролит, водородный и кислородный газодиффузионные коллекторы, токовые коллекторы из металлических сеток. Смежные ТЭ в батарее разделены БОП, выполненной в виде пластинчатого теплообменника из тонкой металлической фольги и металлической сетки внутри для распределения охлаждающей среды по поверхности теплообменника и отвода тепла, генерируемого в ТЭ. БОП имеет контакт с токовыми коллекторами и выполняет также функцию передачи электричества. ТЭ с помощью крышек и шпилек собираются в батарею.The fuel cell includes a hydrogen electrode, an oxygen electrode located between the electrodes, a polymer electrolyte, hydrogen and oxygen gas diffusion collectors, current collectors made of metal grids. Adjacent TEs in the battery are separated by a BOP made in the form of a plate heat exchanger made of thin metal foil and a metal mesh inside to distribute the cooling medium over the surface of the heat exchanger and remove heat generated in the TE. BOP has contact with current collectors and also performs the function of transmitting electricity. TEs with the help of covers and pins are collected in the battery.
Особенностями изобретения являются:Features of the invention are:
1. МЭС, в которой газодиффузионные коллекторы совместно с мембраной вложены в паз полимерной рамки, обеспечивая защиту мембраны по всей поверхности. Уплотнение мембраны и коллекторов в рамке производится герметиком, размещаемым в свободном пространстве паза по периметру мембраны за пределом электродов, и клеепереносящей пленкой, расположенной в узле уплотнения.1. MES, in which gas diffusion collectors together with the membrane are embedded in the groove of the polymer frame, providing protection of the membrane over the entire surface. The membrane and collectors in the frame are sealed with a sealant placed in the free space of the groove along the membrane perimeter beyond the electrodes, and with an adhesive film located in the seal assembly.
Конструкция рамки МЭС одновременно предусматривает размещение в ней над газодиффузионными коллекторами сеточных токовых коллекторов, исключая необходимость в промежуточных рамках.The design of the MES frame simultaneously provides for the placement of grid current collectors in it above the gas diffusion collectors, eliminating the need for intermediate frames.
2. БОП состоит из двух листов тонкой фольги (с водородной и кислородной сторон) и расположенных между ними металлических сеток и рамки с каналами на периферийной поверхности для подвода через БОП и равномерного распределения реагентов по поверхности электродов. В прямоугольном поле рамки предусмотрены перегородки для организации потока охлаждающей среды через сетки по принципу «серпантина».2. The BOP consists of two sheets of thin foil (from the hydrogen and oxygen sides) and metal meshes located between them and a frame with channels on the peripheral surface for supply through the BOP and uniform distribution of reagents on the surface of the electrodes. In the rectangular field of the frame, partitions are provided for organizing the flow of the cooling medium through the grids according to the “serpentine” principle.
3. Другой особенностью изобретения является размещение в сеточных токовых коллекторах водородной и кислородной камер ТЭ тонкого сетчатого материала, обладающего способностью изменять угол смачивания капель воды и способствовать образованию пленочного течения вдоль поверхности сеток, обеспечивая естественное стекание воды в коллекторную систему ТЭ и батареи.3. Another feature of the invention is the placement of thin mesh material in the grid current collectors of the hydrogen and oxygen chambers of the fuel cell, capable of changing the wetting angle of water droplets and promoting the formation of film flow along the surface of the grids, ensuring the natural runoff of water into the collector system of the fuel cell and battery.
4. Следующей особенностью изобретения является узел герметизации ТЭ в батарее, состоящий, по меньшей мере, из двух ТЭ, разделенных БОП, с использованием клеепереносящей пленки, выполняющей функции адгезива, без применения прокладок из эластомера или специального клея.4. A further feature of the invention is a TE sealing assembly in a battery consisting of at least two TE separated by a BOP, using an adhesive transfer film that functions as an adhesive, without the use of gaskets made of elastomer or special glue.
Перечень чертежейList of drawings
На фиг.1 представлена МЭС.Figure 1 presents the MES.
На фиг.2 представлена БОП.Figure 2 presents the BOP.
На фиг.3 представлена рамка БОП.Figure 3 presents the frame of the BOP.
На фиг.4 представлена кислородная пластина БОП.Figure 4 presents the oxygen plate of the BOP.
На фиг.5 представлена водородная пластина БОП.Figure 5 presents the hydrogen plate of the BOP.
На фиг.6 представлена упрощенная схема ТЭ.Figure 6 presents a simplified diagram of the fuel cell.
Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретенияInformation confirming the possibility of implementing the invention
В соответствии с представленным изобретением МЭС ТЭ (фиг.1) состоит из полимерной мембраны (1), двух электродов, газодиффузионных коллекторов водородного и кислородного (2), расположенных по обеим сторонам мембраны, и полимерной (например, из поликарбоната) рамки (3) с пазом по внутреннему контуру, в котором формируется узел герметизации мембраны и газодиффузионных коллекторов. Рамка может быть выполнена из трех деталей (вариант 1), изготовленных из листового материала: двух наружных (4) и одной средней (5).In accordance with the invention, MES TE (Fig. 1) consists of a polymer membrane (1), two electrodes, gas diffusion collectors of hydrogen and oxygen (2) located on both sides of the membrane, and a polymer (for example, polycarbonate) frame (3) with a groove along the inner contour in which the sealing unit of the membrane and gas diffusion collectors is formed. The frame can be made of three parts (option 1) made of sheet material: two outer (4) and one middle (5).
Средняя деталь (5) имеет меньшую ширину, в результате чего при сборке рамки с ее внутренней стороны формируется паз, в который закладывается мембрана с электродами и газодиффузионными слоями. Герметизация мембраны производится герметиком (6), размещаемым в свободном пространстве паза по периметру мембраны за пределами электродов. Для повышения надежности и увеличения прочности узла герметизации между материалом рамки, герметиком и газодиффузионными слоями проложена клеепереносящая пленка, выполняющая функцию адгезивного слоя (7). Детали рамки также соединены и загерметизированы клеепереносящей пленкой. Одна из наружных деталей рамки, в области расположения герметика, имеет отверстия (8), равномерно расположенные по периметру рамки, для удаления излишков герметика при сборке и исключения его выдавливания во внутреннее пространство на диффузионные коллекторы. На периферийной поверхности рамки предусмотрены отверстия, которые при сборке пакета топливных элементов совмещаются с аналогичными отверстиями в БОП и деталях соседних ТЭ, образуя коллекторную систему подачи (удаления) реагентов, продуктов реакции и охлаждающей среды. Отверстия (9) образуют коллекторную систему по кислороду, отверстия (10) - по водороду, отверстия (11) - по охлаждающей среде.The middle part (5) has a smaller width, as a result of which, when the frame is assembled, a groove is formed on its inner side, into which a membrane with electrodes and gas diffusion layers is laid. The membrane is sealed with a sealant (6) placed in the free space of the groove along the perimeter of the membrane outside the electrodes. To increase the reliability and increase the strength of the sealing unit between the frame material, the sealant and the gas diffusion layers, an adhesive transfer film is laid, which performs the function of an adhesive layer (7). The frame parts are also connected and sealed with an adhesive film. One of the outer parts of the frame, in the area of the sealant, has holes (8), evenly spaced around the perimeter of the frame, to remove excess sealant during assembly and to prevent it from being squeezed out into the internal space onto diffusion collectors. Holes are provided on the peripheral surface of the frame, which, when assembling the fuel cell stack, are combined with similar holes in the BOP and parts of neighboring fuel cells, forming a collector system for supplying (removing) reagents, reaction products, and a cooling medium. Holes (9) form the collector system in oxygen, holes (10) in hydrogen, holes (11) in the cooling medium.
Рамка может быть выполнена из двух пластин, в которых подготовлены площадки для формирования паза (вариант 2).The frame can be made of two plates in which the platforms for the formation of the groove are prepared (option 2).
Газодиффузионные коллекторы, имея заделку в рамке, предохраняют мембрану от возможных механических повреждений при сборке пакета ТЭ и его обжатии, а также в процессе эксплуатации, являясь, по существу, защитным элементом для мембраны.Gas diffusion collectors, having a seal in the frame, protect the membrane from possible mechanical damage during assembly of the FC package and its compression, as well as during operation, being, in essence, a protective element for the membrane.
БОП (фиг.2) состоит из рамки (12), по обе стороны которой расположены пластины водородная (13), кислородная (воздушная) (14). В прямоугольном поле рамки размещена распределительная сетка (15).BOP (figure 2) consists of a frame (12), on both sides of which are hydrogen (13), oxygen (air) plates (14). A distribution grid (15) is placed in the rectangular field of the frame.
Рамка (12) и пластины (13, 14) соединены между собой и герметизированы клеепереносящей пленкой (16).The frame (12) and the plates (13, 14) are interconnected and sealed with an adhesive film (16).
Конструкция БОП предусматривает совмещение следующих функций в составе ТЭ:The design of the BOP provides for the combination of the following functions in the fuel cell:
- отвод тепла, генерируемого в топливном элементе;- removal of heat generated in the fuel cell;
- передача электрической энергии;- transmission of electrical energy;
- подвод и распределение реагентов по поверхности газодиффузионных коллекторов (электродов);- supply and distribution of reagents on the surface of gas diffusion collectors (electrodes);
- удаление продуктов реакции.- removal of reaction products.
Выполнение этих функций обеспечивается конструкцией рамки, которая является определяющей деталью БОП. Рамка (фиг.3) выполняется из листового проводящего или непроводящего материала. В центральном окне рамки (17), в области размещения распределительной сетки, предусмотрены перегородки (18), обеспечивающие «серпантинное» обтекание распределительной сетки (15). На периферийной поверхности рамки предусмотрена система отверстий и каналов. Отверстия (19) предназначены для образования коллекторной системы на входе кислорода, отверстия (20) - на выходе кислорода, отверстия (21) - на входе водорода, отверстия (22) - на выходе водорода, отверстия (23) - на входе охлаждающей среды, отверстия (24) - на выходе охлаждающей среды. Каналы (25, 26, 27, 28, 29, 30) сообщают коллекторные системы батареи с кислородной камерой ТЭ (каналы 25, 26), с водородной камерой ТЭ (каналы 27, 28) и с внутренней полостью БОП, обтекаемой охлаждающей средой (каналы 29, 30). Каналы подачи кислорода (25) и подачи водорода (27) имеют местные сужения (31), которые при сборке БОП с пластинами (13, 14) образуют дроссельные каналы, обеспечивающие равномерную раздачу реагентов по входным каналам. Коллекторные системы реагентов равномерно распределены по ширине кислородной и водородной камер, что обеспечивает с учетом входного дросселирования каждого канала равномерное распределение реагентов по камерам.The fulfillment of these functions is ensured by the design of the framework, which is the defining part of the BOP. The frame (figure 3) is made of a sheet of conductive or non-conductive material. In the central window of the frame (17), in the area of the distribution grid, partitions (18) are provided that provide a “serpentine” flow around the distribution grid (15). A system of holes and channels is provided on the peripheral surface of the frame. Holes (19) are used to form a collector system at the oxygen inlet, holes (20) - at the oxygen outlet, holes (21) - at the hydrogen inlet, holes (22) - at the hydrogen outlet, holes (23) - at the inlet of the cooling medium, openings (24) - at the outlet of the cooling medium. Channels (25, 26, 27, 28, 29, 30) communicate battery collector systems with a TE oxygen chamber (
Кислородная (воздушная) пластина (14) БОП (фиг.4) имеет ответные отверстия (19, 20, 21, 22, 23, 24) коллекторной системы, а также отверстия (32, 33), которые при наложении пластины на рамку (12) сообщают каналы (25, 26) рамки с кислородной камерой ТЭ. Каналы (27, 28) рамки перекрываются кислородной пластиной, исключая сообщения водородных каналов с кислородной камерой.The oxygen (air) plate (14) of the BOP (Fig. 4) has mating holes (19, 20, 21, 22, 23, 24) of the collector system, as well as holes (32, 33), which when the plate is applied to the frame (12 ) report the channels (25, 26) of the frame with the oxygen chamber of the fuel cell. The channels (27, 28) of the frame are blocked by an oxygen plate, excluding the communication of hydrogen channels with the oxygen chamber.
Водородная пластина БОП (фиг.5) также имеет отверстия (19, 20, 21, 22, 23, 24) коллекторной системы и отверстия (34, 35), которые при наложении пластины на рамку (12) сообщают каналы (27, 28) рамки с водородной камерой топливного элемента. Каналы (25, 26) рамки перекрываются водородной пластиной, исключая сообщения кислородных каналов с водородной камерой. Таким образом, реагенты из коллекторной системы через каналы в рамке и отверстия в водородной и кислородной пластинах поступают: водород - только в водородную камеру, кислород (воздух) - только в кислородную камеру, в связи с этим нет необходимости в промежуточных рамках для подачи реагентов в водородную и кислородную камеры. Токовые сеточные коллекторы в этом случае размещаются в центральном поле МЭС, а зазор в камерах регулируется высотой рамки над газодиффузионными коллекторами.The BOP hydrogen plate (Fig. 5) also has openings (19, 20, 21, 22, 23, 24) of the collector system and openings (34, 35), which, when the plate is applied to the frame (12), communicate with the channels (27, 28) frames with a hydrogen cell fuel cell. The channels (25, 26) of the frame are blocked by a hydrogen plate, excluding the communication of the oxygen channels with the hydrogen chamber. Thus, the reagents from the collector system through the channels in the frame and the holes in the hydrogen and oxygen plates enter: hydrogen - only into the hydrogen chamber, oxygen (air) - only into the oxygen chamber, in this connection there is no need for intermediate frames for supplying the reagents to hydrogen and oxygen chambers. The current grid collectors in this case are located in the central field of the MES, and the gap in the chambers is regulated by the height of the frame above the gas diffusion collectors.
Соединение деталей БОП между собой и их герметизация по сопрягаемым поверхностям производится клеепереносящей пленкой, обладающей адгезивными свойствами.The connection of the BOP components with each other and their sealing along the mating surfaces is carried out by an adhesive transfer film with adhesive properties.
На фиг.6 приведена упрощенная схема одного ТЭ, который включает МЭС (36), БОП (37), токовые сеточные коллекторы в водородной (38) и кислородной (39) камерах. Все составляющие ТЭ имеют электрический и механический контакт между собой. Сеточные токовые коллекторы изготавливаются не менее чем из двух сеток - с мелкими ячейками со стороны газодиффузионного коллектора и с крупными ячейками со стороны БОП. Между металлическими сетками размещена промежуточная сетка (40) из натурального (например, из хлопка) или синтетического материала, обладающего свойствами изменять угол смачивания капель воды и способствовать образованию пленочного течения вдоль сеток и пластин БОП.Figure 6 shows a simplified diagram of one fuel cell, which includes MES (36), BOP (37), current grid collectors in the hydrogen (38) and oxygen (39) chambers. All TE components have electrical and mechanical contact with each other. Mesh current collectors are made of at least two grids - with small cells on the side of the gas diffusion collector and with large cells on the side of the BOP. Between the metal grids, an intermediate grid (40) of natural (e.g., cotton) or synthetic material with the properties of changing the wetting angle of water droplets and promoting the formation of a film flow along the grids and BOP plates is placed.
Система из не менее чем двух ТЭ образует батарею ТЭ, разделенных БОП. Герметизация ТЭ между собой в батарее производится клеепереносящей пленкой, выполняющей функции адгезива.A system of at least two fuel cells forms a battery of fuel cells separated by a BOP. The sealing of the fuel cells with each other in the battery is carried out by an adhesive-transfer film that performs the functions of an adhesive.
Техническим результатом предложенного изобретения является упрощение конструкции и улучшение технологии изготовления ТЭ и батареи ТЭ, повышение электрических и ресурсных характеристик ТЭ и батареи ТЭ, снижение массогабаритных характеристик батареи.The technical result of the proposed invention is to simplify the design and improve the manufacturing technology of TE and the TE battery, increase the electrical and resource characteristics of the TE and the TE battery, reduce the overall dimensions of the battery.
Заявленный технический результат достигается следующими техническими решениями:The claimed technical result is achieved by the following technical solutions:
- полимерный электролит (мембрана) с электродами, водородный и кислородный газодиффузионные коллекторы посредством полимерной рамки объединены в единую интегральную МЭС;- a polymer electrolyte (membrane) with electrodes, hydrogen and oxygen gas diffusion collectors by means of a polymer frame are combined into a single integrated MES;
- в интегральной МЭС мембрана с электродами и газодиффузионными коллекторами помещены в паз рамки и загерметизированы герметиком, располагаемым в свободном объеме паза в рамке по периметру мембраны за пределами электродов и газодиффузионных коллекторов;- in an integral MES, a membrane with electrodes and gas diffusion collectors is placed in the groove of the frame and sealed with a sealant located in the free volume of the groove in the frame around the perimeter of the membrane outside the electrodes and gas diffusion collectors;
- для надежности герметизации и увеличения прочности заделки между рамкой, герметиком и газодиффузионными коллекторами проложена клеепереносящая пленка, выполняющая функции адгезивного слоя;- for the reliability of sealing and increase the strength of the seal between the frame, the sealant and the gas diffusion manifolds, an adhesive transfer film has been laid out that performs the functions of an adhesive layer;
- в интегральной МЭС газодиффузионные коллекторы совместно с мембраной заделаны в рамку, закрывая всю поверхность мембраны за исключением области герметизации мембраны, и предохраняют мембрану от возможных механических повреждений;- in the integrated MES, gas diffusion collectors together with the membrane are embedded in the frame, covering the entire surface of the membrane with the exception of the sealing area of the membrane, and protect the membrane from possible mechanical damage;
- в интегральной МЭС, в области узла герметизации мембраны, одна из пластин рамки имеет отверстия для удаления излишков герметика, равномерно расположенные по периметру мембраны;- in the integrated MES, in the area of the membrane sealing assembly, one of the frame plates has openings for removing excess sealant evenly spaced around the membrane;
- сеточные токовые коллекторы в ТЭ размещаются и фиксируются в центральной прямоугольной области рамки интегральной МЭС; а степень обжатия активной (центральной) области интегральной МЭС обеспечивается заданным превышением толщины сеточных токовых коллекторов над толщиной рамки МЭС от уровня газодиффузионных коллекторов;- grid current collectors in the fuel cell are placed and fixed in the central rectangular region of the integrated MES frame; and the degree of compression of the active (central) region of the integrated MES is ensured by the specified excess of the thickness of the grid current collectors over the thickness of the MES frame from the level of gas diffusion collectors;
- в токовых сеточных коллекторах (между сетками) размещена неметаллическая сетка из натурального (например, из хлопка) или синтетического материала, обладающего свойствами изменять угол смачивания капель воды и способностью к образованию пленочного течения вдоль сеток и поверхности БОП;- in the current grid collectors (between the grids) there is a non-metal grid made of natural (for example, cotton) or synthetic material that has the ability to change the wetting angle of water droplets and the ability to form a film flow along the grids and the surface of the BOP;
- БОП выполняет также функцию подвода и распределения реагентов (водорода, кислорода, воздуха) по водородной и кислородной камерам ТЭ и удаления продуктов реакции посредством каналов в рамке БОП, сообщающих коллекторную систему батареи по водороду и кислороду с соответствующей газовой камерой ТЭ через отверстия в боковых пластинах БОП;- The BOP also performs the function of supplying and distributing reagents (hydrogen, oxygen, air) through the hydrogen and oxygen chambers of the fuel cell and removing reaction products through channels in the frame of the BEC communicating the collector system of the battery through hydrogen and oxygen with the corresponding gas chamber of the fuel cell through openings in the side plates BOP;
- в центральном окне рамки БОП, в области размещения металлической распределительной сетки, предусмотрены перегородки, обеспечивающие «серпантинное» обтекание теплоносителем распределительной сетки внутри БОП с числом ходов не менее трех;- in the central window of the BOP frame, in the area where the metal distribution grid is placed, partitions are provided that provide a “serpentine” flow around the distribution grid inside the BOP with a number of strokes of at least three;
- подача реагентов в газовые камеры ТЭ и их отвод производится через множество мелких каналов в рамке и отверстий в боковых пластинах БОП, равномерно распределенных по ширине газовой камеры, а каналы на входе реагентов в газовые камеры задросселированы;- the supply of reagents to the gas chambers of the fuel cell and their removal is carried out through many small channels in the frame and holes in the side plates of the BOP, evenly distributed across the width of the gas chamber, and the channels at the inlet of the reagents in the gas chambers are throttled;
- минимизация толщины ТЭ и, как следствие, габаритов батареи ТЭ за счет минимизации зазора в газовых камерах ТЭ, обеспечиваемая принципом подачи реагентов в топливный элемент через БОП, и минимизации зазора между боковыми пластинами БОП;- minimizing the thickness of the fuel cell and, as a result, the dimensions of the battery of the fuel cell by minimizing the gap in the gas chambers of the fuel cell, provided by the principle of supplying reagents to the fuel cell through the BOP, and minimizing the gap between the side plates of the BOP;
- соединение и герметизация ТЭ между собой в пакете клеепереносящей пленкой без использования прокладок из эластомера и специального клея.- connection and sealing of fuel cells with each other in a bag with an adhesive film without the use of gaskets made of elastomer and special glue.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006141365/09A RU2328060C1 (en) | 2006-11-23 | 2006-11-23 | Fuel element and fuel-cell battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006141365/09A RU2328060C1 (en) | 2006-11-23 | 2006-11-23 | Fuel element and fuel-cell battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2328060C1 true RU2328060C1 (en) | 2008-06-27 |
Family
ID=39680215
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006141365/09A RU2328060C1 (en) | 2006-11-23 | 2006-11-23 | Fuel element and fuel-cell battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2328060C1 (en) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2465692C1 (en) * | 2008-09-26 | 2012-10-27 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Gas-diffusion layer for fuel cell |
RU2496186C1 (en) * | 2012-04-19 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Fuel element and battery of fuel elements |
RU2504868C2 (en) * | 2012-04-28 | 2014-01-20 | Открытое акционерное общество "Объединенная авиастроительная корпорация" | Fuel cell and fuel cell battery |
RU2528426C1 (en) * | 2010-07-21 | 2014-09-20 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | System of fuel cells and method of operation of system |
RU2534021C2 (en) * | 2009-05-22 | 2014-11-27 | Топсеэ Фюэль Селл А/С | Module assembly of batteries of solid oxide fuel cells and method for its operation |
RU2545508C2 (en) * | 2009-03-26 | 2015-04-10 | Топсеэ Фюэль Селл А/С | Compression device for fuel or electrolytic cells in fuel-cell battery or electrolytic-cell battery |
WO2015126746A1 (en) * | 2014-02-20 | 2015-08-27 | Proton Energy Systems, Inc. | Electrochemical cell |
RU2630896C2 (en) * | 2012-06-11 | 2017-09-14 | ЭйчТиСЕРАМИКС С.А. | Gas distribution element for fuel element |
RU2723294C1 (en) * | 2019-12-30 | 2020-06-09 | Акционерное общество "Группа компаний ИнЭнерджи" (АО "ГК ИнЭнерджи") | Bipolar plate for stacks of fuel cells |
RU2743099C1 (en) * | 2019-11-27 | 2021-02-15 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Fuel cell and the method of its production |
RU2764542C2 (en) * | 2017-08-16 | 2022-01-18 | Серес Интеллекчуал Проперти Компани Лимитед | Solid oxide fuel cell unit on a metal substrate and method for manufacture thereof |
RU2785834C1 (en) * | 2022-08-17 | 2022-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | Bipolar fuel cell cold store |
-
2006
- 2006-11-23 RU RU2006141365/09A patent/RU2328060C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2465692C1 (en) * | 2008-09-26 | 2012-10-27 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Gas-diffusion layer for fuel cell |
RU2545508C2 (en) * | 2009-03-26 | 2015-04-10 | Топсеэ Фюэль Селл А/С | Compression device for fuel or electrolytic cells in fuel-cell battery or electrolytic-cell battery |
RU2534021C2 (en) * | 2009-05-22 | 2014-11-27 | Топсеэ Фюэль Селл А/С | Module assembly of batteries of solid oxide fuel cells and method for its operation |
RU2528426C1 (en) * | 2010-07-21 | 2014-09-20 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | System of fuel cells and method of operation of system |
RU2496186C1 (en) * | 2012-04-19 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Fuel element and battery of fuel elements |
RU2504868C2 (en) * | 2012-04-28 | 2014-01-20 | Открытое акционерное общество "Объединенная авиастроительная корпорация" | Fuel cell and fuel cell battery |
US10468695B2 (en) | 2012-06-11 | 2019-11-05 | SOLIDpower SA | Gas distribution element for a fuel cell |
RU2630896C2 (en) * | 2012-06-11 | 2017-09-14 | ЭйчТиСЕРАМИКС С.А. | Gas distribution element for fuel element |
US10273586B2 (en) | 2014-02-20 | 2019-04-30 | Proton Energy Systems, Inc. | Electrochemical cell |
WO2015126746A1 (en) * | 2014-02-20 | 2015-08-27 | Proton Energy Systems, Inc. | Electrochemical cell |
RU2764542C2 (en) * | 2017-08-16 | 2022-01-18 | Серес Интеллекчуал Проперти Компани Лимитед | Solid oxide fuel cell unit on a metal substrate and method for manufacture thereof |
US11258088B2 (en) | 2017-08-16 | 2022-02-22 | Ceres Intellectual Property Company Limited | Metal supported solid oxide fuel cell unit and its method of manufacture |
RU2743099C1 (en) * | 2019-11-27 | 2021-02-15 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Fuel cell and the method of its production |
RU2723294C1 (en) * | 2019-12-30 | 2020-06-09 | Акционерное общество "Группа компаний ИнЭнерджи" (АО "ГК ИнЭнерджи") | Bipolar plate for stacks of fuel cells |
WO2021137730A1 (en) * | 2019-12-30 | 2021-07-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | Bipolar plate for fuel cell stacks |
CN114946055A (en) * | 2019-12-30 | 2022-08-26 | 无线能源有限责任公司 | Bipolar Plates for Fuel Cell Stacks |
RU2785834C1 (en) * | 2022-08-17 | 2022-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | Bipolar fuel cell cold store |
RU2803926C1 (en) * | 2023-06-28 | 2023-09-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | Bipolar fuel cell plate |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2328060C1 (en) | Fuel element and fuel-cell battery | |
JP3793141B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell and separator | |
US6946212B2 (en) | Electrochemical fuel cell stack with improved reactant manifolding and sealing | |
US6756149B2 (en) | Electrochemical fuel cell with non-uniform fluid flow design | |
US9099693B2 (en) | Fuel cell and fuel cell separator | |
JP5318696B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP3530198B2 (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
WO2011158551A1 (en) | Fuel cell | |
JP4289398B2 (en) | Seal-integrated membrane electrode assembly | |
JP3570669B2 (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell and manufacturing method thereof | |
CA2330946A1 (en) | Fuel cell stack assembly | |
JP5587347B2 (en) | Fuel cell | |
JP7059706B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP5415319B2 (en) | Fuel cell | |
JP5144226B2 (en) | Fuel cell | |
KR20160024104A (en) | Stack assembly for air-electrode battery | |
JP5297990B2 (en) | Fuel cell | |
WO2018217586A1 (en) | Sealing arrangement for a solid polymer electrolyte fuel cell | |
GB2336937A (en) | Stack assembly primarily for an electrochemical cell | |
CN107534179B (en) | Fuel cell stack | |
US20230006237A1 (en) | Cell unit and cell stack | |
JP6150528B2 (en) | Fuel cell stack | |
WO2017216621A2 (en) | Fuel cell stacks with bent perimeter flow field plates | |
JP2004158463A (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell | |
JP6395121B2 (en) | Fuel cell stack |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20130930 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201124 |