ELEKTROKEMISK ENERGI. 2009. V. 9, nr. 3. S.161-165

UDC 66,02; 536,7;

METODER TIL OVERFLADEBEHANDLING AF TITAN BIPOLAR PLADER AF BRINT-LUFT BRÆNDSTOFCELLER

M.S. Vlaskin, E.I. Shkolnikov, E.A. Kiseleva, A.A. Chinenov* og V.P. Kharitonov*

Institut for Nye Energiproblemer JIHT RAS, Moskva, Rusland *CJSC "Rimos", Moskva, Rusland E-mail: [e-mail beskyttet]

Modtaget 11. juni 2009

Artiklen er afsat til undersøgelse af indflydelsen af ​​overfladebehandlinger af bipolære plader (BP) på de specifikke elektriske egenskaber af brændselsceller (FC'er). Undersøgelserne blev udført på titanium-baserede plader. To metoder til BP-behandling overvejes: elektrokemisk forgyldning og carbonionimplantation. Korte beskrivelser af ovenstående teknologier samt metodologi og resultater af eksperimenter præsenteres. Det er vist, at både guldbelægning og carbondoping af overfladen af ​​titanium BP'er forbedrer FC'ernes elektriske egenskaber. Det relative fald i FC ohmske modstande sammenlignet med ubelagte titaniumplader var 1,8 for elektrokemisk forgyldning og 1,4 for ionimplantation.

Nøgleord: brint-luft brændselsceller, titanium-baserede bipolære plader, kulstofimplantation, impedansspektroskopi.

Værket er dedikeret til forskningen i indflydelsen af ​​overfladiske bearbejdninger af bipolære plader (BP) på specifikke elektriske egenskaber af brændstof ce)(s (FC). Undersøgelser blev udført på plader på basis af titan. To metoder til behandling af BP er: overvejet: elektrokemisk forgyldning og ionimplantation af kulstof I arbejdet præsenteres korte beskrivelser af de resulterende teknologier, og også en teknik og resultater af eksperimenter. I arbejdet er det vist, at som forgyldning og ionimplantation kulstof titanisk BP elektriske egenskaber FC forbedres. Relativ reduktion af ohmsk modstand FC i sammenligning med "rene" titaniske plader har udgjort 1,8 for elektrokemisk forgyldning og 1,4 for ionimplantation.

Nøgleord: brint-luft brændselsceller, bipolære titanium-baserede plader, kulstofimplantation, impedansspektroskopi.

INTRODUKTION

I øjeblikket bruges to hovedtyper af materialer til BP i verden: BP fra kulstof- eller grafitpolymerkompositter og metal-BP.

Forskning inden for grafit BP har ført til en betydelig forbedring af deres fysiske og kemiske egenskaber og specifikke egenskaber. Grafit-baserede PSU'er er mere korrosionsbestandige end metal, men deres største ulempe er stadig deres svage mekaniske styrke, som forhindrer deres brug i brændselsceller til transport og bærbare bærbare kraftværker.

I denne henseende har metaller adskillige ubestridelige fordele i forhold til kulstofmaterialer. De er kendetegnet ved højere termisk og elektrisk ledningsevne, fravær af porer, gasimpermeabilitet og høj mekanisk styrke. Metal PSU'er er også mere økonomiske end grafit PSU'er. Imidlertid er alle de ovennævnte fordele ved metaller stort set forringet af sådanne ulemper som lav korrosionsbestandighed og høj kontaktmodstand med kulgasdiffusionslag (GDL'er).

Det mest lovende metal som materiale til fremstilling af strømforsyninger er titanium. Papiret præsenterer nogle fordele ved titanium PSU'er. Titanium har gode mekaniske egenskaber, og forurening med titaniumioner er ikke farlig for membranelektrodeenhedens (MEA) katalysator. Titaniums korrosionsbestandighed er også en af ​​de højeste blandt metaller, men i det aggressive miljø med brændselsceller skal titanium stadig beskyttes mod korrosion. En yderligere faktor i søgningen efter belægninger til titanium er dens høje kontaktmodstand med kulstof HDS'er.

Vores laboratorium (JIHT RAS Laboratory of Aluminium Hydrogen Energy) er engageret i udviklingen af ​​bærbare strømkilder baseret på brint-luft brændselsceller (HHFC). Titanium blev valgt som BP-materiale, herunder på grund af ovenstående. Arbejdet udført af os tidligere bekræftede behovet for at søge efter belægninger og/eller metoder til yderligere bearbejdning.

En velkendt måde at beskytte titaniums overflade på er at dække den med guld. Denne belægning øger korrosionsbestandigheden og reducerer brændselscellens ohmske modstand, hvilket fører til en forbedring af dens elektriske egenskaber. Det er denne teknologi dog

© 2009

M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. KHARITONOV

dyrt, primært på grund af brugen af ​​ædle metaller.

I dette papir er der ud over elektrokemisk forgyldning overvejet en metode til fremstilling af en PB fra titanium med efterfølgende behandling ved ionimplantation. Legering af overfladen af ​​BP med kulstof skaber yderligere korrosionsbeskyttelse og reducerer kontaktmodstanden med kulstof GDS. Denne teknologi lover at reducere omkostningerne ved fremstilling af PSU'er, samtidig med at høje elektriske egenskaber opretholdes.

Papiret præsenterer resultaterne af eksperimenter, der sammenligner de elektriske egenskaber af en strømforsyningsenhed lavet af "ren" titanium (dvs. uden belægninger), titanium elektrokemisk belagt med guld og titanium legeret med carbon ved ionimplantationsmetoden.

1. EKSPERIMENTEL TEKNIK

Strømspændingskurven og FC-impedansen blev valgt som elektriske karakteristika, ved hjælp af hvilke ovenstående metoder til fremstilling af en PSU fra titanium blev sammenlignet med hinanden. Forsøgene blev udført på et specialiseret impedansmeter Z-500PX (med funktionerne som en potentiostat) fremstillet af Elins LLC. FC blev belastet med en elektronisk belastning indbygget i impedansen i potentiostatisk tilstand ved spændinger på 800, 700, 600 og 500 mV. Ved hver spænding blev FC holdt i 2000 s for at nå en stabil tilstand, hvorefter impedansmålingen fulgte. I hvert tilfælde efter eksponering og

da brændselscellen nåede stationær tilstand, blev der taget 5 hodografer. Ved måling af impedansen var amplituden af ​​det forstyrrende sinusformede spændingssignal 10 mV, frekvensområdet var 105-1 Hz. Strømspændingskurver blev plottet ud fra stationære værdier.

Alle eksperimenter blev udført på specialfremstillede modeltest HVFE'er (fig. 1). Testelementet er en enkelt MEA, klemt mellem to strømsamlende plader, som er analoger til endepladerne i FC-batterier. Den samlede størrelse af strømaftagerpladerne er 28x22 mm, tykkelsen er 3 mm hver. For nemheden af ​​strømopsamling har pladerne specielle "haler" 4x4 mm. Aktiv overflade størrelse 12x18 mm (2,16 cm2). Brint tilføres til MEA gennem anodestrømkollektorpladen og forplanter sig i henhold til det givne flowfelt på den aktive overflade af denne plade. Luft tilfører VVTE på grund af naturlig konvektion. Katodesamlerpladen har 4 kanaler med en diameter på 2 mm med slidser i området af den aktive overflade. Længden af ​​kanalen, hvorigennem luften fordeles, er 22 mm. Tre-element MEA'er er lavet af Mayop 212 med et platinkatalysatorforbrug på 0,2 mg/cm2 ved anoden og 0,5 mg/cm2 ved katoden.

Test VVTE blev samlet af de samme komponenter, med undtagelse af strømkollektorplader. Tre par strømsamlende plader blev lavet af VT1-0 titanium. Det første par var "ren" formalet titanium

Ris. 1. Test brændselscellen i sammenklappelig tilstand. Detaljer fra venstre mod højre: anodestrømkollektorplade, tætning, anode GDS, MEA, katode HDS, tætning, katodestrømkollektorplade; bund - fastgørelsesskruer og møtrikker

plader, dvs. uden belægninger og eventuel yderligere bearbejdning. Den anden blev coatet med guld 3 µm tykt gennem et nikkelunderlag 2 µm tykt ved den elektrokemiske standardmetode. Det tredje par blev doteret med kulstof ved ionimplantation.

Den teknologiske proces med ionimplantation har været kendt i omkring 50 år. Det er baseret på indførelsen af ​​accelererede ioner af et stof i målmaterialet for at ændre de fysiske og kemiske egenskaber af dets overflade. Ionimplantation af titanium BP og endeplader blev udført på en specialiseret stand af CJSC "RIMOS". Stativet er en injektor, der er i stand til at skabe accelererede ionstråler af forskellige stoffer under forhold med højt oliefrit vakuum. Titaniumplader implanteret på dette stativ har høj korrosionsbestandighed og legeringskontinuitet. Titaniumplader blev udsat for ionstrålebehandling ved en ionenergi på 20 keV, en implantationsdosis på 1018 cm-2 og en temperatur af det forarbejdede produkt på 300 °C ± 10 °C.

Dosen af ​​kulstofimplantation blev målt langs dybden af ​​fordelingsprofilen af ​​en poleret titaniumplade ved metoden med sekundær ionmassespektrometri på CAMECA 1M84B-udstyret (Frankrig). Fordelingskurven for kulstofkoncentration i titanium er vist i fig. 2. Ifølge figuren er dybden af ​​kulstofoverfladelaget 200^220 nm, hvilket er tilstrækkeligt til at opnå fundamentalt nye fysiske og kemiske egenskaber af BP-overfladen.

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

Dybde, mikron

Ris. 2. Fordelingskurve for kulstofkoncentration i titanium

2. RESULTATER OG DISKUSSION

På fig. Figur 3 viser volt-ampere-kurverne og de tilsvarende effekttæthedskurver for brændselsceller med forskellige strømopsamlende plader. De absolutte værdier af strøm og effekt er relateret til det aktive MEA-overfladeareal, som er 2,16 cm2. Det fremgår tydeligt af figuren, at både legering med kulstof og elektrokemisk forgyldning fører til en forbedring af brændselscellernes specifikke egenskaber. Det skal bemærkes, at volt-ampere-karakteristikaene samtidigt viser aktiverings-, ohm- og diffusionstab i en brændselscelle. Aktiveringstab er forbundet med at overvinde energibarrieren for elektrodereaktioner, ohmske tab er summen af ​​de elektriske modstande af hvert af de elektrisk ledende FC-lag og kontaktmodstande mellem dem, og diffusionstab er forbundet med manglende tilførsel af reagenser til MEA reaktionsregion. På trods af, at en af ​​de tre typer af tab, der er anført ovenfor, er fremherskende i forskellige områder af strømtætheder, er strømspændingskurver og effekttæthedskurver ikke nok til at kvantificere en eller anden metode til behandling af PSU'en (endeplader) ). I vores tilfælde er de ohmske tab af FC'er af interesse. Aktiverings- og diffusionstab i den første tilnærmelse for alle brændselsceller er de samme: aktiveringstab på grund af brugen af ​​den samme MEA med samme katalysatorforbrug, diffusionstab på grund af det samme design af teststrømkollektorplader.

Hodograferne af impedansen opnået i løbet af eksperimenterne blev brugt til at identificere de ohmske tab. Resultaterne af denne del af eksperimenterne er vist i fig. 4. Som et eksempel viser figurerne en af ​​de fem hodografer taget i hvert tilfælde, efter at FC'en når den stationære tilstand.

Impedansspektroskopi gør det muligt at kvantificere de elektriske tab af FC'er. Artiklerne præsenterer en beskrivelse af denne metode i forhold til HVTE. I overensstemmelse med reglerne for fortolkning af hodografer er den ohmske modstand den reelle del af impedansen ved høje frekvenser (/ = 105-104 Hz). Værdien vælges ved skæringspunktet mellem hodografen og abscisseaksen (1m R = 0) i højfrekvensområdet. Også ved hjælp af hodografer findes kapacitansen af ​​dobbeltlaget på elektrode/elektrolytoverfladen. Diameteren af ​​hodografens halvcirkel karakteriserer den totale modstand mod ladningens passage gennem dette lag. På fig. 4 impedanshodografer er præsenteret i sortimentet

M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. KHARITONOV

Ris. 3. Volt-ampere-kurver (a) og tilsvarende effekttæthedskurver (b): - - - ubelagt titanium,

W- - titanium + C, -■- - titanium + N1 + Au

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1t, Fra 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

Ris. Fig. 4. TE-impedans ved konstant polarisation, mV: a - 800, b - 700 c - 600, d - 500: - ubelagt titanium;

Titan + N1 + Au; o - titanium + C

frekvenser på 105-1 Hz, da det er værd at bemærke brændselscellernes ret høje diffusionstab (over 2 Ohm-cm2). Dette er dog ikke en konsekvens af overfladebehandlingen af ​​titaniumplader, men er forbundet med udformningen af ​​katodestrømkollektorpladen og betingelserne for naturlig konvektion, når luft tilføres til MEA.

Tabellen viser de absolutte værdier af ohmske modstande afhængigt af brændselscellens polarisering og metoden til behandling af dens strømopsamlende plader samt deres systematiske fejl. Resultaterne indikerer, at guldbelægning reducerer den totale ohmske modstand med en faktor på omkring 1,8 sammenlignet med ubelagt titanium på grund af et fald i kontakttab. Doping med carbonioner giver en gevinst på henholdsvis ~1,4 gange. Værdien af ​​konfidensintervallet angiver den høje nøjagtighed af målinger af ohmske modstandsværdier.

Ohmisk modstand af en brændselscelle (Ohm) med strømsamlende plader lavet af ubelagt titanium, titanium elektrokemisk belagt med N1, Au og titanium doteret med C+ ioner, afhængigt af brændselscellens polarisering

Prøve TE-spænding, mV

Titanium ubelagt 0,186 0,172 0,172 0,169

Titan+Ni, Au 0,1 0,098 0,097 0,093

Titan+C 0,131 0,13 0,125 0,122

Det er således blevet bevist, at både guldbelægning og carbonlegering af titanium BP reducerer deres kontaktmodstand med carbon HDD'er. At belægge waflerne med guld viser sig at være lidt mere fordelagtigt med hensyn til elektriske egenskaber end deres behandling ved ionimplantation.

Alt ovenstående tyder på, at både den ene og den anden af ​​de overvejede teknologier kan bruges til at behandle titanium BP.

BIBLIOGRAFI

1. Middelman E., Kout W, Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de, //J. Strømkilder. 2003 bind. 118. S. 44-46.

2. Dobrovolsky Yu.A., Ukshe A.E., Levchenko A.V., Arkhangelsky I.V., Ionov S.G., Avdeev V.V., Aldoshin S.M. // Journal. Ros. chem. omkring dem. D. I. Mendeleev. 2006. Bind 1, nr. 6. S.83-94.

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

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

5. E. I. Shkolnikov, M. S. Vlaskin, A. S. Ilyukhin og A. B. Tarasenko, Elektrokhim. energi. 2007. V.7, nr. 4 S. 175-182.

6. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Iljukhin A.S., Zhuk A.Z., Sheindlin A.E. // J. Strømkilder. 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. S. 168-182.

8. Ionimplantation i halvledere og andre materialer: Lør. Kunst. M.: Mir, 1980.

9. Pleshivtsev N.V., Bazhin A.I. Fysik af indvirkningen af ​​ionstråler på materialer. M.: Vuzovskaya kniga, 1998.

10. Ionimplantation. Moskva: Metallurgi, 1985.

11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027 / 24, H01J003 / 04 / Mashkovtsev BN Fremgangsmåde til fremstilling af en ionstråle og en anordning til dens implementering.

12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2/00, A61L2/14 / Kharitonov V.P., Chinenov A.A., Simakov A.I., Samkov A.V. Enhed til ionstrålebehandling af medicinsk udstyrsprodukter.

13. Pat. 2109495 RF, IPC: A61F002/24 / Iosif N.A., Kevorkova R.A.,. Samkov A.V., Simakov A.I., Kharitonov V.P., Chinenov A.A. Kunstig hjerteklap og metode til fremstilling heraf.

14. Cooper K.R., Ramani V., Fenton J.M., Kunz H.R. Eksperimentelle metoder og dataanalyser for polymerelektrolytbrændselsceller, Scribner Associates, Inc., Illinois, 2005. 122 s.

15. Nationalt Energiteknisk Laboratorium. Fuel Cell Hand Book, sjette udgave, G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, West Virginia, 2002. 352 s.

SOFC-elektroder produceret på Institute of Solid State Physics RAS: grøn - anode og sort - katode. Brændselsceller er placeret på bipolære plader til SOFC-batterier

En af mine venner besøgte for nylig Antarktis. En sjov tur! - sagde hun, turistbranchen er lige så udviklet til at bringe den rejsende til stedet og lade ham nyde den barske storhed i Arktis uden at fryse ihjel. Og det er ikke så nemt, som det kan se ud - selv med moderne teknologi: elektricitet og varme i Antarktis er guld værd. Vurder selv, konventionelle dieselgeneratorer forurener den jomfruelige sne og kræver levering af en stor mængde brændstof, og vedvarende energikilder er endnu ikke særlig effektive. For eksempel på museumsstationen, der er populær blandt antarktiske turister, genereres al energi af vindens og solens kraft, men der er køligt inde i museet, og fire viceværter tager udelukkende brusebad på skibe, der bringer gæster til dem.

Problemer med en konstant og uafbrudt strømforsyning er ikke kun kendt for polarforskere, men også for alle producenter og folk, der bor i fjerntliggende områder.

De kan løses ved nye måder at lagre og generere energi på, blandt hvilke kemiske strømkilder ser ud som de mest lovende. I disse minireaktorer omdannes energien fra kemiske omdannelser direkte, uden omdannelse til varme, til elektricitet. Således reduceres tabene og dermed brændstofforbruget kraftigt.

Forskellige reaktioner kan forekomme i kemiske strømkilder, og hver har sine egne fordele og ulemper: nogle "svigter hurtigt", andre kan kun fungere under visse forhold, for eksempel ultrahøje temperaturer, eller på et strengt defineret brændstof, som f.eks. brint. En gruppe videnskabsmænd fra Institute of Solid State Physics ved det russiske videnskabsakademi (ISSP RAS) ledet af Sergej Bredikhin lavede et væddemål på den såkaldte solid oxide fuel cell (SOFC). Forskere er overbeviste om, at den med den rigtige tilgang vil være i stand til at erstatte ineffektive generatorer i Arktis. Deres projekt blev støttet under det føderale målprogram "Research and Development for 2014-2020".

Sergey Bredikhin, leder af FTP-projektet "Udvikling af en skalerbar laboratorieteknologi til fremstilling af plane SOFC'er og konceptet med at skabe på deres basis kraftværker til forskellige formål og strukturer, herunder hybride, med fremstilling og test af en lille- skalaeksperimentel prøve af et kraftværk med en kapacitet på 500 - 2000 W"

Uden støj og støv, men med fuldt udbytte

I dag er kampen i energiindustrien om en nyttig energiproduktion: videnskabsmænd kæmper for hver procent af effektiviteten. Generatorer, der fungerer efter princippet om intern forbrænding på kulbrintebrændstoffer - brændselsolie, kul, naturgas (sidstnævnte type brændstof er den mest miljøvenlige) er meget udbredt. Tab under deres brug er betydelige: Selv med maksimal optimering overstiger effektiviteten af ​​sådanne installationer ikke 45%. Samtidig dannes der under deres drift nitrogenoxider (NOx), som, når de interagerer med vand i atmosfæren, bliver til ret aggressive syrer.

SOFC batteri under mekanisk belastning

Solid oxide fuel cells (SOFC'er) har ikke disse "bivirkninger". Sådanne installationer har en effektivitet på mere end 50% (og dette er kun i forhold til el-output, og under hensyntagen til den termiske output, kan effektiviteten nå 85-90%), og de udsender ikke farlige forbindelser til atmosfæren.

”Dette er en meget vigtig teknologi for Arktis eller Sibirien, hvor miljøet og problemer med levering af brændstof er særligt vigtige. Fordi SOFC'er bruger flere gange mindre brændstof, forklarede Sergey Bredikhin. "De skal arbejde non-stop, så de er velegnede til at arbejde på en polarstation eller en nordlig flyveplads."

Med et relativt lavt brændstofforbrug fungerer en sådan installation også uden vedligeholdelse i op til 3-4 år. “Dieselgeneratoren, som nu er den mest brugte, kræver et olieskift hver tusinde time. Og SOFC arbejder 10-20 tusinde timer uden vedligeholdelse,” understregede Dmitry Agarkov, juniorforsker ved ISSP.

Fra idé til batteri

Driftsprincippet for SOFC er ret simpelt. De er et "batteri", hvori flere lag fastoxidbrændselsceller er samlet. Hvert element har en anode og en katode, der tilføres brændstof fra anodesiden, og luft tilføres til det fra katodesiden. Det er bemærkelsesværdigt, at en række forskellige brændstoffer er velegnede til SOFC, fra ren brint til kulilte og forskellige kulbrinteforbindelser. Som et resultat af reaktionerne ved anoden og katoden forbruges oxygen og brændstof, og der skabes en ionstrøm mellem elektroderne. Når et batteri er indbygget i et elektrisk kredsløb, begynder der at strømme strøm i det kredsløb.

Computersimulering af fordelingen af ​​strømme og temperaturfelter i et batteri af SOFC'er 100×100 mm i størrelse.

Et ubehageligt træk ved SOFC-drift er behovet for høje temperaturer. For eksempel fungerer en prøve indsamlet på Institute of Solid State Physics, Russian Academy of Sciences, ved 850°C. For at varme op til driftstemperatur tager generatoren omkring 10 timer, men derefter vil den fungere i flere år.

De faste oxidceller, der udvikles på Institute of Solid State Physics RAS, vil producere op til to kilowatt elektricitet, afhængigt af brændstofpladens størrelse og antallet af disse plader i batteriet. Små mock-ups af 50-watt batterier er allerede blevet samlet og testet.

Der skal lægges særlig vægt på selve pladerne. En plade består af syv lag, som hver har sin egen funktion. To lag på katoden og anoden katalyserer reaktionen og slipper elektroner igennem, det keramiske lag mellem dem isolerer forskellige medier (luft og brændstof), men tillader ladede oxygenioner at passere igennem. Samtidig skal selve membranen være stærk nok (keramik af denne tykkelse beskadiges meget let), så den selv består af tre lag: det centrale giver de nødvendige fysiske egenskaber - høj ionisk ledningsevne - og yderligere lag aflejres på begge sider giver mekanisk styrke. En brændselscelle er dog meget tynd - ikke mere end 200 mikron tyk.

SOFC lag

Men en brændselscelle er ikke nok - hele systemet skal placeres i en varmebestandig beholder, der kan modstå drift i flere år ved en temperatur på 850 ° C. Forresten, som en del af projektet, for at beskytte metalstrukturelle elementer, bruger forskere fra Institute of Solid State Physics ved det russiske videnskabsakademi belægninger udviklet i løbet af et andet projekt.

"Da vi startede dette projekt, stod vi over for det faktum, at vi intet har i vores land: ingen råmaterialer, ingen klæbemidler, ingen tætningsmidler," sagde Bredikhin. "Vi skulle gøre alt. Vi lavede simuleringer, øvede på små brændselsceller i form af piller. Vi fandt ud af, hvad de skulle være i forhold til sammensætning og konfiguration, og hvordan de skulle placeres.”

Derudover skal det tages i betragtning, at brændselscellen fungerer i et miljø med høj temperatur. Det betyder, at det er nødvendigt at sikre tæthed, at kontrollere, at materialerne ved måltemperaturen ikke vil reagere med hinanden. En vigtig opgave var at "synkronisere" udvidelsen af ​​alle elementer, fordi hvert materiale har sin egen lineære termiske udvidelseskoefficient, og hvis noget ikke er koordineret, kan kontakter bevæge sig væk, tætningsmidler og klæbemidler kan gå i stykker. Forskere modtog et patent på fremstilling af dette element.

På vej til implementering

Det er formentlig derfor, at Bredikhin-gruppen ved Institut for Faststoffysik har bygget et helt system med trin-for-trin forberedelse af først materialer, derefter plader og til sidst brændselsceller og generatorer. Ud over denne anvendte fløj er der også en retning, der omhandler fundamental videnskab.

Inden for væggene på Institute of Solid State Physics udføres streng kvalitetskontrol af hvert parti brændselsceller.

Hovedpartneren i dette projekt er Krylov State Research Center, der fungerer som den ledende udvikler af kraftværket, herunder udvikling af den nødvendige designdokumentation og fremstilling af hardware på sit pilotanlæg. Noget af arbejdet udføres af andre organisationer. For eksempel produceres en keramisk membran, der adskiller katoden og anoden, af Novosibirsk-virksomheden NEVZ-Ceramics.

Forresten er skibsbygningscentrets deltagelse i projektet ikke tilfældig. Ubåde og undervandsdroner kan blive endnu et lovende område for SOFC-anvendelse. Også for dem er det ekstremt vigtigt, hvor længe de kan være helt offline.

Projektets industrielle partner, Energy Without Borders Foundation, kan organisere produktionen af ​​små partier af to-kilowatt-generatorer på Krylov Research Center, men forskerne håber på en betydelig udvidelse af produktionen. Ifølge udviklerne er den energi, der modtages i SOFC-generatoren, konkurrencedygtig selv til husholdningsbrug i fjerntliggende hjørner af Rusland. Omkostningerne ved en kWh for dem forventes at være omkring 25 rubler, og med de nuværende energiomkostninger i Yakutia op til 100 rubler pr. kWh ser en sådan generator meget attraktiv ud. Markedet er allerede blevet forberedt, Sergei Bredikhin er sikker på, det vigtigste er at have tid til at bevise dig selv.

I mellemtiden er udenlandske virksomheder allerede ved at introducere generatorer baseret på SOFC. Føreren i denne retning er det amerikanske Bloom Energy, som producerer 100 kilowatt-installationer til stærke computercentre hos virksomheder som Google, Bank of America og Walmart.

Den praktiske fordel er klar - enorme datacentre, der drives af sådanne generatorer, bør være uafhængige af strømafbrydelser. Men derudover søger store virksomheder at bevare billedet af progressive virksomheder, der bekymrer sig om miljøet.

Kun her i USA skal der betales store offentlige betalinger for udviklingen af ​​sådanne "grønne" teknologier - op til $ 3.000 for hver kilowatt genereret strøm, hvilket er hundredvis af gange mere end finansiering til russiske projekter.

I Rusland er der et andet område, hvor brugen af ​​SOFC-generatorer ser meget lovende ud - dette er den katodiske beskyttelse af rørledninger. Først og fremmest taler vi om gas- og olierørledninger, der strækker sig hundreder af kilometer på tværs af Sibiriens øde landskab. Det er blevet fastslået, at når spænding påføres et metalrør, er det mindre modtageligt for korrosion. Nu fungerer katodisk beskyttelsesstationer på termogeneratorer, som skal overvåges konstant, og hvis effektivitet kun er 2%. Deres eneste fordel er deres lave omkostninger, men hvis du ser på lang sigt, skal du tage højde for brændstofomkostningerne (og de er drevet af indholdet af røret), og denne "fortjeneste" af dem ser ikke overbevisende ud. Ved hjælp af stationer baseret på SOFC-generatorer er det muligt at organisere ikke kun en uafbrudt forsyning af spænding til rørledningen, men også transmission af elektricitet til telemetriundersøgelser ... De siger, at Rusland uden videnskab er et rør. Det viser sig, at selv dette rør uden videnskab og nye teknologier er et rør.

Udvikling af brændselsceller er nok den mest eftertragtede teknologi i transportindustrien i dag, da udviklere hvert år bruger enorme summer på at lede efter et levedygtigt alternativ (eller supplement) til forbrændingsmotoren. I løbet af de sidste par år har Danas ingeniører dedikeret deres produktions- og ingeniørevner til udfordringen med at reducere køretøjets afhængighed af traditionelle energikilder. Gennem menneskehedens historie har de vigtigste energikilder ændret sig fra fast brændsel (såsom træ og kul) til flydende (olie). I de kommende år vil gasformige produkter, som mange tror, ​​gradvist blive den dominerende energikilde i hele verden.

Kort sagt er en brændselscelle en elektrokemisk enhed, der omdanner energien fra en kemisk reaktion direkte til elektricitet, varme og aske. Denne proces ændrer den lave effektivitet af traditionel termomekanisk energibærerkonvertering til det bedre.

Ris. brændselscelle køretøj

Brint er det første eksempel på et vedvarende gasformigt brændstof, der tillader en sådan reaktion og i sidste ende elektrisk energi. Og denne proces forurener ikke miljøet.

En typisk model af en brændselscelle, der anvender brintenergi, omfatter brint, der strømmer mod brændselscellens anode, hvor brintmolekyler gennem en elektrokemisk proces i nærværelse af en platinkatalysator opdeles i elektroner og positivt ladede ioner. Elektronerne bevæger sig og omgår protonudvekslingsmembranen (PEM) og genererer derved en elektrisk strøm. Samtidig fortsætter positive brintioner med at diffundere gennem brændselscellen gennem PEM. Elektronerne og de positive hydrogenioner kombineres derefter med oxygen på katodesiden for at danne vand og generere varme. I modsætning til en traditionel forbrændingsmotorbil bliver elektriciteten her lagret i batterier eller går direkte til trækmotorer, som igen driver hjulene.

En barriere for brændselscellesystemer er den nuværende mangel på infrastruktur til at fremstille eller levere tilstrækkelige mængder brint. Som følge heraf forbliver tilgængeligheden af ​​den specifikke type brændstof, der anvendes i brændselscellen, et stort uløst problem. Benzin og methanol er de mest sandsynlige energibærere for brændselsceller. Hvert brændstof står dog stadig over for sine egne udfordringer.

Teknologi er i øjeblikket ved at blive udviklet til kompositmesh-loddede bipolære plader, ledninger og integrerede isolatorer. Ingeniører udvikler bipolære metalplader med specielle belægninger, højtemperaturstrøm-regionkanaler, højtemperaturisolatorer og højtemperaturafskærmning. De udvikler også styringsmetoder og designs til brændstofprocessorer, dampkondensatorer, forvarmere og kølemoduler med integrerede blæsere og motorer. Der udvikles løsninger til at transportere brint, kulholdige væsker, deioniseret vand og luft til forskellige dele af systemet. Danas filtreringsteam udvikler filtre til brændselscellesystemets luftindtag.

Det er anerkendt, at brint er fremtidens brændstof. Det er også almindeligt antaget, at brændselsceller i sidste ende vil have en betydelig indflydelse på bilindustrien.

Biler og lastbiler med hjælpebrændselsceller til at drive klimaanlæg og anden elektronik forventes at komme på vejene snart.

Ris. Brændselsceller på en bil (

Ejerne af patentet RU 2267833:

Opfindelsen angår automobilindustrien, skibsbygning, energi, kemiske og elektrokemiske industrier, især elektrolyse til fremstilling af chlor, og kan anvendes til fremstilling af brændselsceller med en membran-elektrodeenhed. Det tekniske resultat af opfindelsen er at udvide funktionaliteten, forbedre de operationelle egenskaber og karakteristika af bipolære plader og brændselscellen som helhed, opnå bipolære plader med strømførende fremspring af vilkårlig form og placering med en fremspringshøjde fra 0,3 til 2,0 mm, samt øge effektiviteten af ​​transport af reagenser og fjernelse af reaktionsprodukter, øge korrosionsbestandigheden langs periferien med en teknologisk belastning, som er en enkelt helhed med en central elektrisk ledende del med en funktionel belastning. En bipolar plade bestående af perifere dele med huller og en central del med strømførende fremspring af vilkårlig form, hvis toppe er placeret i samme plan med de perifere dele, mens de strømførende fremspring er udført med et givet basisareal , med en reduceret diameter i bunden på 0,5-3,0 mm, med en højde på 0,3 til 2,0 mm og med et trin mellem centrene af de strømførende fremspring på 1,0-4,0 mm. Fremgangsmåden til fremstilling af en bipolær plade omfatter fremstilling af en termohærdende harpiks af en given sammensætning i et flygtigt opløsningsmiddel med et carbonfyldstof, blanding, tørring, udglødning og presning ved gentagen belastning til et tryk på 15-20 MPa ved en harpikshærdningstemperatur. I dette tilfælde udføres udglødningen af ​​blandingen ved en temperatur på 50-60°C lavere end temperaturen for termohærdning af blandingen. Ved fremstilling af en blanding af kulstofpulvere med et opløsningsmiddel er forholdet mellem faste og flydende faser i området fra 1:3 til 1:5. I sammensætningen af ​​den indledende blanding til presning tilsættes 0,1-3% blæsemiddel. 2 n. og 6 z.p. flyve, 3 ill.

Opfindelsen angår automobilindustrien, skibsbygning, energi, kemiske og elektrokemiske industrier, især elektrolyse til fremstilling af chlor, og kan anvendes til fremstilling af brændselsceller med en membran-elektrodeenhed.

Kendte bipolære plader, bestående af de centrale og perifere dele placeret omkring den centrale del. På den centrale del, på den ene eller begge sider, er langsgående parallelle labyrintriller placeret for at fordele strømmene af gasformige reagenser, der danner funktionelle strømførende fremspring med hjørner placeret i samme plan, med et centralt og to diagonale huller til cirkulation og distribution af elektrolytstrømme. På de perifere dele af pladerne er der gennemgående huller til deres samling til en pakke. De perifere og centrale dele er adskilt af et tætningselement langs omkredsen af ​​den centrale del. Samtidig, for en organiseret fordeling af strømme af gasformige reagenser, har de langsgående parallelle riller, ligesom de funktionelle strømførende fremspring, en labyrintretning fra det centrale hul til de perifere huller eller omvendt, se Schunks reklamekatalog. KOHLNSTOFF GmbH.

Ulemperne ved de kendte bipolære brændselscelleplader er et fald i effektiviteten af ​​transporten af ​​reagenser og fjernelse af reaktionsprodukter i de afskærmede områder af den porøse strømkollektor og som et resultat et fald i brændselscellens strømtæthed celle ved en given spænding, muligheden for at blokere kanalerne med dråber af kondensvand under udsving i brændselscellens temperaturregime og/eller systemets vandbalance, hvilket også fører til et fald i transportens effektivitet af reagenser og fjernelse af reaktionsprodukter gennem disse kanaler og som følge heraf et fald i brændselscellens strømtæthed ved en given spænding.

En kendt fremgangsmåde til fremstilling af bipolære plader, herunder fremstilling af en blanding af termohærdende harpiks af en bestemt sammensætning i et flygtigt opløsningsmiddel, blanding af kulstoffyldstoffet med den fremstillede opløsning indtil homogenitet, tørring, presning og termohærdende (US patentansøgning nr. US 2002) /0037448 A1 dateret 28/03/2002, MKI N 01 M 8/02, N 01 V 1/4, N 01 V 1/20).

Ulempen ved den kendte fremgangsmåde er, at termohærdningen ikke udføres samtidigt, men efter at produktet er blevet presset. Derudover sikrer lavtemperaturtørring af blandingen ikke fjernelse af en stor mængde flygtige komponenter fra bindemidlet, hvilket fører til ikke-komprimering af mikrovolumener i materialet af bipolære plader, især på steder med strømførende fremspring som tjener til at give elektrisk kontakt og mekanisk presning af strømaftageren til det katalytiske lag, hvilket fører til dannelsesdefekte steder ved bunden af ​​fremspringene og ødelæggelse af sidstnævnte under påvirkning af arbejdsbelastningen under montering og drift af brændselscellestak.

Den nærmeste tekniske løsning er bipolære plader og en metode til deres fremstilling, bestående af en central og perifere dele placeret overfor den centrale del. På den centrale del, på den ene eller begge sider, til fordeling af strømme af gasformige reagenser, er der langsgående parallelle riller, der mellem sig danner strømførende fremspring med spidser placeret i planet af de perifere dele af pladerne og forbinder dem. På pladernes perifere dele er der gennemgående huller, som efter at være blevet samlet i en pakke med tilstødende plader danner langsgående kanaler for at forbedre cirkulation og fordeling af elektrolytstrømme. Metoden til fremstilling af bipolære plader omfatter blanding af pulverkulstof-grafitkomponenter og et termoplastisk bindemiddel, der er modstandsdygtigt over for korrosion, koldpresning af pulverblandingen i en form ved 14500 kPa, opvarmning til 150°C, reduktion af trykket ved 2000 kPa, hævning af temperaturen til 205 °C, hvilket bringer trykket tilbage til 14500 kPa, med den sidste fase med gradvis reduktion af tryk og temperatur. Se beskrivelsen af ​​patentet RU nr. 2187578 C2, IPC 7 C 25 V 9/04, 9/00.

Ulemperne ved de kendte bipolære plader er den ensartede fordeling af strømningen kun i et kort snit, bestemt af længden af ​​den midterste del, og den begrænsede plads til fordeling af strømmene af gasformige reagenser, bestemt af antallet af langsgående parallelle riller. Ulempen ved den kendte fremgangsmåde til fremstilling af bipolære plader er en kompleks fremstillingsteknologi, som fører til et fald i effektiviteten af ​​dannelsen af ​​strømførende fremspring og yderligere omkostninger.

Det tekniske resultat af opfindelsen er at udvide funktionaliteten, forbedre de operationelle egenskaber og karakteristika af bipolære plader og brændselscellen som helhed, opnå bipolære plader med strømførende fremspring af vilkårlig form og placering med en fremspringshøjde fra 0,3 til 2,0 mm, samt øge effektiviteten af ​​transport af reagenser og fjernelse af reaktionsprodukter, øge korrosionsbestandigheden langs periferien med en teknologisk belastning, som er en enkelt helhed med en central elektrisk ledende del med en funktionel belastning. Det tekniske resultat opnås ved, at i en bipolar plade bestående af perifere dele med huller og en central del med strømførende fremspring, hvis toppe er placeret i samme plan med de perifere dele, er de strømførende fremspring. lavet med et givet geometrisk basisareal, med en reduceret diameter i bunden på 0,5 -3,0 mm, højde fra 0,3 til 2,0 mm og med en stigning mellem centrene af de strømførende fremspring på 1,0-4,0 mm, lavet med en base i form af en cirkel eller firkant, eller et rektangel, eller en ellipse, eller en rombe, eller en trapez, eller kombinationer heraf, er de strømførende fremspring lavet i form af en afkortet pyramide, eller en cylinder, eller en kegle eller en pyramide; de strømførende fremspring er lavet i form af et prisme med en reduceret diameter i bunden på 0,5-3,0 mm, en højde på 0,3 til 2,0 mm og et trin mellem centrene af de strømførende fremspring på 1,0-4,0 mm , og de strømførende fremspring er placeret vilkårligt eller ordnet, eller i et skakternet, eller rombisk, eller cirkulært, eller spiral- eller labyrintrækkefølge af deres arrangement, men i en metode til fremstilling af bipolære plader, herunder fremstilling af en blanding af en termohærdende harpiks af en given sammensætning i et flygtigt opløsningsmiddel, indføring af et kulfyldstof og blanding af dem indtil en homogen tilstand, tørring, presning og termohærdning, blandingen udsættes for tørring før presning, efterfulgt af udglødning ved en temperatur 50-60°C lavere end blandingens termohærdende temperatur, og presning udføres ved gentagen belastning til et tryk på 15-20 MPa, mens der samtidig opvarmes indtil blandingen er hærdet, udglødning udføres med en gradvis stigning i temperaturen i 10,0-15,0 timer og efterfølgende holdes ved denne temperatur i 1,0-2,0 timer, og presningen udføres ved en temperatur af presseenhedens arbejdslegeme på 1,5-2,0 gange højere end udglødningstemperaturen, forholdet "t:l" ved dannelse af en blanding af kulstof pulvere med et opløsningsmiddel af en termohærdende harpiks vælges i området fra 1:3 til 1:5, 0,1-3,0% af blæsemidlet tilsættes til sammensætningen af ​​den indledende blanding til presning.

Dette vil sikre ensartet fordeling af reagenser over overfladen af ​​brændselscellecellen og effektiv fjernelse af reaktionsprodukter og som følge heraf øge strømtætheden i brændselscellen ved en given spænding.

I en fremgangsmåde til fremstilling af bipolære plader, som omfatter fremstilling af en blanding af en termohærdende harpiks af en bestemt sammensætning i et flygtigt opløsningsmiddel, indføring af et kulstoffyldstof og blanding af dem til en homogen tilstand, tørring, presning og termohærdning, tørres blandingen før presning efterfulgt af udglødning ved en temperatur lavere end 50-60°C end blandingens termohærdende temperatur, og presning udføres ved gentagen belastning til et tryk på 15-20 MPa samtidig med opvarmning, svarende til hærdning af blandingen . I dette tilfælde udføres udglødning med en gradvis stigning i temperaturen i 10,0-15,0 timer og efterfølgende fastholdelse ved denne temperatur i 1,0-2,0 timer, og presning udføres ved en temperatur på presseenhedens arbejdslegeme på 1,5- 2,0 gange højere end udglødningstemperaturen. Forholdet "t:l" (faste og flydende faser) ved dannelse af en blanding af kulstofpulvere med et opløsningsmiddel til termohærdende harpiks (acetone) varierer i området fra 1:2 til 1:5, og 0,1-3 tilsættes til sammensætning af startblandingen til presning 0 % (vægt) blæsemiddel.

Behovet for at bruge en termohærdende harpiks er forårsaget af det eksperimentelt fastslåede faktum, at der ikke er nogen ordentlig tætning af områderne af strømførende fremspring, når kulstofholdigt BP presses på et termoplastisk bindemiddel, hvilket kom til udtryk i svag vedhæftning af strømførende fremspring. til pladens krop og deres delaminering. Tilstedeværelsen af ​​en termohærdende harpiks af enhver sammensætning i blandingen til presning gør det i dette tilfælde muligt at danne fejlfrie strømførende fremspring og BP som helhed ved at sintringsmekanismen med en flydende fase forsvinder kort efter dens fremkomst trods fortsat opvarmning .

Rækkefølgen af ​​de vigtigste operationer, der finder sted under de bipolære plader, er som følger: et tyndt lag termohærdende polymerbindemiddel dannes på overfladen af ​​kulstoffyldstofpartiklerne under fremstillingen af ​​blandingen, dens tørring og efterfølgende udglødning, komprimering af blandingen, fremkomsten af ​​en flydende fase på grund af smeltningen af ​​bindemiddellaget på partikelfyldstoffet, yderligere komprimering af produktet på grund af krympning karakteristisk for væskefasesintring, termisk hærdning af bindemidlet og produktet som helhed.

Behovet for udglødning før presning skyldes tilstedeværelsen i agglomererede blandinger af en stor mængde flygtige komponenter, der forhindrer effektiv presning. En højere udglødningstemperatur kan føre til uønskede processer med for tidlig hærdning af bindemidlet i individuelle mikrovolumener af blandingen, og udglødning ved lavere temperatur er ineffektiv.

En vigtig parameter er pressetrykket. For blandinger af kuldispergerede fyldstoffer og et termohærdende bindemiddel afhænger pressetrykket af den specifikke type fyldstof og bør ikke overstige den værdi, over hvilken det flydende bindemiddel presses ud af blandingen - 20 MPa. Lavt tryk (mindre end 15 MPa) giver ikke effektiv tætning af PSU'en, især i området med strømførende fremspring.

Udførelse af presning samtidig med opvarmning af formen med blandingen til hærdning gør det muligt at implementere trin 4 i ovennævnte sekvens af fænomener, der opstår under dannelsen af ​​plader.

Udformningen af ​​den bipolære plade er illustreret med tegninger, hvor figur 1 viser et generelt billede af den bipolære plade, og figur 2 - snit af pladen langs A-A med strømførende fremspring, udført i form af f.eks. en cylinder , figur 3 - snit af pladen langs A-A med strømførende fremspring, lavet i form af for eksempel en kegle eller pyramide.

Den bipolære plade består af en central del 1 og en perifer del 2. Den centrale del har fremspring 3, hvis toppe er i samme plan med den perifere del, 0,3 til 2 mm høje og 0,5 til 3,0 mm i diameter ved grundlag. Fremspringene er arrangeret i en lineær rækkefølge lodret og vandret med et trin på 1,0-4,0 mm og tillader, med et større udviklet areal og volumen af ​​passage af gasformige reagensstrømme, at fordele de resulterende spændinger (tryk) i alle retninger. Et skakternet, rombisk, cirkulært, spiral eller labyrint arrangement af fremspringene er muligt. Og selve fremspringene kan være i form af en cylinder, en afkortet pyramide, et prisme og/eller en keglestub. Det blev eksperimentelt fundet, at afhængigt af de reducerede diametre af fremspringene, deres højde og skridtet mellem fremspringenes centre, adskiller den optimale form af de strømførende fremspring sig, fordi de optimerer reagensstrømmene, varmeoverførselseffektiviteten, og elektrisk ledningsevne på forskellige måder. Så især for et trin på 1 mm er formen af ​​en afkortet pyramide optimal. For fremspring med en basisdiameter på 0,5 mm er ellipseformen optimal. For strømførende fremspring med en højde på 0,3 mm er cylinderformen optimal. For specifikke driftsformer (strømstyrke, spænding, reagensflow, cellestørrelse osv.) udføres valget af den optimale form af strømførende fremspring og deres geometriske dimensioner individuelt.

Bipolære plader fremstilles som følger.

Kombinationen af ​​kulstofpartikelkomponenter blandes for at danne en homogen blanding med en vis mængde termohærdende harpiksopløsning. Grafit, sod, hakkede fibre, knust koks osv. kan være i form af kulstofdispergerede komponenter. Den fremstillede blanding anbringes under periodisk omrøring til tørre ved stuetemperatur for at fjerne hovedmængden af ​​flygtige komponenter. Det er således muligt at opnå et halvfabrikat i form af for eksempel granulat til den efterfølgende fremstillingsproces af BP. Yderligere, efter visuel inspektion, udglødes den tørre blanding ved en temperatur på 50-60°C lavere end den termohærdende temperatur. Derefter presses den udglødede blanding ved et tryk på 15-20 MPa i en form, hvis udstansninger er lavet med udsparinger, der danner strømførende fremspring under presning og hærdning. Samtidig med presning opvarmes formen med blandingen fra udglødningstemperaturen til hærdningstemperaturen. Efter at have holdt ved en hærdningstemperatur på 0,5-1 time, fjernes formen fra pressen og afkøles i luft og presses derefter ud med et specialværktøj.

En vigtig egenskab ved en bipolar plade er strukturen af ​​dens overflade. For at opnå højere egenskaber for brændselscellen er det tilrådeligt, at overfladen, langs hvilken arbejdsgasserne passerer mellem de strømførende fremspring, har en vis ruhed og mikroporøsitet. I dette tilfælde akkumuleres vandet, der dannes som følge af reaktionen mellem gasser, delvist i de overfladenære porer og øger derved gassernes fugtighed, hvilket har en positiv effekt på brændselscellens specifikke energikarakteristika. Dannelsen af ​​den ønskede struktur af overfladelaget ifølge den foreslåede metode, i modsætning til prototypen, sker ved at indføre i sammensætningen af ​​den oprindelige blanding til presning 0,1-3,0% (vægt) i forhold til den faste komponent af blanding ("t") af blæsemidlet (ammoniumcarbonat, polyethylenglycol, polyethylen). Det poredannende middel, der indføres i sammensætningen af ​​den oprindelige blanding til vandaflejring, påvirker ikke hærdningen af ​​bindemidlet og, nedbrydes under varmebehandling, presning under hærdning, danner en mikroporøs struktur af pladen og som følge heraf af overfladen lag (til en dybde på 1-2 μm).

Et fald i det poredannende indhold på mindre end 0,1 % har praktisk talt ingen effekt på mikroporøsiteten og ruheden af ​​det overfladenære lag, og en stigning i det poredannende indhold på mere end 3,0 % er upraktisk på grund af et fald i mekanisk styrke og eventuel forekomst af gennemtrængelighed af pladerne.

Fremgangsmåden til at opnå en bipolær plade er illustreret ved de følgende eksempler.

Eksempel 1. Til fremstilling af én strømforsyningsenhed (med cylindriske strømførende fremspring anbragt lineært, med en diameter på 0,5 mm, en højde på 0,5 mm, med en afstand mellem fremspringenes centre på 1,0 mm) med en størrelse på 100 × 100 mm, en tykkelse på 7 mm og en masse på 115 g tilbered en blanding af følgende sammensætning med forholdet "t:l" = 1,33:3,00

Grafitmærke KS-10 - 98 g

Sodmærke PM-100 - 1 g

Bakelit lak mærke LBS-1 - 34 g

Acetone - 300 g.

I et målebæger blandes den angivne mængde bakelitlak og f.eks. acetone til en ensartet farvet opløsning. En afvejet portion grafitpulver og kønrøg forblandes tørt, indtil der opnås en homogen blanding. Derefter anbringes blandingen af ​​pulvere og bakelitlakopløsningen i en blandebeholder og blandes mekanisk i 5-10 minutter indtil ensartet tilstand. Derefter efterlades blandingen under træk af et stinkskab til at tørre ved stuetemperatur i 12-15 timer, indtil den er visuelt tør, efterhånden som den tørrer, mens blandingen med jævne mellemrum omrøres og store (mere end 2-3 mm) agglomerater gnides gennem en metalnet med en cellestørrelse på 2 mm. En del af den tørre blanding hældes i formen, formen anbringes i ovnen og opvarmes til en temperatur på 90°C i 13,5-14 timer, efterfulgt af at holde ved denne temperatur i 2 timer. Derefter fjernes ladningen fra ovnen og placeres i opvarmet til 170°C hydraulisk presse. Presses på pressen i ryk (dette er læssehastigheden) i 1-2 sekunder til cirka en kraft på 22 tons. Efter cirka 5 sekunders eksponering øges kraften igen til 22-25 tons. Buret efterlades under pres i 1 time, hvorefter formen tages ud af pressen og stilles til afkøling ved stuetemperatur. Efter afkøling aflæses formen på en manuel skruepresse ved hjælp af 4 ståludkastere. Visuel kontrol af PSU-kvaliteten indikerer fraværet af ridser, defekter og revner på pladeoverfladen (inklusive i området med strømførende fremspring), delaminering af PSU-materialet ved grænsen mellem området for strømføring fremspring og bunden af ​​PSU'en. Ved undersøgelse af pladen efter styrketesten (pladen placeres mellem stålplader og udsættes for kompression med en kraft på 5 tons (tryk 5 MPa), hvilket svarer til arbejdskraften i brændselscellen i 1 time), er der ingen ændringer eller der blev fundet mangler. Volumenresistivitetsværdien var 0,025 Ohm·cm.

Eksempel 2. En bipolær plade fremstilles af en sammensætning og ved en fremgangsmåde svarende til eksempel 1 med fremspring i form af en keglestub med en diameter i bunden på 3,0 mm, øverst 2,5 mm, en højde på 2,0 mm, med en afstand mellem fremspringenes centre 4,0 mm.

Før og efter styrketestene opdages der ikke overfladefejl og fremspring. Værdien af ​​volumenresistiviteten er 0,030 Ohm·cm.

Eksempel 3. En bipolær plade fremstilles med en konfiguration og ifølge en procedure svarende til eksempel 1, men epoxyphenolbindemiddel nr. 560 fremstillet af FGUP SSC VIAM i en mængde på 31 g anvendes som termohærdende bindemiddel.

Før og efter styrketestene opdages der ikke overfladefejl og fremspring. Værdien af ​​volumenresistivitet er 0,017 Ohm·cm.

Eksempel 4. En bipolær plade fremstilles med en konfiguration, og ifølge en fremgangsmåde svarende til eksempel 1 tilsættes et blæsemiddel - højtrykspolyethylenpulver til den oprindelige blanding til presning i en mængde på 3,5 g (3,0 vægt-%) . Før og efter styrketestene opdages der ikke overfladefejl og fremspring. Værdien af ​​volumenresistivitet er 0,028 Ohm·cm. Porøsiteten af ​​det overfladenære lag (op til 100 µm dybt), målt ved vandsorption, er 2,8%.

Eksempel 5 En bipolær plade fremstilles med en konfiguration svarende til eksempel 1, ud fra sammensætningen og ifølge proceduren beskrevet i eksempel 9.

Før styrketestene blev der fundet op til 10 % af ødelagte og defekte fremspring, hvorefter antallet af ødelagte fremspring er omkring 30 %. Værdien af ​​volumenresistivitet er 0,025 Ohm·cm.

Eksempel 6 En bipolær plade fremstilles med en konfiguration svarende til eksempel 1 (strømførende fremspring arrangeret på en lineær måde) og testet i en brændselscelle under følgende betingelser:

Membran - MF4-SK 135 mikron tyk

Katalysator - Pt 40 /C i mængden af ​​2,5 mg / cm 2

Brændstof - brint ved et tryk på 2 ati

Oxidationsmiddel - ilt ved et tryk på 3 ati

Celledriftstemperatur - 85°С

Reaktion ved anoden: H 2 → 2H + + 2e -

Reaktion ved katoden: O 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O

Samlet reaktion: O 2 + 2H 2 → 2H 2 O

Ved en spænding på 0,7 V er den maksimale strømtæthed 1,1 A/cm2.

Eksempel 7 En bipolær plade fremstilles med en konfiguration og procedure svarende til eksempel 1, men de strømførende fremspring er rombiske og testet i en brændselscelle under forhold svarende til eksempel 6. Ved en spænding på 0,7 V er den maksimale strømtæthed 1,25 A/cm2.

Eksempel 8. En bipolær plade fremstilles af en sammensætning, og ifølge en metode svarende til eksempel 1 fremstilles fremspringene i form af et prisme med en diameter på 2 mm, en højde på 1,5 mm, med en afstand mellem centrene af fremspringene på 3,0 mm, og de strømførende fremspring placeres rombisk, og testene udføres i en cellebrændselscelle under forhold svarende til eksempel 6. Ved en spænding på 0,7 V var den maksimale strømtæthed 0,95 A/cm 2 .

Eksempel 9 En bipolær plade fremstilles med en konfiguration svarende til den kendte tekniske løsning fra sammensætningen, og ifølge proceduren beskrevet i eksempel 9 udføres tests i en brændselscelle under forhold svarende til eksempel 6. Ved en spænding på 0,7 V, den maksimale strømtæthed var 0,9 A/cm2. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at afhængigt af de reducerede diametre af fremspringene, deres højde og stigningen mellem fremspringenes centre, er den optimale form af de strømførende fremspring forskellig, fordi de optimerer reagensstrømmene, varmevekslingseffektiviteten , og elektrisk ledningsevne på forskellige måder. Så især for et trin på 1 mm er formen af ​​en afkortet pyramide optimal. For fremspring med en basisdiameter på 0,5 mm er formen af ​​en ellipse optimal. For strømførende fremspring med en højde på 0,3 mm er cylinderformen optimal. For specifikke driftsformer (strømstyrke, spænding, reagensflow, cellestørrelse osv.) udføres valget af den optimale form af strømførende fremspring og deres geometriske dimensioner individuelt.

EFFEKT: Opfindelsen gør det muligt at udvide funktionaliteten, forbedre de operationelle egenskaber og karakteristika af bipolære plader og brændselscellen som helhed og opnå bipolære plader med strømførende fremspring af vilkårlig form og arrangement med en fremspringshøjde på 0,3 til 2,0 mm. som at øge effektiviteten af ​​reagenstransport og fjernelsesreaktionsprodukter, øge korrosionsbestandigheden langs periferien med den teknologiske belastning, som er en enkelt helhed med den centrale elektrisk ledende del, som har en funktionel belastning.

1. En bipolær plade til en brændselscelle, bestående af perifere dele med huller og en central del med strømførende fremspring, hvis toppe er placeret i samme plan med de perifere dele, kendetegnet ved, at de strømførende fremspring er lavet med et givet basisareal med en reduceret diameter i bunden på 0,5 -3,0 mm, højde fra 0,3 til 2,0 mm og med et trin mellem centrene af de strømførende fremspring på 1,0-4,0 mm.

2. Bipolær plade ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de strømførende fremspring er udført med en base i form af en cirkel, eller en firkant, eller et rektangel, eller en ellipse, eller en rombe eller en trapezoid, eller kombinationer heraf.

USA har taget flere initiativer til at udvikle brintbrændselsceller, infrastrukturen og teknologierne til at gøre brændselscellekøretøjer praktiske og økonomiske inden 2020. Mere end en milliard dollars er blevet afsat til disse formål.

Brændselsceller genererer elektricitet stille og effektivt uden at forurene miljøet. I modsætning til fossile energikilder er brændselscellers biprodukter varme og vand. Hvordan det virker?

I denne artikel vil vi kort gennemgå hver af de eksisterende brændselsteknologier i dag, samt tale om design og drift af brændselsceller, og sammenligne dem med andre former for energiproduktion. Vi vil også diskutere nogle af de forhindringer, forskerne står over for med at gøre brændselsceller praktiske og overkommelige for forbrugerne.

Brændselsceller er elektrokemiske energikonverteringsanordninger. Brændselscellen omdanner kemikalier, brint og ilt, til vand, hvorved der genereres elektricitet.

En anden elektrokemisk enhed, som vi alle er meget fortrolige med, er batteriet. Batteriet har alle de nødvendige kemiske elementer inde i det og omdanner disse stoffer til elektricitet. Det betyder, at batteriet til sidst "dør", og du enten smider det væk eller genoplader det.

I en brændselscelle bliver der konstant fodret kemikalier ind i den, så den aldrig "dør". Elektricitet vil blive genereret, så længe kemikalierne kommer ind i cellen. De fleste brændselsceller, der er i brug i dag, bruger brint og ilt.

Brint er det mest almindelige grundstof i vores galakse. Imidlertid eksisterer brint praktisk talt ikke på Jorden i sin elementære form. Ingeniører og videnskabsmænd skal udvinde rent brint fra brintforbindelser, herunder fossile brændstoffer eller vand. For at udvinde brint fra disse forbindelser skal du bruge energi i form af varme eller elektricitet.

Opfindelse af brændselsceller

Sir William Grove opfandt den første brændselscelle i 1839. Grove vidste, at vand kunne opdeles til brint og ilt ved at føre en elektrisk strøm igennem det (en proces kaldet elektrolyse). Han foreslog, at man i omvendt rækkefølge kunne få el og vand. Han skabte en primitiv brændselscelle og kaldte den gas galvanisk batteri. Efter at have eksperimenteret med sin nye opfindelse, beviste Grove sin hypotese. Halvtreds år senere opfandt forskerne Ludwig Mond og Charles Langer udtrykket brændstofceller når man forsøger at bygge en praktisk model for elproduktion.

Brændselscellen vil konkurrere med mange andre energikonverteringsenheder, herunder gasturbiner i bykraftværker, forbrændingsmotorer i biler og batterier af enhver art. Forbrændingsmotorer, som gasturbiner, forbrænder forskellige typer brændstof og bruger det tryk, der skabes ved udvidelsen af ​​gasser, til at udføre mekanisk arbejde. Batterier omdanner kemisk energi til elektrisk energi, når det er nødvendigt. Brændselsceller skal udføre disse opgaver mere effektivt.

Brændselscellen giver DC (jævnstrøm) spænding, der kan bruges til at drive elektriske motorer, belysning og andre elektriske apparater.

Der er flere forskellige typer brændselsceller, som hver bruger forskellige kemiske processer. Brændselsceller er normalt klassificeret efter deres Driftstemperatur Og typeelektrolyt, som de bruger. Nogle typer brændselsceller er velegnede til brug i stationære kraftværker. Andre kan være nyttige til små bærbare enheder eller til at drive biler. De vigtigste typer brændselsceller omfatter:

Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)

PEMFC betragtes som den mest sandsynlige kandidat til transportansøgninger. PEMFC har både høj effekt og relativt lav driftstemperatur (i området 60 til 80 grader Celsius). Den lave driftstemperatur betyder, at brændselscellerne hurtigt kan varmes op for at begynde at generere elektricitet.

Fast oxid brændselscelle (SOFC)

Disse brændselsceller er mest velegnede til store stationære strømgeneratorer, der kunne levere elektricitet til fabrikker eller byer. Denne type brændselscelle fungerer ved meget høje temperaturer (700 til 1000 grader Celsius). Den høje temperatur er et pålidelighedsproblem, fordi nogle af brændselscellerne kan svigte efter flere cyklusser med at tænde og slukke. Fastoxidbrændselsceller er dog meget stabile i kontinuerlig drift. Faktisk har SOFC'er vist den længste levetid for enhver brændselscelle under visse forhold. Den høje temperatur har også den fordel, at dampen fra brændselscellerne kan ledes til turbiner og generere mere elektricitet. Denne proces kaldes kraftvarmeproduktion af varme og el og forbedrer den overordnede systemeffektivitet.

Alkalisk brændselscelle (AFC)

Det er et af de ældste brændselscelledesign, der er brugt siden 1960'erne. AFC'er er meget modtagelige for forurening, da de kræver ren brint og ilt. Derudover er de meget dyre, så denne type brændselsceller vil næppe blive sat i masseproduktion.

Smeltet-carbonat brændselscelle (MCFC)

Ligesom SOFC'er er disse brændselsceller også bedst egnede til store stationære kraftværker og generatorer. De opererer ved 600 grader Celsius, så de kan generere damp, som igen kan bruges til at generere endnu mere strøm. De har en lavere driftstemperatur end fastoxidbrændselsceller, hvilket betyder, at de ikke har brug for sådanne varmebestandige materialer. Det gør dem lidt billigere.

Fosforsyre brændselscelle (PAFC)

Fosforsyre brændselscelle har potentiale til brug i små stationære elsystemer. Den fungerer ved en højere temperatur end en brændselscelle med polymerudvekslingsmembran, så det tager længere tid at varme op, hvilket gør den uegnet til bilbrug.

Methanol brændselsceller Direkte methanol brændselscelle (DMFC)

Methanol brændselsceller er sammenlignelige med PEMFC med hensyn til driftstemperatur, men er ikke så effektive. Derudover kræver DMFC'er ret meget platin som katalysator, hvilket gør disse brændselsceller dyre.

Brændselscelle med polymer udvekslingsmembran

Polymerudvekslingsmembranbrændselscellen (PEMFC) er en af ​​de mest lovende brændselscelleteknologier. PEMFC bruger en af ​​de enkleste reaktioner af enhver brændselscelle. Overvej, hvad det består af.

1. EN node – Brændselscellens negative terminal. Det leder elektroner, der frigives fra brintmolekyler, hvorefter de kan bruges i et eksternt kredsløb. Den er indgraveret med kanaler, gennem hvilke brintgas fordeles jævnt over katalysatorens overflade.

2.TIL atom - Brændselscellens positive terminal har også kanaler til fordeling af ilt over overfladen af ​​katalysatoren. Det leder også elektroner tilbage fra den ydre kæde af katalysatoren, hvor de kan kombineres med brint- og oxygenioner for at danne vand.

3.Elektrolyt-proton udvekslingsmembran. Det er et specialbehandlet materiale, der kun leder positivt ladede ioner og blokerer elektroner. I PEMFC skal membranen være hydreret for at fungere korrekt og forblive stabil.

4. Katalysator er et specielt materiale, der fremmer reaktionen af ​​ilt og brint. Det er normalt lavet af platinnanopartikler aflejret meget tyndt på carbonpapir eller stof. Katalysatoren har en overfladestruktur, således at det maksimale overfladeareal af platinet kan udsættes for brint eller oxygen.

Figuren viser brintgas (H2), der under tryk trænger ind i brændselscellen fra anodesiden. Når et H2-molekyle kommer i kontakt med platin på katalysatoren, spaltes det i to H+-ioner og to elektroner. Elektronerne passerer gennem anoden, hvor de bruges i eksterne kredsløb (gør nyttigt arbejde såsom at dreje en motor) og returneres til katodesiden af ​​brændselscellen.

I mellemtiden passerer ilt (O2) fra luften på katodesiden af ​​brændselscellen gennem katalysatoren, hvor det danner to oxygenatomer. Hvert af disse atomer har en stærk negativ ladning. Denne negative ladning tiltrækker to H+ ioner hen over membranen, hvor de kombineres med et oxygenatom og to elektroner fra det eksterne kredsløb for at danne et vandmolekyle (H2O).

Denne reaktion i en enkelt brændselscelle producerer kun cirka 0,7 volt. For at hæve spændingen til et rimeligt niveau skal mange individuelle brændselsceller kombineres til en brændselscellestak. Bipolære plader bruges til at forbinde en brændselscelle til en anden og gennemgår oxidation med faldende potentiale. Det store problem med bipolære plader er deres stabilitet. Bipolære metalplader kan korroderes, og biprodukter (jern- og kromioner) reducerer effektiviteten af ​​brændselscellemembraner og elektroder. Derfor bruger lavtemperaturbrændselsceller letmetaller, grafit og kompositforbindelser af kulstof og termohærdende materiale (termohærdende materiale er en slags plast, der forbliver fast, selv når det udsættes for høje temperaturer) i form af et bipolært plademateriale.

Brændselscelleeffektivitet

Reduktion af forurening er et af hovedmålene for en brændselscelle. Ved at sammenligne en bil drevet af en brændselscelle med en bil drevet af en benzinmotor og en bil drevet af et batteri, kan du se, hvordan brændselsceller kan forbedre effektiviteten af ​​biler.

Da alle tre typer biler har mange af de samme komponenter, vil vi ignorere denne del af bilen og sammenligne effektiviteten indtil det punkt, hvor der produceres mekanisk kraft. Lad os starte med brændselscellebilen.

Hvis en brændselscelle drives af ren brint, kan dens effektivitet være op til 80 procent. Dermed omdanner den 80 procent af energiindholdet i brint til elektricitet. Vi skal dog stadig omdanne elektrisk energi til mekanisk arbejde. Dette opnås af en elektrisk motor og en inverter. Effektiviteten af ​​motor + inverter er også cirka 80 procent. Dette giver en samlet effektivitet på cirka 80*80/100=64 procent. Hondas FCX konceptbil har angiveligt en energieffektivitet på 60 procent.

Hvis brændstofkilden ikke er i form af ren brint, skal køretøjet også have en reformer. Reformatorer omdanner kulbrinte- eller alkoholbrændstoffer til brint. De genererer varme og producerer CO og CO2 udover brint. Forskellige enheder bruges til at rense det resulterende brint, men denne rensning er utilstrækkelig og reducerer brændselscellens effektivitet. Derfor besluttede forskerne at fokusere på brændselsceller til køretøjer, der kører på ren brint, på trods af problemerne forbundet med produktion og opbevaring af brint.

Effektivitet af en benzinmotor og en bil på elektriske batterier

Effektiviteten af ​​en bil drevet af benzin er overraskende lav. Al den varme, der går ud i form af udstødning eller optages af radiatoren, er spildt energi. Motoren bruger også meget energi på at dreje de forskellige pumper, blæsere og generatorer, der holder den kørende. Således er den samlede effektivitet af en bilbenzinmotor cirka 20 procent. Således omdannes kun cirka 20 procent af det termiske energiindhold i benzin til mekanisk arbejde.

Et batteridrevet elektrisk køretøj har en ret høj effektivitet. Batteriet er cirka 90 procent effektivt (de fleste batterier genererer noget varme eller kræver opvarmning), og motoren + inverteren er cirka 80 procent effektiv. Det giver en samlet effektivitet på cirka 72 procent.

Men det er ikke alt. For at en elbil kan bevæge sig, skal der først genereres strøm et sted. Hvis det var et kraftværk, der brugte en fossilt brændselsforbrændingsproces (frem for atomkraft, vandkraft, sol- eller vindkraft), så blev kun omkring 40 procent af det brændstof, som kraftværket forbrugte, omdannet til elektricitet. Desuden kræver processen med at oplade en bil at konvertere vekselstrøm (AC) til jævnstrøm (DC). Denne proces har en effektivitet på cirka 90 procent.

Hvis vi ser på hele cyklussen, er effektiviteten af ​​et elektrisk køretøj 72 procent for selve bilen, 40 procent for kraftværket og 90 procent for opladning af bilen. Det giver en samlet effektivitet på 26 procent. Den samlede effektivitet varierer betydeligt afhængigt af, hvilket kraftværk der bruges til at oplade batteriet. Hvis elektriciteten til en bil produceres for eksempel af et vandkraftværk, så vil en elbils virkningsgrad være omkring 65 procent.

Forskere forsker i og forfiner designs for at fortsætte med at forbedre brændselscelleeffektiviteten. En af de nye tilgange er at kombinere brændselscelle- og batteridrevne køretøjer. Et konceptbil er ved at blive udviklet til at blive drevet af en brændselscelledrevet hybriddrivlinje. Den bruger et lithiumbatteri til at drive bilen, mens en brændselscelle genoplader batteriet.

Brændselscellekøretøjer er potentielt lige så effektive som en batteridrevet bil, der oplades fra et fossilt brændstoffrit kraftværk. Men det kan være svært at opnå et sådant potentiale på en praktisk og tilgængelig måde.

Hvorfor bruge brændselsceller?

Hovedårsagen er alt relateret til olie. Amerika skal importere næsten 60 procent af sin olie. I 2025 forventes importen at stige til 68 %. Amerikanerne bruger to tredjedele af olien dagligt til transport. Selv hvis hver bil på gaden var en hybridbil, ville USA i 2025 stadig skulle bruge den samme mængde olie, som amerikanerne forbrugte i 2000. Faktisk forbruger Amerika en fjerdedel af al den olie, der produceres i verden, selvom kun 4,6% af verdens befolkning bor her.

Eksperter forventer, at oliepriserne vil fortsætte med at stige i løbet af de næste par årtier, efterhånden som billigere kilder løber tør. Olieselskaber skal udvikle oliefelter under stadig sværere forhold, hvilket vil drive oliepriserne op.

Frygten rækker langt ud over økonomisk sikkerhed. En stor del af overskuddet fra salget af olie bruges på at støtte international terrorisme, radikale politiske partier og den ustabile situation i de olieproducerende regioner.

Brugen af ​​olie og andre fossile brændstoffer til energi giver forurening. Det er bedst for alle at finde et alternativ - afbrænding af fossile brændstoffer til energi.

Brændselsceller er et attraktivt alternativ til olieafhængighed. Brændselsceller producerer rent vand som et biprodukt i stedet for forurening. Mens ingeniører midlertidigt har fokuseret på at producere brint fra forskellige fossile kilder såsom benzin eller naturgas, udforskes vedvarende, miljøvenlige måder at producere brint på i fremtiden. Den mest lovende vil naturligvis være processen med at opnå brint fra vand.

Olieafhængighed og global opvarmning er et internationalt problem. Flere lande er i fællesskab involveret i udviklingen af ​​forskning og udvikling inden for brændselscelleteknologi.

Det er klart, at forskere og producenter har meget arbejde at gøre, før brændselsceller bliver et alternativ til de nuværende energiproduktionsmetoder. Og alligevel, med støtte fra hele verden og globalt samarbejde, kan et levedygtigt energisystem baseret på brændselsceller blive en realitet om et par årtier.