ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2009. Т. 9, № 3. С.161-165

УДК 66.02; 536.7;

СПОСОБЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ПЛАСТИН ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

М. С. Власкин, Е. И. Школьников, Е. А. Киселева, А. А. Чиненов*, В. П. Харитонов*

Институт новых энергетических проблем ОИВТ РАН, Москва, Россия *ЗАО «Римос», Москва, Россия E-mail: [email protected]

Поступила в редакцию 11.06.09 г.

Статья посвящена исследованию влияния поверхностных обработок биполярных пластин (БП) на удельные электрические характеристики топливных элементов (ТЭ). Исследования проводились на пластинах на основе титана. Рассмотрены два способа обработки БП: электрохимическое золочение и ионная имплантация углерода. Представлены краткие описания приведенных технологий, а также методика и результаты экспериментов. Показано, что как золочение, так и легирование углеродом поверхности титановых БП улучшают электрические характеристики ТЭ. Относительные уменьшения омических сопротивлений ТЭ по сравнению с титановыми пластинами без покрытий составили 1,8 для электрохимического золочения и 1,4 для ионной имплантации.

Ключевые слова: водородно-воздушные топливные элементы, биполярные пластины на основе титана, имплантация углеродом, импедансная спектроскопия.

The Work is devoted to the research of influence of superficial processings of bipolar plates (BP) on specific electric characteristics of fuel ce)(s (FC). Researches were conducted on plates on the basis of the titan. Two methods of processing BP are considered: electrochemical gilding and ionic implantation of carbon. In work short descriptions of the resulted technologies, and also a technique and results of experiments are presented. In work it is shown that as gilding, and ionic implantation carbon titanic BP electric characteristics FC improve. Relative reduction of ohmic resistance FC in comparison with "pure"titanic plates have constituted 1,8 for electrochemical gilding and 1,4 for ionic implantation.

Key words: hydrogen-air fuel cells, bipolar titanium-based plates, carbon implantation, impedance spectroscopy.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мире используют два основных типа материалов для БП : БП из углерода или графитовых полимерных композитов и металлические БП.

Исследования в области графитовых БП привели к существенному улучшению их физико-химических свойств и удельных характеристик . БП на основе графита являются более коррозионно-стойкими, чем металлические, но главным их недостатком по-прежнему остается слабая механическая прочность, что препятствует их использованию в ТЭ для транспортных и переносных портативных энергоустановок.

В связи с этим металлы имеют несколько несомненных преимуществ перед углеродными материалами. Для них характерна более высокая тепло- и электропроводность, отсутствие пор, газонепроницаемость и высокая механическая прочность. Металлические БП являются также более выгодными, чем графитовые с точки зрения экономики. Однако все вышеперечисленные достоинства металлов в значительной мере обесцениваются такими недостатками, как малая коррозионная стойкость и высокое контактное сопротивление с углеродными газодиффузионными слоями (ГДС).

Наиболее перспективным металлом, как материалом для изготовления БП, является титан. В работе приводятся некоторые преимущества титановых БП. Титан обладает хорошими механическими свойствами, и загрязнение ионами титана не опасно для катализатора мембранно-электродных блоков (МЭБ). Коррозионная стойкость титана также одна из самых высоких среди металлов, однако в агрессивной среде ТЭ титан все же необходимо защищать от коррозии . Дополнительным фактором поиска покрытий для титана является его высокое контактное сопротивление с углеродными ГДС.

Наша лаборатория (Лаборатория алюмоводо-родной энергетики ОИВТ РАН) занимается разработкой портативных источников питания на основе водородно-воздушных ТЭ (ВВТЭ). В качестве материала БП, в том числе в силу вышесказанного, выбран титан. Работы, проведенные нами ранее , подтвердили необходимость поиска покрытий и/или способов дополнительной его обработки.

Хорошо известным способом защиты поверхности титана является его покрытие золотом . Данное покрытие увеличивает коррозионную стойкость и уменьшает омическое сопротивление ТЭ, что приводит к улучшению его электрических характеристик. Однако эта технология достаточно

© , 2009

М. С. ВЛАСКИН, Е. И. ШКОЛЬНИКОВ, Е. А. КИСЕЛЕВА, А. А. ЧИНЕНОВ, В. П. ХАРИТОНОВ

затратная, главным образом из-за использования драгоценных металлов.

В данной работе, помимо электрохимического золочения, рассмотрен способ изготовления БП из титана с последующей ее обработкой методом ионной имплантации. Легирование углеродом поверхности БП создает дополнительную коррозионную защиту и уменьшает контактное сопротивление с углеродными ГДС. Данная технология обещает снизить затраты на изготовление БП, сохранив при этом высокие электрические характеристики.

В работе представлены результаты экспериментов по сравнению электрических характеристик БП из «чистого» титана (т. е. без покрытий), из титана, электрохимически покрытого золотом, и из титана, легированного углеродом методом ионной имплантации.

1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве электрических характеристик, с помощью которых сравнивались между собой вышеперечисленные способы изготовления БП из титана, были выбраны вольт-амперная кривая и импеданс ТЭ. Эксперименты проводились на специализированном импедансметре Z-500PX (с функциями по-тенциостата) фирмы ООО «Элинс». ТЭ нагружался встроенной в импеданс электронной нагрузкой в потенциостатическом режиме при напряжениях 800, 700, 600 и 500 мВ. При каждом напряжении ТЭ выдерживался 2000 с для выхода на стационарное состояние, после чего следовало измерение импеданса. В каждом случае после выдержки и

выхода ТЭ на стационарное состояние снималось по 5 годографов. При измерении импеданса амплитуда возмущающего синусоидального сигнала напряжения составляла 10 мВ, диапазон частот 105-1 Гц. По стационарным значениям строились вольт-амперные кривые.

Все эксперименты проводились на специально изготовленных модельных тестовых ВВТЭ (рис. 1). Тестовый элемент представляет собой единичный МЭБ, зажатый между двумя токосъемными пластинами, являющимися аналогами концевых пластин в батареях ТЭ. Габаритный размер токосъемных пластин - 28x22 мм, толщина - 3мм каждая. Для удобства токосъема пластины имеют специальные «хвостики» 4x4 мм. Размер активной поверхности 12x18 мм (2.16 см2). Водород подается к МЭБ через анодную токосъемную пластину и распространяется согласно заданному полю течения на активной поверхности этой пластины. Воздух питает ВВТЭ за счет естественной конвекции. Катодная токосъемная пластина имеет 4 канала диаметром 2 мм с прорезями в области активной поверхности. Длина канала, по которому распространяется воздух, составляет 22 мм. Трехэлементные МЭБ изготовлены из Майоп 212, с расходом платинового катализатора 0.2 мг/см2 на аноде и 0.5 мг/см2 на катоде.

Тестовые ВВТЭ собирались из одинаковых комплектующих за исключением токосъемных пластин. Было изготовлено три пары токосъемных пластин из титана марки ВТ1-0. Первая пара представляла собой «чистые» шлифованные титановые

Рис. 1. Тестовый ТЭ в разборном состоянии. Детали слева направо: анодная токосъемная пластина, уплотнение, ГДС анода, МЭБ, ГДС катода, уплотнение, катодная токосъемная пластина; снизу - крепежные винты и гайки

пластины, т. е. без покрытий и какой-либо дополнительной обработки. Вторая была покрыта золотом толщиной 3 мкм через подслой никеля толщиной 2 мкм стандартным электрохимическим методом. Третья пара была легирована углеродом методом ионной имплантации.

Технологический процесс ионной имплантации известен около 50 лет. Он основан на внедрении ускоренных ионов вещества в материал мишени для изменения физико-химических свойств ее поверхности . Ионная имплантация титановых БП и концевых пластин осуществлялась на специализированном стенде ЗАО «РИМОС» . Стенд представляет собой инжектор с возможностью создания ускоренных ионных пучков различных веществ в условиях высокого безмасляного вакуума. Имплантированные на данном стенде пластины из титана имеют высокую коррозионную стойкость и сплошность легирования . Титановые пластины подвергались ионно-лучевой обработке при энергии ионов 20 кэВ, дозе имплантации 1018 см-2 и температуре обрабатываемого изделия 300 °С±10 °С.

Было проведено измерение дозы имплантации углерода по глубине профиля распределения шлифованной пластины из титана методом вторичной ионной масс-спектрометрии на оборудовании САМЕСА 1М84Б (Франция). Кривая распределения концентрации углерода в титане показана на рис. 2. Согласно рисунку, глубина поверхностного слоя углерода составляет 200^220 нм, что является достаточным для получения принципиально новых физико-химических свойств поверхности БП.

1016 _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Глубина, мкм

Рис. 2. Кривая распределения концентрации углерода в титане

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 представлены вольт-амперные кривые и соответствующие им кривые плотности мощности для ТЭ с различными токосъемными пластинами. Абсолютные значения тока и мощности отнесены к площади активной поверхности МЭБ, составляющей 2.16 см2. Из рисунка явно следует, что как легирование углеродом, так и электрохимическое золочение приводит к улучшению удельных характеристик ТЭ. Необходимо отметить, что вольт-амперные характеристики отображают одновременно активационные, омические и диффузионные потери в ТЭ. Активационные потери связаны с преодолением энергетического барьера электродных реакций, омические потери представляют собой сумму электрических сопротивлений каждого из электропроводящих слоев ТЭ и контактных сопротивлений между ними, а диффузионные потери связаны с недостатком подвода реагентов в реакционную область МЭБ. Несмотря на то, что в различных областях плотностей тока преобладает, как правило, один из трех вышеперечисленных видов потерь, вольт-амперных кривых и кривых плотностей мощности недостаточно для количественной оценки того или иного способа обработки БП (концевых пластин). В нашем случае интерес представляют омические потери ТЭ. Активационные и диффузионные потери в первом приближении для всех ТЭ одинаковые: активационные благодаря использованию одинаковых МЭБ с одинаковым расходом катализатора, диффузионные благодаря одинаковой конструкции тестовых токосъемных пластин.

Для идентификации омических потерь были использованы полученные в ходе экспериментов годографы импеданса. Результаты данной части экспериментов изображены на рис. 4. В качестве примера на рисунках показано по одному из пяти годографов, снимаемых в каждом случае после выхода ТЭ на стационарное состояние.

Импедансная спектроскопия позволяет количественно оценивать электрические потери ТЭ. В работах представлено описание данного метода применительно к ВВТЭ. В соответствии с правилами интерпретации годографов омическим сопротивлением является действительная часть импеданса при высоких частотах (/ = 105-104 Гц). Значение выбирается в точке пересечения годографа с осью абсцисс (1т Я = 0) в области высоких частот. Также с помощью годографов находят емкостное сопротивление двойного слоя на поверхности электрод/электролит. Диаметр полуокружности годографа характеризует полное сопротивление прохождению заряда через этот слой. На рис. 4 годографы импедансов представлены в диапазоне

М. С. ВЛАСКИН, Е. И. ШКОЛЬНИКОВ, Е. А. КИСЕЛЕВА, А. А. ЧИНЕНОВ, В. П. ХАРИТОНОВ

Рис. 3. Вольт-амперные кривые (а) и соответствующие им кривые плотности мощности (б): - - - титан без покрытий,

Ж- - титан + С, -■- - титан + N1 + Аи

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1т, От 3.8 3.4 3.0 2.6 2.2 1.8 1.4 1.0 0.6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Рис. 4. Импеданс ТЭ при постоянной поляризации, мВ: а - 800, б - 700 в - 600, г - 500: - - титан без покрытия;

Титан + N1 + Аи; о - титан + С

частот 105-1 Гц, так как стоит отметить достаточно высокие диффузионные потери ТЭ (свыше 2 Ом-см2). Однако это не является следствием обработок поверхности титановых пластин, а связано с конструкцией катодной токосъемной пластины и условиями естественной конвекции при подаче воздуха к МЭБ.

В таблице представлены абсолютные значения омических сопротивлений в зависимости от поляризации ТЭ и способа обработки его токосъемных пластин, а также их систематические погрешности. Результаты говорят о том, что золочение приблизительно в 1.8 раза уменьшает суммарное омическое сопротивление по сравнению с титаном без покрытий за счет уменьшения контактных потерь. Легирование ионами углерода дает выигрыш соответственно в « 1.4 раза. Ведичина доверительного интервала говорит о высокой точности измерений значений омнических сопротивлений.

Омическое сопротивление ТЭ (Ом) с токосъемными пластинами из титана без покрытий, из титана, электрохимически покрытого N1, Аи, и из титана, легированного ионами С+, в зависимости от поляризации ТЭ

Образец Напряжение на ТЭ, мВ

Титан без покрытий 0.186 0.172 0.172 0.169

Титан+Ni, Au 0.1 0.098 0.097 0.093

Титан+C 0.131 0.13 0.125 0.122

Таким образом, доказано, что как золочение, так и легирование углеродом титановых БП уменьшает их контактное сопротивление с углеродными ГДС. Покрытие пластин золотом оказывается немного выгоднее с точки зрения электрических характеристик, чем их обработка методом ионной имплантации.

Все вышесказанное говорит о том, что как одна, так и другая из рассмотренных технологий могут быть использованы для обработки титановых БП.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Middelman E., Kout W, Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de, //J. Power Sources. 2003. Vol. 118. P. 44-46.

2. Добровольский Ю.А., Укше А.Е., Левченко А.В., Архангельский И.В., Ионов С.Г., Авдеев В.В., Алдошин С.М. // Журн. Рос. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева. 2006. Т.1, №6. С.83-94.

3. S.-Wang H, Peng J., Lui W.-B., Zhang J.-S. // J. Power Sources. 2006. Vol.162. P.486-491.

4. Davies D.P., Adcock P.L., Turpin M., Rowen S.J., // J. Appl. Electrochem. 2000. Vol.30. P.101-105.

5. Школьников Е.И., Власкин М.С., Илюхин А.С., Тара-сенко А.Б., Электрохим. энергетика. 2007. Т.7, №4 С. 175-182.

6. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Iljukhin A.S., Zhuk A.Z., Sheindlin A.E. // J. Power Sources. 2008. Vol.185. P.967-972.

7. Fabian T., Posner J. D., O"Hayre R., Cha S.-W., Eaton J. K., Prinz F. B., Santiago J. G. // J. Power Sources. 2006. Vol.161. P.168-182.

8. Ионная имплантация в полупроводники и другие материалы: Сб. ст. М.: Мир, 1980.

9. Плешивцев Н.В., Бажин А.И.. Физика воздействия ионных пучков на материалы. М.: Вузовская книга, 1998.

10. Ионная имплантация. М.: Металлургия, 1985.

11. Пат. 2096856 РФ, МПК: H01J027/24, H01J003/04 / Машковцев Б.Н.. Способ получения ионного пучка и устройство для его осуществления.

12. Пат. 2277934 РФ, МПК: A61L2/00, A61L2/14 / Харитонов В.П., Чиненов А.А., Симаков А.И., Самков А.В. Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники.

13. Пат. 2109495 РФ, МПК: A61F002/24 / Иосиф Н.А., Кеворкова Р.А.,. Самков А.В, Симаков А.И., Харитонов В.П., Чиненов А.А. Искусственный клапан сердца и способ его изготовления.

14. Cooper K.R., Ramani V., Fenton J.M., Kunz H.R. Experimental methods and data analyses for polymer electrolyte fuel cells, Scribner Associates, Inc., Illinois, 2005. 122 p.

15. National Energy Technology Laboratory. Fuel Cell Hand Book, sixth ed., G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, West Virginia, 2002. 352 p.

Электроды ТОТЭ, произведённого в ИФТТ РАН: зелёный — анод и чёрный — катод. Топливные элементы расположены на биполярных пластинах для батарей из ТОТЭ

Недавно моя знакомая побывала в Антарктиде. Увлекательное путешествие! — рассказывала она, туристический бизнес развит равно настолько, чтобы привезти путешественника на место и дать ему насладиться суровым великолепием предполярья, не замерзнув при этом насмерть. А это не так просто, как может показаться — даже с учетом современных технологий: электричество и тепло в Антарктиде на вес золота. Посудите сами, обычные дизельные генераторы загрязняют девственные снега, и требуют завоза большого количества топлива, а возобновляемые источники энергии пока не слишком эффективны. Например, на популярной у антарктических туристов музейной станции вся энергия генерируется за счёт силы ветра и солнца, но в помещениях музея прохладно, а душ четверо смотрителей принимают исключительно на кораблях, которые привозят к ним гостей.

Проблемы с постоянным и бесперебойным энергоснабжением знакомы не только полярникам, но и любым производителям и людям, живущим в удалённых районах.

Решить их могут новые способы запасания и генерации энергии, среди которых наиболее перспективными выглядят химические источники тока. В этих мини-реакторах энергия химических преобразований непосредственно, без перехода в тепловую, превращается в электричество. Тем самым резко снижаются потери и, соответственно расход топлива.

В химических источниках тока могут происходить разные реакции, и у каждой есть свои достоинства и недостатки: некоторые быстро «выдыхаются», другие могут работать только при определённых условиях, например, сверхвысоких температурах, или на строго определённом топливе, вроде чистого водорода. Группа учёных из Института физики твёрдого тела РАН (ИФТТ РАН) под руководством Сергея Бредихина сделала ставку на так называемый твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ). Учёные уверены, что при правильном подходе он сможет заменить неэффективные генераторы в Заполярье. Их проект был поддержан в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки на 2014-2020 годы ».

Сергей Бредихин, руководитель проекта ФЦП «Разработка лабораторной масштабируемой технологии изготовления ТОТЭ планарной конструкции и концепции создания на их базе энергетических установок различного назначения и структуры, включая гибридные, с изготовлением и испытаниями маломасштабного экспериментального образца энергоустановки мощностью 500 — 2000 Вт»

Без шума и пыли, но с полной отдачей

Сегодня борьба в энергетике идёт за полезный выход энергии: учёные бьются за каждый процент КПД. Повсеместно используются генераторы, работающие по принципу внутреннего сгорания на углеводородном топливе — мазуте, угле, природном газе (последний вид топлива является наиболее экологически чистым). Потери при их использовании существенны: даже при максимальной оптимизации КПД таких установок не превышает 45%. При этом во время их работы образуются оксиды азота (NOx), которые при взаимодействии с водой в атмосфере превращаются в достаточно агрессивные кислоты.

Батарея ТОТЭ под механической нагрузкой

У твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) нет таких «побочных эффектов». Такие установки имеют КПД более 50% (и это только по выходу электроэнергии, а при учёте теплового выхода КПД может достигать 85-90%), и опасных соединений в атмосферу они не выбрасывают.

«Это очень важная технология для Арктики или Сибири, где особенно важна экология и проблемы с завозом горючего. Потому что ТОТЭ потребляют в разы меньше топлива, — пояснил Сергей Бредихин. - Они должны работать без остановок, поэтому они хорошо подходят для работы на полярной станции, или северном аэродроме».

При сравнительно невысоком потреблении топлива такая установка еще и работает без обслуживания до 3-4 лет. «Дизель-генератор, который сейчас наиболее часто используется, требует замены масла через каждую тысячу часов. А ТОТЭ работает 10-20 тысяч часов без обслуживания», — подчеркнул младший научный сотрудник ИФТТ Дмитрий Агарков.

От идеи к батарее

Принцип работы ТОТЭ достаточно прост. Они представляют собой «батарею», в которой собрано несколько слоёв твердооксидных топливных элементов. У каждого элемента есть анод и катод, со стороны анода к нему подведено топливо, а со стороны катода — воздух. Примечательно, что для ТОТЭ подходят самые разные виды топлива от чистого водорода до угарного газа и различных углеводородных соединений. В результате реакций, протекающих на аноде и катоде, расходуется кислород и топливо, а также создается ток ионов между электродами. Когда батарея встроена в электрическую цепь, в той начинает течь ток.

Компьютерное моделирование распределения токов и температурных полей в батарее из ТОТЭ размером 100×100 мм.

Неприятной особенностью работы ТОТЭ является необходимость высоких температур. Например, образец, собранный в ИФТТ РАН, работает при 850?С. Чтобы разогреться до рабочей температуры, генератору требуется примерно 10 часов, зато потом он будет работать несколько лет.

Разрабатываемые в ИФТТ РАН твердооксидные элементы будут производить до двух киловатт электроэнергии — в зависимости от размера топливной пластины и количества этих пластин в батарее. Маленькие макетные образцы батарей на 50 ватт уже собраны и протестированы.

Особое внимание надо уделить самим пластинам. Одна пластина состоит из семи слоёв, каждый из которых имеет свою функцию. По два слоя на катоде и аноде катализируют реакцию и пропускают электроны, керамическая прослойка между ними изолирует разные среды (воздух и топливо), но пропускает заряженные ионы кислорода. При этом сама мембрана должна быть достаточно прочной (керамика такой толщины очень легко повреждается), поэтому она сама состоит из трёх слоёв: центральный даёт необходимые физические свойства — высокую ионную проводимость, — а нанесённые с двух сторон дополнительные слои придают механическую прочность. Тем не менее, один топливный элемент очень тонкий — не более 200 микрон толщиной.

Слои ТОТЭ

Но одного топливного элемента мало — всю систему необходимо поместить в жаропрочный контейнер, который выдержит режим работы в течение нескольких лет при температуре 850?С. Кстати, в рамках реализации проекта для защиты металлических элементов конструкции учёные ИФТТ РАН используют покрытия, разработанные в ходе другого проекта.

«Когда мы начали этот проект, мы столкнулись с тем, что у нас в стране ничего нет: ни исходного сырья, ни клеёв, ни герметиков, — рассказал Бредихин. — Нам пришлось заниматься всем. Мы проделали моделирование, практиковались на маленьких топливных элементах в виде таблеточек. Выясняли, какими они должны быть по составу и конфигурации, и как расположены».

Кроме того, надо принимать во внимание, что топливный элемент функционирует в высокотемпературной среде. Это значит, надо обеспечить герметичность, проверить, что при целевой температуре материалы не станут вступать в реакцию друг с другом. Важной задачей было «синхронизировать» расширение всех элементов, ведь у каждого материала есть свой собственный линейный коэффициент температурного расширения, и, если что-то не согласовано, могут отойти контакты, порваться герметики и клеи. На изготовление данного элемента исследователями получен патент .

На пути к реализации

Наверное, поэтому у группы Бредихина в ИФТТ выстроена целая система пошаговой подготовки сперва материалов, потом пластин и, наконец, топливных элементов и генераторов. Помимо этого прикладного крыла есть и направление, занимающееся фундаментальной наукой.

В стенах ИФТТ ведётся скрупулёзный контроль качества каждой партии топливных элементов

Основным партнером в настоящем проекте является Крыловский государственный научный центр , выполняющий функцию головного разработчика энергоустановки, включая разработку необходимой конструкторской документации и изготовление «железа» на своем опытном производстве. Часть работ делают и другие организации. Например, керамическую мембрану, которая разделяет катод и анод, производит новосибирская компания НЭВЗ-Керамикс .

Кстати, участие кораблестроительного центра в проекте неслучайно. Ещё одной перспективной сферой применения ТОТЭ могут стать подводные лодки и подводные беспилотники. Для них тоже крайне важно, сколько времени они могут находиться в полностью автономном режиме.

Индустриальный партнёр проекта — фонд «Энергия без границ », возможно, будет организовывать производство небольших партий двухкиловаттных генераторов на базе Крыловского научного центра, но учёные надеются на существенное расширение производства. По словам разработчиков, энергия, полученная в генераторе ТОТЭ, конкурентоспособна даже для бытового применения в отдалённых уголках России. Стоимость кВт*час на них ожидается около 25 рублей, а при нынешней стоимости энергии в Якутии до 100 рублей за кВт*час такой генератор выглядит весьма привлекательно. Рынок уже подготовлен, уверен Сергей Бредихин, главное — успеть проявить себя.

Между тем зарубежные компании уже внедряют генераторы на основе ТОТЭ. Лидером в этом направлении является американская Bloom Energy , которая производит стокиловаттные установки для мощных вычислительных центров таких компаний, как Google, Bank of America и Walmart.

Практическая выгода понятна — огромные дата-центры, питаемые такими генераторами, должны быть независимыми от перебоев электроснабжения. Но помимо этого крупные фирмы стремятся поддержать имидж прогрессивных компаний, которые заботятся об окружающей среде.

Только вот в США за разработку таких «зелёных» технологий полагаются крупные государственные выплаты — до 3 000 долларов за каждый киловатт произведённой мощности, что в сотни раз больше финансирования российских проектов.

В России есть ещё одна область, где применение ТОТЭ-генераторов выглядит очень перспективной — это катодная защита трубопроводов. В первую очередь речь идёт о газо- и нефтепроводах, которые тянутся на сотни километров по безлюдному ландшафту Сибири. Установлено, что при подаче на металлическую трубу напряжения она меньше подвержена коррозии. Сейчас станции катодной защиты работают на термогенераторах, за которыми нужно постоянно следить и эффективность которых всего 2%. Единственное их достоинство — дешевизна, но, если посмотреть в долгосрочной перспективе, учесть затраты на топливо (а они подпитываются содержимым трубы), и эта их «заслуга» выглядит неубедительно. При помощи же станций на ТОТЭ-генераторах можно организовать не только бесперебойную подачу напряжения на трубопровод, но и передачу электроэнергии для телеметрической съёмки… Говорят, что Россия без науки — труба. Оказывается, даже этой трубе без науки и новых технологий - труба.

Разработка топливных элементов является, вероятно, наиболее желанной технологией в транспортной индустрии сегодняшнего дня, поскольку разработчики ежегодно тратят колоссальные, суммы в поисках жизнеспособной альтернативы (или дополнения) двигателю внутреннего сгорания. В течение нескольких последних лет инженеры компании Dana направили свои производственные и технические возможности на решение задачи уменьшения зависимости автомобиля от традиционных источников энергии. На протяжении истории человечества основные источники энергии изменялись от твердых видов топлива (типа древесины и угля) в сторону жидких (нефти). В ближайшие годы, как полагают многие, газообразные продукты постепенно станут доминирующим источником энергии во всем мире.

Если коротко, топливный элемент — электрохимическое устройство, в котором энергия химической реакции преобразуется непосредственно в электричество, тепло и золу. Этот процесс изменяет в лучшую сторону низкую эффективность традиционного термомеханического преобразования носителя энергии.

Рис. Автомобиль с топливными элементами

Водород — первый пример возобновляемого газообразного топлива, которое позволяет вести такую реакцию и, в конечном счете, получать электрическую энергию. И этот процесс не загрязняет окружающую среду.

Типичная модель топливного элемента с использованием энергии водорода включает в себя водород, текущий в сторону анода топливного элемента, где посредством электрохимического процесса в присутствии платинового катализатора молекулы водорода расщепляются на электроны и положительно заряженные ионы. Электроны идут и обход протонной обменной мембраны (proton exchange membrane - РЕМ), тем самым генерируется электрический ток. В то же самое время положительные ионы водорода продолжают диффундировать через топливный элемент сквозь РЕМ. Затем электроны и положительные ионы водорода объединяются с кислородом на стороне катода, образуя воду и выделяя тепло. В отличие от традиционного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, здесь электричество сохраняется в батареях или идет непосредственно в тяговые электродвигатели, которые, в свою очередь, приводят во вращение колеса.

Одно из препятствий для систем на базе топливных элементов — это отсутствие в настоящее время инфраструктуры для изготовления или поставки достаточных объемов водорода. В результате главной нерешенной проблемой остается наличие специфичного вида топлива, используемого в топливном элементе. Бензин и метанол — самые вероятные носители энергии для топливных элементов. Однако каждый вид топлива все еще стоит перед своими собственными проблемами.

В настоящее время разрабатывается технология для композитных биполярных пластин, спаянных в виде сетки, трубопроводов и интегрированных изоляторов. Инженеры разрабатывают металлические биполярные пластины со специальными покрытиями, высокотемпературными каналами области тока, высокотемпературными изоляторами и со средствами высокотемпературной зашиты. Они также разрабатывают методы управления и конструкцию топливных процессоров, пароконденсаторов, предварительных нагревателей и модулей охлаждения с интегрированными вентиляторами и моторами. Продолжается разработка решений для транспортировки водорода, углеродосодержаших жидкостей, деионизированной воды и воздуха к различным частям системы. Группа фильтрации компании Dana разрабатывает фильтры для воздушного входного отверстия системы топливного элемента.

Признано, что водород — топливо будущего. Так-же принято считать, что топливные элементы в конечном счете окажут существенное влияние на автомобильную промышленность.

Ожидается, что автомобили и грузовики со вспомогательными топливными элементами для обеспечения энергией системы кондиционирования и другой электроники в скором времени появится на дорогах.

Рис. Топливные элементы на автомобиле (

Владельцы патента RU 2267833:

Изобретение относится к автомобилестроению, судостроению, энергетической, химической и электрохимической отраслям промышленности, в частности при электролизе для получения хлора, и может найти применение при производстве топливных элементов с мембранно-электродным блоком. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, улучшение эксплуатационных свойств и характеристик биполярных пластин и топливного элемента в целом, получение биполярных пластин с токоведущими выступами произвольной формы и расположения с высотой выступов от 0,3 до 2,0 мм, а также повышение эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции, повышение коррозионной стойкости по периферии с технологической нагрузкой, которая составляет с центральной электропроводящей частью, имеющей функциональную нагрузку, единое целое. Биполярная пластина, состоящая из периферийных частей с отверстиями и центральной части с токоведущими выступами произвольной формы, вершины которых расположены в одной плоскости с периферийными частями, при этом токоведущие выступы выполнены с заданной площадью основания, с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм. Способ получения биполярной пластины включает приготовление термоотверждаемой смолы заданного состава в летучем растворителе с углеродным наполнителем, перемешивание, сушку, отжиг и прессование путем многократного нагружения до давления 15-20 МПа при температуре отверждения смолы. При этом отжиг смеси проводят при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения смеси. При приготовлении смеси углеродных порошков с растворителем соотношение твердой и жидкой фаз находится в диапазоне от 1:3 до 1:5. В состав исходной смеси для прессования добавляют 0,1-3% порообразователя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к автомобилестроению, судостроению, энергетической, химической и электрохимической отраслям промышленности, в частности при электролизе для получения хлора, и может найти применение при производстве топливных элементов с мембранно-электродным блоком.

Известны биполярные пластины, состоящие из центральной и периферийных частей, расположенных вокруг центральной части. На центральной части с одной или с двух сторон расположены для распределения потоков газообразных реагентов продольные параллельные лабиринтные канавки, образующие между собой функциональные токоведущие выступы с вершинами, расположенными в одной плоскости, с одним центральным и двумя диагональными отверстиями для циркуляции и распределения потоков электролита. На периферийных частях пластин расположены сквозные отверстия для их сборки в пакет. Периферийная и центральная части разделены уплотняющим элементом по периметру центральной части. При этом для организованного распределения потоков газообразных реагентов продольные параллельные канавки, как и функциональные токоведущие выступы, имеют лабиринтное направление от центрального отверстия к периферийным отверстиям или наоборот, см. рекламный каталог фирмы Schunk KOHLNSTOFF GmbH.

Недостатками известных биполярных пластин топливного элемента являются снижение эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции на экранируемых участках пористого коллектора тока и, как следствие, снижение плотности тока ячейки топливного элемента при заданном напряжении, возможность перекрывания каналов каплями конденсирующейся воды при флуктуациях в температурном режиме топливного элемента и/или водном балансе системы, что также ведет к снижению эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции по этим каналам и, как следствие, снижению плотности тока ячейки топливного элемента при заданном напряжении.

Известен способ получения биполярных пластин, включающий приготовление смеси термоотверждаемой смолы определенного состава в летучем растворителе, перемешивание углеродного наполнителя с приготовленным раствором до однородного состояния, сушку, прессование и термоотверждение (заявка на патент США №US 2002/0037448 A1 от 28.03.2002, МКИ Н 01 М 8/02; Н 01 В 1/4; Н 01 В 1/20).

Недостатком известного способа является проведение термоотверждения не одновременно, а после прессования изделия. Кроме того, низкотемпературная сушка смеси не обеспечивает удаления большого количества летучих компонентов из связующего, что приводит к непропрессовке микрообъемов в материале биполярных пластин, особенно в местах токоведущих выступов, служащих для обеспечения электрического контакта и механического прижима коллектора тока к каталитическому слою, что приводит к образованию дефектных мест в основании выступов и разрушению последних под воздействием рабочей нагрузки при сборке и эксплуатации батареи топливных элементов.

Ближайшим техническим решением являются биполярные пластины и способ их изготовления, состоящие из центральной и периферийных частей, расположенных противоположно относительно центральной части. На центральной части с одной или с двух сторон для распределения потоков газообразных реагентов расположены продольные параллельные канавки, образующие между собой токоведущие выступы с вершинами, расположенными в плоскости периферийных частей пластин, и их соединяющие. На периферийных частях пластин расположены сквозные отверстия, которые после сборки в пакет со смежными пластинами образуют продольные каналы для улучшения циркуляции и распределения потоков электролита. Способ получения биполярных пластин включает смешение порошковых углеграфитовых компонентов и термопластичного связующего, стойкого к коррозии, холодное прессование порошкообразной смеси в форме при 14500 кПа, нагревание при 150°С, снижение давления при 2000 кПа, повышение температуры до 205°С, доведение давления снова до 14500 кПа, с конечной фазой постепенного снижения давления и температуры. См. описание к патенту RU №2187578 С2, МПК 7 С 25 В 9/04, 9/00.

Недостатками известных биполярных пластин являются равномерное распределение потока только на коротком участке, определенном длиной средней части, и ограниченное пространство для распределения потоков газообразных реагентов, определенное количеством продольных параллельных канавок. Недостатком известного способа получения биполярных пластин является сложная технология изготовления, которая приводит к снижению эффективности формирования токоведущих выступов и дополнительным затратам.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, улучшение эксплуатационных свойств и характеристик биполярных пластин и топливного элемента в целом, получение биполярных пластин с токоведущими выступами произвольной формы и расположения с высотой выступов от 0,3 до 2,0 мм, а также повышение эффективности транспорта реагентов и отвода продуктов реакции, повышение коррозионной стойкости по периферии с технологической нагрузкой, которая составляет с центральной электропроводящей частью, имеющей функциональную нагрузку, единое целое. Технический результат достигается тем, что в биполярной пластине, состоящей из периферийных частей с отверстиями и центральной части с токоведущими выступами, вершины которых расположены в одной плоскости с периферийными частями, токоведущие выступы выполнены с заданной геометрической площадью основания, с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм, выполнены с основанием в виде круга или квадрата, или прямоугольника, или элипса, или ромба, или трапеции, или их сочетаний, токоведущие выступы выполнены в форме усеченной пирамиды, или цилиндра, или конуса, или пирамиды; токоведущие выступы выполнены в виде призмы с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм, прчем токоведущие выступы расположены произвольно или упорядоченно, или в шахматном, или ромбическом, или круговом, или спиральном, или лабиринтном порядке их расположения, а в способе получения биполярных пластин, включающем приготовление смеси термоотверждаемой смолы заданного состава в летучем растворителе, вводение углеродного наполнителя и перемешивание их до однородного состояния, сушку, прессование и термоотверждение, смесь перед прессованием подвергают сушке с последующим отжигом при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения смеси, а прессование ведут многократным нагружением до давления 15-20 МПа, при этом одновременно нагревают до отверждения смеси, отжиг осуществляют с постепенным повышением температуры в течение 10,0-15,0 ч и последующей выдержкой при этой температуре в течение 1,0-2,0 ч, а прессование ведут при температуре рабочего органа прессующего агрегата в 1,5-2,0 раза выше температуры отжига, соотношение "т:ж" при формировании смеси углеродных порошков с растворителем термоотверждаемой смолы выбирают в диапазоне от 1:3 до 1:5, в состав исходной смеси для прессования добавляют 0,1-3,0% порообразователя.

Это позволит обеспечить равномерное распределение реагентов по поверхности ячейки топливного элемента и эффективный отвод продуктов реакции и, как следствие этого, повысить плотность тока на ячейке топливного элемента при заданном напряжении.

В способе получения биполярных пластин, включающем приготовление смеси термоотверждаемой смолы определенного состава в летучем растворителе, введение углеродного наполнителя и их перемешивание до однородного состояния, сушку, прессование и термоотверждение, смесь перед прессованием подвергают сушке с последующим отжигом при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения смеси, а прессование ведут многократным нагружением до давления 15-20 МПа одновременно с нагревом, соответствующим отверждению смеси. При этом отжиг осуществляют с постепенным повышением температуры в течение 10,0-15,0 ч и последующей выдержкой при этой температуре в течение 1,0-2,0 ч, а прессование ведут при температуре рабочего органа прессующего агрегата в 1,5-2,0 раза выше температуры отжига. Соотношение "т:ж" (твердой и жидкой фаз) при формировании смеси углеродных порошков с растворителем термоотверждаемой смолы (ацетоном) варьируется в диапазоне от 1:2 до 1:5, а в состав исходной смеси для прессования добавляют 0,1-3,0% (масс.) порообразователя.

Необходимость использования термоотверждаемой смолы вызвана установленным экспериментально фактом отсутствия должного уплотнения областей токоведущих выступов при прессовании углеродсодержащих БП на термопластичном связующем, что выражалось в слабой адгезии токоведущих выступов к телу пластины и их отслоении. Наличие в смеси для прессования термоотверждаемой смолы любого состава позволяет в этом случае формировать бездефектные токоведущие выступы и БП в целом по механизму спекания с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления несмотря на продолжающийся нагрев.

Последовательность основных операций, происходящих в ходе биполярных пластин, выглядит следующим образом: формируют на поверхности частиц углеродного наполнителя тонкого слоя полимерного термоотверждаемого связующего во время подготовки смеси, ее сушки и последующего отжига, уплотнение смеси, появление жидкой фазы из-за плавления слоя связующего на частицах наполнителя, дальнейшее уплотнение изделия за счет усадки, характерной для жидкофазного спекания, термоотверждение связующего и изделия в целом.

Необходимость отжига перед прессованием обусловлена наличием в агломерированных смесях большого количества летучих компонентов, препятствующих эффективному прессованию. Более высокая температура отжига может привести к нежелательным процессам преждевременного отверждения связующего в отдельных микрообъемах смеси, а более низкотемпературный отжиг оказывается неэффективным.

Важным параметром является давление прессования. Для смесей углеродных дисперсных наполнителей и термоотверждаемого связующего давление прессования зависит от конкретного вида наполнителя и не должно превышать значения, выше которого происходит выдавливание жидкого связующего из смеси - 20 МПа. Низкое давление прессования (менее 15 МПа) не обеспечивает эффективное уплотнение БП, особенно в области токоведущих выступов.

Проведение прессования одновременно с нагревом пресс-формы со смесью под отверждение позволяет реализовать стадию 4 из указанной выше последовательности явлений, происходящих в ходе формирования пластин.

Конструктивное выполнение биполярной пластины иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид биполярной пластины, а на фиг.2 - сечение пластины по А-А с токоведущими выступами, выполненными в виде, например, цилиндра, на фиг.3 - сечение пластины по А-А с токоведущими выступами, выполненными в виде, например, конуса или пирамиды.

Биполярная пластина состоит из центральной части 1 и периферийной части 2. Центральная часть имеет выступы 3, вершины которых находятся в одной плоскости с периферийной частью, высотой от 0,3 до 2 мм и диаметром в основании 0,5-3,0 мм. Выступы расположены в линейном порядке по вертикали и горизонтали с шагом 1,0-4,0 мм и позволяют при большей развитой площади и объеме прохождения потоков газообразных реагентов распределить возникающие напряжения (давления) по всем направлениям. Возможен шахматный, ромбический, круговой, спиральный или лабиринтный порядок расположения выступов. А сами выступы могут иметь форму цилиндра, усеченной пирамиды, призмы, и/или усеченного конуса. Экспериментально было установлено, что в зависимости от приведенных диаметров выступов, их высоты и шагом между центрами выступов - оптимальная форма токоведущих выступов различается, потому что они по-разному оптимизируют потоки реагентов, эффективность теплообмена и электропроводность. Так, в частности, для шага 1 мм оптимальной является форма усеченной пирамиды. Для выступов с диаметром основания 0,5 мм, оптимальной является форма эллипса. Для токоведущих выступов с высотой 0,3 мм, оптимальной является форма цилиндра. Для конкретных режимов работы (сила тока, напряжение, поток реагента, размер ячейки и др.) подбор оптимальной формы токоведущих выступов и их геометрических размеров проводят индивидуально.

Биполярные пластины изготавливают следующим образом.

Комбинацию углеродных дисперсных компонентов смешивают для образования однородной смеси с определенным количеством раствора термоотверждаемой смолы. В виде углеродных дисперсных компонентов могут быть графит, сажа, рубленое волокно, измельченный кокс и т.д. Приготовленную смесь при периодическом перемешивании помещают на сушку при комнатной температуре для удаления основного количества летучих составляющих. Таким образом можно получать полуфабрикат в виде, например, гранул для последующего процесса изготовления БП. Далее, после визуального осмотра, сухую смесь отжигают при температуре на 50-60°С меньшей, чем температура термоотверждения. Затем отожженную смесь прессуют при давлении 15-20 МПа в пресс-форме, пуансоны которой выполнены с углублениями, формирующими токоведущие выступы во время прессования и отверждения. Одновременно с прессованием проводят нагрев пресс-формы со смесью от температуры отжига до температуры отверждения. После выдержки при температуре отверждения 0,5-1 ч пресс-форму извлекают из пресса и охлаждают на воздухе, а затем распрессовывают с использованием специального приспособления.

Важным свойством биполярной пластины является структура ее поверхности. Для получения более высоких характеристик топливного элемента целесообразно, чтобы поверхность, по которой между токоведущими выступами проходят рабочие газы, имела определенную шероховатость и микропористость. В этом случае вода, образующаяся в результате реакции между газами, частично скапливается в приповерхностных порах и тем самым увеличивает влажность газов, что положительно влияет на удельные энергетические характеристики топливного элемента. Формирование нужной структуры приповерхностного слоя по предложенному способу в отличие от прототипа происходит путем введения в состав исходной смеси для прессования 0,1-3,0% (масс.) по отношению к твердой составляющей смеси («т») порообразователя (карбоната аммония, полиэтиленгликоля, полиэтилена). Введенный в состав исходной смеси порообразователь для осаждения воды не влияет на отверждение связующего и, разлагаясь в процессе термообработки, прессовки при отверждении, формирует микропористую структуру пластины, а следовательно, и приповерхностного слоя (на глубину 1-2 мкм).

Уменьшение содержания порообразователя менее 0,1% практически не влияет на микропористость и шероховатость приповерхностного слоя, а увеличение содержания порообразователя свыше 3,0% нецелесообразно из-за уменьшения механической прочности и возможного возникновения сквозной проницаемости пластин.

Способ получения биполярной пластины иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Для изготовления одной БП (с цилиндрическими токоведущими выступами, расположенными линейно, диаметром 0,5 мм, высотой 0,5 мм, с расстоянием между центрами выступов 1,0 мм) размером 100×100 мм, толщиной 7 мм и массой 115 г приготавливают смесь следующего состава с соотношением «т:ж»=1.33:3.00

Графит марки KS-10 - 98 г

Сажа марки ПМ-100 - 1 г

Бакелитовый лак марки ЛБС-1 - 34 г

Ацетон - 300 г.

В мерном стакане смешивают указанное количество бакелитового лака и, например, ацетона до однородно окрашенного раствора. Навеску порошка графита и сажу предварительно перемешивают всухую до состояния однородной смеси. Далее помещают смесь порошков и раствор бакелитового лака в емкость для перемешивания и механически перемешивают 5-10 мин до состояния однородности. Затем оставляют смесь под тягой вытяжного шкафа для высыхания при комнатной температуре в течение 12-15 ч до визуально сухого состояния, по мере высыхания периодически перемешивая смесь и растирая крупные (более 2-3 мм) агломераты через металлическую сетку с размером ячейки 2 мм. Навеску сухой смеси засыпают в пресс-форму, устанавливают пресс-форму в печь и нагревают до температуры 90°С в течение 13,5-14 ч с последующей выдержкой при этой температуре в течение 2 ч. Далее извлекают садку из печи и помещают ее в разогретый до 170°С гидравлический пресс. Прессовали на прессе рывками (это скорость нагружения) по 1-2 сек примерно до усилия 22 т. После примерно 5 сек выдержки снова увеличивают усилие до 22-25 т. Оставляют садку под прессом в течение 1 ч, после чего извлекают пресс-форму из пресса и оставиляют охлаждаться при комнатной температуре. После остывания разгружают пресс-форму на ручном винтовом прессе с помощью 4-х стальных выталкивателей. Визуальный контроль качества БП указывает на отсутствие на поверхности пластины (в том числе в области токоведущих выступов) царапин, дефектов и трещин, расслоений материала БП на границе между областью токоведущих выступов и основой БП. При осмотре пластины после проведения испытания на прочность (пластину помещают между стальными плитами и подвергают сжатию с усилием 5 т (давление 5 МПа), что соответствует рабочему усилию в топливном элементе в течение 1 ч) изменений и дефектов не обнаружено. Величина объемного удельного сопротивления составила 0,025 Ом·см.

Пример 2. Биполярную пластину изготавливают из композиции и по методике, аналогичной примеру 1 с выступами, имеющими форму усеченного конуса с диаметром в основании 3,0 мм, на вершине 2,5 мм, высотой 2,0 мм, с расстоянием между центрами выступов 4,0 мм.

До и после проведения испытаний на прочность дефектов поверхности и выступов не обнаруживают. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,030 Ом·см.

Пример 3. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1, но в качестве термоотверждаемого связующего используют эпоксифенольное связующее №560 производства ФГУП ГНЦ «ВИАМ» в количестве 31 г.

До и после проведения испытаний на прочность дефектов поверхности и выступов не обнаруживают. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,017 Ом·см.

Пример 4. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1, в исходную смесь для прессования добавляют порообразователь - порошок полиэтилена высокого давления в количестве 3,5 г (3,0 мас.%). До и после проведения испытаний на прочность дефектов поверхности и выступов не обнаруживают. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,028 Ом·см. Пористость приповерхностного слоя (глубиной до 100 мкм), измеренная по сорбции воды, составляет 2,8%.

Пример 5. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией, аналогичной примеру 1, из композиции и по методике, описанной в примере 9.

До проведения испытаний на прочность обнаружено до 10% разрушенных и дефектных выступов, после них количество разрушенных выступов составляет около 30%. Величина объемного удельного сопротивления составляет 0,025 Ом·см.

Пример 6. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1 (токоведущие выступы расположены линейно), испытывают в ячейке топливного элемента при следующих условиях:

Мембрана - МФ4-СК толщиной 135 мкм

Катализатор - Pt 40 /C в количестве 2.5 мг/см 2

Топливо - водород при давлении 2 ати

Окислитель - кислород при давлении 3 ати

Температура работы ячейки - 85°С

Реакция на аноде: H 2 →2H + +2е -

Реакция на катоде: О 2 +4е - +4H + →2Н 2 О

Суммарная реакция: О 2 +2Н 2 →2Н 2 О

При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляет 1,1 А/см 2 .

Пример 7. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией и по методике, аналогичной примеру 1, но токоведущие выступы располагают ромбически и испытывают в ячейке топливного элемента при условиях, аналогичных примеру 6. При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляет 1,25 А/см 2 .

Пример 8. Биполярную пластину изготавливают из композиции и по методике, аналогичной примеру 1, выступы выполняют в форме призмы с диаметром 2 мм, высотой 1.5 мм, с расстоянием между центрами выступов 3,0 мм, а токоведущие выступы располагают ромбически и испытания проводят в ячейке топливного элемента при условиях, аналогичных примеру 6. При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляла 0,95 А/см 2 .

Пример 9. Биполярную пластину изготавливают с конфигурацией, аналогичной известному техническому решению, из композиции и по методике, описанной в примере 9, испытания проводят в ячейке топливного элемента при условиях, аналогичных примеру 6. При напряжении 0.7 В максимальная плотность тока составляла 0,9 А/см 2 . Экспериментально установлено, что в зависимости от приведенных диаметров выступов, их высоты и шагом между центрами выступов оптимальная форма токоведущих выступов различается, потому что они по-разному оптимизируют потоки реагентов, эффективность теплообмена и электропроводность. Так, в частности, для шага 1 мм оптимальной является форма усеченной пирамиды. Для выступов с диаметром основания 0,5 мм оптимальной является форма эллипса. Для токоведущих выступов с высотой 0,3 мм оптимальной является форма цилиндра. Для конкретных режимов работы (сила тока, напряжение, поток реагента, размер ячейки и др.) подбор оптимальной формы токоведущих выступов и их геометрических размеров проводят индивидуально.

Изобретения позволяет расширить функциональные возможности, улучшить эксплуатационные свойства и характеристики биполярных пластин и топливного элемента в целом и получить биполярные пластины с токоведущими выступами произвольной формы и расположения с высотой выступов от 0,3 до 2,0 мм, а также повысить эффективность транспорта реагентов и отвода продуктов реакции, повышение коррозионной стойкости по периферии с технологической нагрузкой, которая составляет с центральной электропроводящей частью, имеющей функциональную нагрузку, единое целое.

1. Биполярная пластина для топливного элемента, состоящая из периферийных частей с отверстиями и центральной части с токоведущими выступами, вершины которых расположены в одной плоскости с периферийными частями, отличающаяся тем, что токоведущие выступы выполнены с заданной площадью основания с приведенным диаметром в основании 0,5-3,0 мм, высотой от 0,3 до 2,0 мм и с шагом между центрами токоведущих выступов 1,0-4,0 мм.

2. Биполярная пластина по п.1, отличающаяся тем, что токоведущие выступы выполнены с основанием в виде круга, или квадрата, или прямоугольника, или эллипса, или ромба, или трапеции, или их сочетаний.

В США приняты несколько инициатив, направленных на разработку водородных топливных элементов, инфраструктуры и технологий, чтобы сделать автомобили на топливных элементах практичными и экономичными к 2020 году. На эти цели выделено более, чем один миллиард долларов.

Топливные элементы вырабатывают электричество тихо и эффективно, без загрязнения окружающей среды. В отличие от источников энергии, использующих ископаемое топливо, побочными продуктами от работы топливных элементов являются тепло и вода. Как это работает?

В этой статье мы кратко рассмотрим каждую из существующих топливных технологий на сегодняшний день, а так же расскажем об устройстве и работе топливных элементов, сравним их с другими формами получения энергии. Мы также обсудим некоторые из препятствий, с которыми сталкиваются исследователи, чтобы сделать топливные элементы практичными и доступными для потребителей.

Топливные элементы — это электрохимические устройства преобразования энергии . Топливный элемент преобразует химические вещества, водород и кислород в воду, в процессе чего вырабатывает электричество.

Другое электрохимическое устройство, с которым мы все хорошо знакомы, — аккумулятор . Батарея имеет все необходимые химические элементы внутри себя и превращает этих вещества в электричество. Это означает, что аккумулятор, в конце концов, «умирает» и вы либо выбрасываете, либо снова заряжаете его.

В топливном элементе химические вещества постоянно поступают в него, чтобы он никогда не «умирал». Электричество будет вырабатываться так долго, сколько будет происходить поступление химических веществ в элемент. Большинство топливных элементов, применяемых сегодня, используют водород и кислород.

Водород — наиболее распространенный элемент в нашей Галактике. Однако водород практически не существует на Земле в его элементарной форме. Инженеры и ученые должны извлекать чистый водород из водородных соединений, включая ископаемое топливо или воду. Чтобы добыть водород из этих соединений, нужно затратить энергию в виде высокой температуры или электричества.

Изобретение топливных элементов

Сэр Уильям Гроув изобрел первый топливный элемент в 1839 году. Гроув знал, что воду можно разделить на водород и кислород путем пропускания электрического тока через нее (процесс, называемый электролизом ). Он предположил, что в обратном порядке можно было бы получить электричество и воду. Он создал примитивный топливный элемент и назвал ее газовой гальванической батареей . Поэкспериментировав со своим новым изобретением, Гроув доказал свою гипотезу. Пятьдесят лет спустя, ученые Людвиг Монд и Чарльз Лангер придумали термин топливные элементы при попытке построить практическую модель для производства электроэнергии.

Топливный элемент будет конкурировать со многими другими устройствами конвертации энергии, в том числе с газовыми турбинами на городских электростанциях, двигателями внутреннего сгорания в автомобилях, а так же всевозможными аккумуляторами. Двигатели внутреннего сгорания, так же как и газовые турбины, сжигают различные виды топлива и используют давление, создаваемое путем расширения газов, чтобы выполнять механическую работу. Аккумуляторы преобразовывают химическую энергию в электрическую энергию, когда это необходимо. Топливные элементы должны выполнять эти задачи более эффективно.

Топливный элемент обеспечивает напряжение DC (постоянный ток), который может быть использован для питания электродвигателей, освещения и других электроприборов.

Существует несколько различных типов топливных элементов, каждый из которых использует различные химические процессы. Топливные элементы обычно классифицируются по их рабочей температуре и типу электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов, хорошо годятся для использования в стационарных электростанциях. Другие могут быть полезными для небольших портативных устройств или для питания автомобилей. Основные типы топливных элементов включают в себя:

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)

PEMFC рассматривается в качестве наиболее вероятного кандидата для применения на транспорте. PEMFC имеет как высокую мощность, так и относительно низкую рабочую температуру (в диапазоне от 60 до 80 градусов по Цельсию). Низкая рабочая температура означает, топливные элементы быстро смогут разогреться, чтобы начать генерацию электроэнергии.

Твердооксидные топливные элементы Solid oxide fuel cell (SOFC)

Эти топливные элементы наиболее подходят для крупных стационарных генераторов энергии, которые могли бы обеспечить электроэнергией фабрики или города. Этот тип топливных элементов работает при очень высоких температурах (от 700 до 1000 градусов по Цельсию). Высокая температура составляет проблему надежности, потому что часть топливных элементов может выйти из строя после нескольких циклов включения и выключения. Однако, твердооксидные топливные элементы являются очень стабильными при непрерывной работе. В самом деле, SOFC продемонстрировали самый длинный срок эксплуатации любых топливных элементов при определенных условиях. Высокая температура также имеет преимущество: пар, вырабатываемый топливными элементами, может быть направлен в турбины и генерировать больше электроэнергии. Этот процесс называется когенерацией тепла и электроэнергии и повышает общую эффективность системы.

Щелочной топливный элемент Alkaline fuel cell (AFC)

Это один из древнейших образцов для топливных элементов, используемый с 1960-х годов. AFC являются очень восприимчивыми к загрязнению, так как требуют чистый водород и кислород. Кроме того, они очень дороги, поэтому этот тип топливных элементов, вряд ли будет запущен в серийное производство.

Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом Molten-carbonate fuel cell (MCFC)

Как SOFC, эти топливные элементы также лучше всего подходят для больших стационарных электростанций и генераторов. Они работают при 600 градусов по Цельсию, так что могут генерировать пар, который, в свою очередь, может быть использован, чтобы генерировать еще больше энергии. Они имеют более низкую рабочую температуру, чем твердооксидные топливные элементы, что означает, что они не нуждаются в таких термоустойчивых материалах. Это делает их немного дешевле.

Топливный элемент на фосфорной кислоте Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)

Топливный элемент на фосфорной кислоте имеет потенциал для использования в небольших стационарных энергетических системах. Он работает на более высокой температуре, чем топливный элемент с полимерной мембраной обмена, поэтому он дольше разогревается, что делает его непригодным для использования в автомобилях.

Метаноловые топливные элементы Direct methanol fuel cell (DMFC)

Метаноловые топливные элементы сравнимы с PEMFC в отношении рабочей температуры, но не так эффективны. Кроме того, DMFC требуют довольно большого количества платины, выступающей в качестве катализатора, который делает эти топливные элементы дорогими.

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена

Топливный элемент с полимерной мембраной обмена (PEMFC) является одной из наиболее перспективных технологий топливных элементов. PEMFC использует одну из простейших реакций среди любых топливных элементов. Рассмотрим, из чего он состоит.

1. Анод – негативная клемма топливного элемента. Он проводит электроны, которые высвобождаются из молекул водорода, после чего они могут быть использованы во внешней цепи. В нем выгравированы каналы, по которым газообразный водород распределяется равномерно по поверхности катализатора.

2. Катод — позитивная клемма топливного элемента, также имеет каналы для распределения кислорода по поверхности катализатора. Он также проводит электроны обратно из внешней цепи катализатора, где они могут соединиться с ионами водорода и кислорода с образованием воды.

3. Электролит-протонообменная мембрана . Это специально обработанный материал, который проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. У PEMFC, мембрана должна быть увлажненной, чтобы нормально функционировать и оставаться стабильной.

4. Катализатор — это специальный материал, который способствует реакции кислорода и водорода. Обычно он изготавливается из наночастиц платины, очень тонко нанесенных на копировальную бумагу или ткань. Катализатор имеет такую структуру поверхности, чтобы максимальная площадь поверхности платины могла быть подвержена воздействию водорода или кислорода.

На рисунке показан газообразный водород (H2), входящий под давлением в топливный элемент со стороны анода. Когда молекула H2 соприкасается с платиной на катализаторе, она разделяется на два H+ иона и два электрона. Электроны проходят через анод, где они используются во внешней схеме (выполнение полезной работы, например, вращение двигателя) и возвращаются к стороне катода топливного элемента.

Между тем, на стороне катода топливного элемента, кислород (O2) из воздуха проходит через катализатор, где формирует два атома кислорода. У каждого из этих атомов есть сильный отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд привлекает два H+ иона через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами, пришедшими из внешней схемы, чтобы сформировать молекулу воды (H2O).

Эта реакция в одиночном топливном элементе производит только приблизительно 0,7 Вольт. Чтобы повысить напряжение до разумного уровня, много отдельных топливных элементов должны быть объединены, чтобы сформировать стек топливного элемента. Биполярные пластины используются для соединения одного топливного элемента с другим и подвергаются окислению с уменьшением потенциала. Большая проблема биполярных пластин – их стабильность. Металлические биполярные пластины могут разъедаться коррозией, и побочные продукты (железо и ионы хрома) уменьшают эффективность мембран топливного элемента и электродов. Поэтому низкотемпературные топливные элементы используют легкие металлы, графит и композитные соединения углерода и термореактивного материала (термореактивный материал — своего рода пластмасса, которая остается твердой, даже когда подвергается высоким температурам) в виде биполярного листового материала.

Эффективность топливного элемента

Сокращение загрязнения — одна из основных целей топливного элемента. Сравнивая автомобиль, приведенный в действие топливным элементом с автомобилем, приведенным в действие бензиновым двигателем и автомобилем, работающим от аккумулятора, вы увидите, как топливные элементы могли бы повысить эффективность автомобилей.

Так как у всех трех типов автомобилей есть многие одни и те же самые компоненты, мы проигнорируем эту часть автомобиля и сравним полезные действия до пункта, где производится механическая энергия. Давайте начнем с автомобиля на топливных элементах.

Если топливный элемент приведен в действие чистым водородом, его КПД может составить до 80 процентов. Таким образом, он преобразовывает 80 процентов энергетического содержания водорода в электроэнергию. Однако мы еще должны преобразовать электроэнергию в механическую работу. Это достигается электродвигателем и инвертором. КПД двигателя + инвертора также составляет приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность приблизительно 80*80/100=64 процентов. У концептуального транспортного средства Хонды FCX по сообщениям есть 60-процентная эффективность использования энергии.

Если топливный источник не будет в виде чистого водорода, то транспортное средство будет также нуждаться в риформаторе. Риформаторы превращают углеводородные или спиртовые топлива в водород. Они вырабатывают тепло и производят CO и CO2 помимо водорода. Для очистки полученного водорода в них используются различные устройства, но эта очистка недостаточна и понижает эффективность топливного элемента. Поэтому исследователи решили сконцентрироваться на топливных элементах для транспортных средств, работающих на чистом водороде, несмотря на проблемы, связанные с производством и хранением водорода.

Эффективность бензинового двигателя и автомобиля на электрических батареях

Эффективность автомобиля, приведенного в действие бензином — удивительно низкая. Вся высокая температура, которая выходит в виде выхлопа или поглощается радиатором, является потраченной впустую энергией. Двигатель также использует много энергии, вращающей различные насосы, вентиляторы и генераторы, которые поддерживают его работу. Таким образом, полная эффективность автомобильного бензинового двигателя составляет приблизительно 20 процентов. Таким образом, только приблизительно 20 процентов содержания тепловой энергии бензина преобразуются в механическую работу.

У работающего от аккумулятора электромобиля есть довольно высокая эффективность. Батарея имеет КПД, приблизительно, 90 процентов (большинство батарей вырабатывает некоторое тепло или требует нагревания), и электродвигатель + инвертор с КПД, приблизительно 80 процентов. Это дает полную эффективность, приблизительно, 72 процента.

Но это не все. Для того, чтобы электромобиль двигался, электричество должно быть сначала где-нибудь произведено. Если это была электростанция, которая использовала процесс сгорания ископаемого топлива (а не ядерную, гидроэлектрическую, солнечную или ветровую энергию), то только приблизительно 40 процентов топлива, потребленного электростанцией, были преобразованы в электричество. Плюс, процесс зарядки автомобиля требует преобразования мощности переменного тока (AC) к мощности постоянного тока (DC). У этого процесса КПД приблизительно 90 процентов.

Теперь, если мы смотрим на целый цикл, эффективность электромобиля составляет 72 процента для самого автомобиля, 40 процентов для электростанции и 90 процентов для зарядки автомобиля. Это дает полную эффективность 26 процентов. Полная эффективность значительно варьируется в зависимости от того, какая электростанция используется для зарядки аккумулятора. Если электричество для автомобиля произведено, например, гидроэлектростанцией, то эффективность электромобиля составит приблизительно 65 процентов.

Ученые исследуют и совершенствуют проекты, чтобы продолжать повышать эффективность топливного элемента. Один из новых подходов должен объединить топливный элемент и работающие от аккумулятора транспортные средства. Разрабатывается концептуальное транспортное средство, приводимое в действие гибридной трансмиссией с подпиткой от топливного элемента. Оно использует литиевую батарею, приводящую автомобиль в действие, в то время как топливный элемент перезаряжает батарею.

Транспортные средства на топливных элементах потенциально так же эффективны как работающий от аккумулятора автомобиль, который заряжается от электростанции, не использующей ископаемое топливо. Но достижение такого потенциала практическим и доступным способом может оказаться трудным.

Зачем нужно использовать топливные элементы?

Основной причиной является все, что связано с нефтью. Америка должна импортировать почти 60 процентов своей нефти. К 2025 г. импорт, как ожидается, вырастет до 68%. Две трети нефти американцы используют ежедневно для перевозок. Даже если каждый автомобиль на улице был бы гибридным автомобилем, к 2025 году в США все равно пришлось бы использовать то же количество нефти, которое потреблялось американцами в 2000 году. В самом деле, Америка потребляет четверть всей нефти, добываемой в мире, хотя только 4,6% мирового населения живет здесь.

Эксперты ожидают, что цены на нефть продолжат расти в течение следующих нескольких десятилетий, так как более дешевые источники истощаются. Нефтяные компании должны разрабатывать нефтяные месторождения во все более сложных условиях, отчего будут повышать цены на нефть.

Опасения простираются далеко за пределы экономической безопасности. Много средств, поступающих от продажи нефти, расходуются на поддержание международного терроризма, радикальных политических партий, нестабильной обстановки в нефтедобывающих регионах.

Использование нефти и других видов ископаемого топлива для получения энергии производит загрязнение. Оно наилучшим образом подходит для всех найти альтернативу-сжигание ископаемого топлива для получения энергии.

Топливные элементы являются привлекательной альтернативой нефтяной зависимости. Топливные элементы вместо загрязнения производят чистую воду в качестве побочного продукта. Хотя инженеры временно сосредоточились на производстве водорода из различных ископаемых источников, таких как бензин или природный газ, изучаются возобновляемые, экологически чистые способы получения водорода в будущем. Самым перспективным, естественно, станет процесс получения водорода из воды

Зависимость от нефти и глобальное потепление — международная проблема. Несколько стран совместно участвуют в развитии исследований и разработок для технологии топливных элементов.

Очевидно, что ученые и производители должны немало потрудиться, прежде чем топливные элементы станут альтернативой современным методам производства энергии. И все же, при поддержке всего мира и глобальном сотрудничестве, жизнеспособная энергетическая система на базе топливных элементов может стать реальностью уже через пару десятилетий.