Elektrokjemisk energi. 2009. T. 9, nr. 3. s.161-165

UDC 66,02; 536,7;

Metoder for overflatebehandling av titan bipolare plater av hydrogen-luft brenselelementer

M.S. Vlasin, E. I. Schoolists, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov*, V.P. Kharitonov*

Institutt for nye energiproblemer OIVT RAS, Moskva, Russland *RIMOM CJSC, Moskva, Russland E-post: [e-postbeskyttet]

Kom inn i redaksjonen 11.06.09.

Artikkelen er viet til studiet av påvirkningen av overflatebehandling av bipolare plater (PSU) på de spesifikke elektriske egenskapene til brenselelementene (TE). Studier ble utført på titanbaserte plater. To metoder for behandling av BP: elektrokjemisk forgylling og ioneimplantasjon av karbon vurderes. Korte beskrivelser av teknologiene ovenfor presenteres, samt metodikk og resultater av eksperimentene. Det er vist at både forgylling og legering med karbon av overflaten til titan PSU forbedrer de elektriske egenskapene til TE. Den relative reduksjonen av de ohmske motstandene til TE sammenlignet med titanplater uten belegg utgjorde 1,8 for elektrokjemisk forgylling og 1,4 for ioneimplantasjon.

Stikkord: hydrogen-luft brenselelementer, titanbaserte bipolare plater, karbonimplantasjon, impedansspektroskopi.

Arbeidet er gitt til forskning om påvirkning av overfladiske prosesseringer av bipolare plater (BP) PÅ SPESIFIKKE ELEKTRISKE KARAKTERISTIKKER av FUEL CE) (S (FC). Forskning ble utført på plater på grunnlag av Titan. To metoder for behandling av BP Er konsederert: Elektrokjemisk forgylling og ionimplantasjon av karbon. I arbeid Korte beskrivelser av de resulterende teknologiene, og også en teknikk og resultateksperimenter GJENNYTTET. I arbeid Det er vist at som forgylling og ionimplantasjon karbon Titanic BP Elektriske egenskaper FC forbedres. Relative Reduksjon av ohmsk motstand FC sammenlignet med "rene" Titanic-plater har vært 1,8 for elektrokjemisk forgylling og 1,4 for IMPLANTASJON.

Stikkord: Hydrogen-luft brenselceller, bipolare titanbaserte plater, karbonimplantasjon, impedansspektroskopi.

INTRODUKSJON

For tiden, i verden, brukes to hovedtyper av materialer for PSU: BP fra karbon- eller grafittpolymerkompositter og metall PSU.

Forskning innen grafitt BPS har ført til en betydelig forbedring i deres fysisk -kjemiske egenskaper og spesifikke egenskaper. Grafittbaserte strømforsyninger er mer korrosjonsbestandige enn metaller, men deres største ulempe er fortsatt deres svake mekaniske styrke, som forhindrer bruken i brenselceller for transport og bærbare bærbare kraftverk.

I denne forbindelse har metaller flere utvilsomme fordeler fremfor karbonmaterialer. De er preget av høyere termisk og elektrisk ledningsevne, fravær av porer, gasspermeabilitet og høy mekanisk styrke. Metallstrømforsyninger er også mer lønnsomme enn grafitt fra et økonomisk synspunkt. Imidlertid er alle de ovennevnte fordelene med metaller i stor grad devaluert av slike ulemper som lav korrosjonsmotstand og høy kontaktmotstand med karbondiffusjonslag (GDL).

Det mest lovende metallet som et materiale for fremstilling av strømforsyninger er titan. Arbeidet gir noen fordeler med strømforsyning av titan. Titan har gode mekaniske egenskaper, og forurensning med titanioner er ikke farlig for katalysatoren av membranelektrodeenheter (MEA). Korrosjonsmotstanden til titan er også en av de høyeste blant metaller, men i det aggressive miljøet til FC må titan fortsatt beskyttes mot korrosjon. En ekstra faktor i søket etter belegg for titan er dens høye kontaktmotstand med karbon GD -er.

Vårt laboratorium (Laboratory of Aluminium-Hydrogen Energy fra Joint Institute for High Temperature of the Russian Academy of Sciences) utvikler bærbare kraftkilder basert på hydrogen-luft brenselceller (HAFC). Titan ble valgt som BP-materiale, inkludert på grunn av ovenstående. Arbeidet vi utførte tidligere bekreftet behovet for å søke etter belegg og/eller metoder for ytterligere prosessering.

En velkjent måte å beskytte overflaten av titan på er å belegge den med gull. Dette belegget øker korrosjonsmotstanden og reduserer den ohmske motstanden til brenselcellen, noe som fører til en forbedring av dens elektriske egenskaper. Imidlertid er denne teknologien ganske

© , 2009

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

Dyrt, hovedsakelig på grunn av bruk av edle metaller.

I dette arbeidet, i tillegg til elektrokjemisk gullplettering, vurderer vi en metode for å produsere BP fra titan med påfølgende prosessering ved ioneimplantasjon. Legering av overflaten på BP med karbon skaper ekstra korrosjonsbeskyttelse og reduserer kontaktmotstanden med karbon GDS. Denne teknologien lover å redusere kostnadene ved å produsere strømforsyninger samtidig som den opprettholder høy elektrisk ytelse.

Artikkelen presenterer resultatene av eksperimenter som sammenligner de elektriske egenskapene til PSU-er laget av "rent" titan (dvs. uten belegg), titan elektrokjemisk belagt med gull og titan dopet med karbon ved ioneimplantasjon.

1. EKSPERIMENTELL PROSEDYRE

Strøm-spenningskurven og impedansen til brenselcellen ble valgt som de elektriske egenskapene som metodene ovenfor for å produsere strømforsyninger fra titan ble sammenlignet med. Forsøkene ble utført på en spesialisert impedansmåler Z-500PX (med potensiostatfunksjoner) fra Elins LLC. Brenselcellen ble lastet med en elektronisk last innebygd i impedansen i potensiostatisk modus ved spenninger på 800, 700, 600 og 500 mV. Ved hver spenning ble TE holdt i 2000 s for å nå en stabil tilstand, hvoretter impedansmålingen fulgte. I hvert tilfelle, etter eksponering og

Da brenselcellen nådde en stasjonær tilstand ble det tatt 5 hodografer. Ved måling av impedans var amplituden til det forstyrrende sinusformede spenningssignalet 10 mV, frekvensområdet var 105-1 Hz. Strøm-spenningskurver ble konstruert ved bruk av stasjonære verdier.

Alle forsøk ble utført på spesialproduserte modelltest-HFKer (fig. 1). Testelementet er en enkelt MEA klemt mellom to strømsamlende plater, som er analoger til endeplatene i brenselcellebatterier. Total størrelse på strømsamlerplater - 28x22 mm, tykkelse - 3 mm hver. For å lette strømoppsamlingen har platene spesielle 4x4 mm "haler". Aktiv overflate størrelse 12x18 mm (2,16 cm2). Hydrogen tilføres MEA gjennom anodestrømsamlerplaten og fordeles i henhold til et gitt strømningsfelt på den aktive overflaten av denne platen. Luften mater høyspentvarmeelementene på grunn av naturlig konveksjon. Katodestrømsamlerplaten har 4 kanaler med en diameter på 2 mm med slisser i det aktive overflateområdet. Lengden på kanalen som luften sprer seg gjennom er 22 mm. Tre-element MEA er laget av Mayop 212, med en platinakatalysatorstrømningshastighet på 0,2 mg/cm2 ved anoden og 0,5 mg/cm2 ved katoden.

Testen høyspenningsbrenselceller ble satt sammen fra identiske komponenter med unntak av strømoppsamlerplater. Было изготовлено три пары токосъемных пластин из титана марки ВТ1-0. Первая пара представляла собой «чистые» шлифованные титановые

Ris. 1. Тестовый ТЭ в разборном состоянии. Deler fra venstre til høyre: Anode strøm samlerplate, tetning, anode GDS, MEA, Cathode GDS, Seal, Cathode Current Collector Plate; 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. Det er basert på innføring av akselererte ioner av et stoff i målmaterialet for å endre de fysisk -kjemiske egenskapene til overflaten. Ionimplantasjon av titan -bps og endeplater ble utført på et spesialisert stand av JSC Rimos. 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). Distribusjonskurven for karbonkonsentrasjon i titan er vist på fig. 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

Ris. 2. Distribusjonskurve for karbonkonsentrasjon i titan

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

I fig. Figur 3 viser strøm-spenningskurver og tilsvarende effekttetthetskurver for brenselceller med ulike strømsamlende plater. De absolutte verdiene for strøm og kraft er relatert til det aktive overflatearealet til MEA, som er 2,16 cm2. Det følger klart av figuren at både karbondioping og elektrokjemisk gullplettering fører til en forbedring av de spesifikke egenskapene til brenselceller. Det skal bemerkes at strømspenningskarakteristikkene samtidig gjenspeiler aktivering, ohmiske og diffusjonstap i brenselcellen. Aktiveringstap er assosiert med å overvinne energibarrieren for elektrodereaksjoner, ohmske tap er summen av de elektriske motstandene til hvert av de elektrisk ledende lagene i brenselcellen og kontaktmotstandene mellom dem, og diffusjonstap er assosiert med mangel på tilførsel av reagenser til reaksjonsområdet til MEA. Til tross for at i forskjellige områder med strømtettheter, som regel, er en av de tre typene tap som er oppført ovenfor dominerer, strømspenningskurver og krafttetthetskurver ikke nok til å kvantifisere en bestemt metode for å behandle PSU-er (endeplater). I vårt tilfelle er de ohmske tapene til brenselcellen av interesse. Aktivering og diffusjonstap er, til en første tilnærming, det samme for alle brenselceller: aktiveringstap på grunn av bruk av identiske MEA med samme katalysatorstrømningshastighet, diffusjonstap på grunn av samme utforming av teststrømssamlerplater.

For å identifisere ohmiske tap ble impedanshodografier oppnådd under eksperimentene brukt. Resultatene av denne delen av eksperimentene er vist i fig. 4. Som et eksempel viser figurene en av fem hodografer tatt i hvert tilfelle etter at brenselcellen når en stasjonær tilstand.

Impedansspektroskopi gjør det mulig å kvantifisere de elektriske tapene av brenselceller. Papirene presenterer en beskrivelse av denne metoden i forhold til høyspent drivstoffelementer. I samsvar med reglene for å tolke Hodografer, er ohmisk motstand den virkelige delen av impedansen ved høye frekvenser (/ = 105-104 Hz). Verdien er valgt ved skjæringspunktet mellom hodografen med abscissa -aksen (1 m r = 0) i høyfrekvensområdet. Ved bruk av hodografer bestemmes kapasitansen til dobbeltlaget på elektrode/elektrolyttoverflaten. Diameteren til Hodograph -halvsirkelen kjennetegner den totale motstanden mot passering av en ladning gjennom dette laget. I fig. 4 impedanshodografer er presentert i serien

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

Ris. 3. Strømspenningskurver (A) og tilsvarende krafttetthetskurver (B): - - - Titan uten belegg,

F- - Titanium + C, - ■ - - titan + N1 + Au

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

Ris. 4. Papedance TE med konstant polarisering, MV: A - 800, B - 700 V - 600, G - 500: - - - Tint uten dekning;

Titan + n1 + ai; 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

Prøvespenning på brenselcellen, MV

Титан без покрытий 0.186 0.172 0.172 0.169

Титан+Ni, Au 0.1 0.098 0.097 0.093

Titan+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. Beleggskiver med gull viser seg å være litt mer fordelaktig når det gjelder elektrisk ytelse enn å behandle dem med ionimplantasjon.

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

BIBLIOGRAFI

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. Ross. chem. Øyer oppkalt etter 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. S.101-105.

5. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Ilyukhin A.S., Tarasenko A.B., Elektrokhim. energi. 2007. T.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. Ioneimplantasjon i halvledere og andre materialer: Lør. Kunst. M.: Mir, 1980.

9. Pleshivtsev N.V., Bazhin A.I.. Fysikk av effekten av ionestråler på materialer. M.: Universitetsbok, 1998.

10. Ioneimplantasjon. M.: Metallurgi, 1985.

11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027/24, H01J003/04 / Mashkovtsev B.N.. En metode for å produsere en ionestråle og en enhet for dens implementering.

12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2/00, A61L2/14 / Kharitonov V.P., Chinenov A.A., Simakov A.I., Samkov A.V. Enhet for ionestrålebehandling av medisinsk utstyrsprodukter.

13. Pat. 2109495 RF, IPC: A61F002/24 / Joseph N.A., Kevorkova R.A.,. Samkov A.V., Simakov A.I., Kharitonov V.P., Chinenov A.A. Kunstig hjerteklaff og fremstillingsmetode.

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

15. Nasjonalt energiteknisk laboratorium. Fuel Cell Hand Book, sjette utgave, G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, West Virginia, 2002. 352 s.

Elektroder av SOFC produsert ved ISSP RAS: grønn - anode og svart - katode. Drivstoffceller er plassert på bipolare SOFC-batteriplater

Nylig besøkte en venn av meg Antarktis. En morsom tur! – sa hun, reiselivsvirksomheten er utviklet nok til å bringe den reisende til stedet og la ham nyte den harde prakten av Arktis uten å fryse i hjel. Og dette er ikke så enkelt som det kan virke - selv med tanke på moderne teknologier: elektrisitet og varme i Antarktis er gull verdt. Døm selv, konvensjonelle dieselgeneratorer forurenser jomfrusnø og krever levering av store mengder drivstoff, og fornybare energikilder er ennå ikke særlig effektive. For eksempel, på en museumsstasjon som er populær blant turister i Antarktis, genereres all energi av kraften fra vind og sol, men museumslokalene er kule, og de fire vaktmesterne dusjer utelukkende på skipene som bringer gjester til dem.

Problemer med konstant og uavbrutt strømforsyning er ikke bare kjent for polfarere, men også for alle produsenter og folk som bor i avsidesliggende områder.

De kan løses med nye metoder for å lagre og generere energi, blant hvilke kjemiske strømkilder ser ut til å være de mest lovende. I disse minireaktorene blir energien fra kjemiske transformasjoner direkte omdannet til elektrisitet, uten å omdannes til varme. Dermed reduseres tapene og følgelig drivstofforbruket kraftig.

Ulike reaksjoner kan oppstå i kjemiske strømkilder, og hver har sine egne fordeler og ulemper: noen "brenner raskt ut", andre kan bare fungere under visse forhold, for eksempel ultrahøye temperaturer, eller på et strengt definert drivstoff, som f.eks. rent hydrogen. En gruppe forskere fra Institute of Solid State Physics RAS (ISSP RAS) ledet av Sergei Bredikhin avhengig av den såkalte solid oxide brenselcellen (SOFC). Forskere er sikre på at den med riktig tilnærming vil kunne erstatte ineffektive generatorer i Arktis. Prosjektet deres ble støttet innenfor rammen av det føderale målprogrammet "Research and Development for 2014-2020".

Sergey Bredikhin, prosjektleder for Federal Targeted Program "Utvikling av en skalerbar laboratorieteknologi for produksjon av SOFC-er av plan design og konseptet med å lage kraftverk på grunnlag av deres for ulike formål og strukturer, inkludert hybride, med produksjon og testing av en småskala eksperimentell modell av et kraftverk med en kapasitet på 500 - 2000 W"

Uten støy og støv, men med full effektivitet

I dag er kampen i energisektoren for nyttig energiproduksjon: forskere kjemper for hver prosent av effektiviteten. Generatorer som opererer etter prinsippet om intern forbrenning ved bruk av hydrokarbonbrensel - fyringsolje, kull, naturgass (den siste typen drivstoff er den mest miljøvennlige) er mye brukt. Tap ved bruk av dem er betydelige: selv med maksimal optimalisering overstiger ikke effektiviteten til slike installasjoner 45%. Samtidig, under driften, dannes nitrogenoksider (NOx), som, når de samhandler med vann i atmosfæren, blir til ganske aggressive syrer.

SOFC-batteri under mekanisk belastning

Solid oxide brenselceller (SOFCs) har ikke slike "bivirkninger". Slike installasjoner har en effektivitet på mer enn 50% (og dette er bare når det gjelder elektrisitetseffekt, og når man tar hensyn til termisk effekt, kan effektiviteten nå 85-90%), og de slipper ikke ut farlige forbindelser til atmosfæren .

– Dette er en veldig viktig teknologi for Arktis eller Sibir, hvor økologi og problemer med levering av drivstoff er spesielt viktig. Fordi leketøy forbrukes flere ganger mindre drivstoff, "forklarte Sergey Bredikhin. "De skal fungere uten stopp, så de egner seg godt til å jobbe på polstasjonen eller den nordlige flyplassen."

Med relativt lavt drivstofforbruk fungerer en slik installasjon også uten vedlikehold i opptil 3-4 år. «Dieselgeneratoren som er mest brukt i dag, krever oljeskift hver tusende time. Og SOFC-er jobber i 10-20 tusen timer uten vedlikehold, understreket Dmitry Agarkov, juniorforsker ved ISTT.

Fra idé til batteri

Arbeidsprinsippet til TOE er ganske enkelt. De representerer et "batteri" der flere lag med fast oksid brenselceller er satt sammen. Hvert element har en anode og en katode, drivstoff bringes til det fra anoden, og luft fra katoden. Det er bemerkelsesverdig at en rekke drivstofftyper fra rent hydrogen til karbonmonoksid og ulike hydrokarbonforbindelser er egnet for TOE. Som et resultat av reaksjoner som oppstår på anoden og katoden, forbrukes oksygen og drivstoff, samt en strøm av ioner mellom elektrodene. Når batteriet er bygget inn i en elektrisk krets, begynner strømmen å flyte i den.

Datamodellering av fordelingen av strømmer og temperaturfelt i et SOFC-batteri med dimensjoner 100×100 mm.

En ubehagelig egenskap ved SOFC-drift er behovet for høye temperaturer. For eksempel opererer en prøve samlet ved ISSP RAS ved 850°C. Det tar ca. 10 timer før generatoren varmes opp til driftstemperatur, men så vil den fungere i flere år.

De faste oksidelementene utviklet i IFTT RAS vil produsere opptil to kilowatt elektrisitet - avhengig av størrelsen på brenselplaten og mengden av disse platene i batteriet. Små mock-up prøver på 50 watt er allerede samlet inn og testet.

Spesiell oppmerksomhet bør rettes mot selve platene. En plate består av syv lag, som hver har sin egen funksjon. To lag på katoden og anoden katalyserer reaksjonen og passerer elektroner, det keramiske laget mellom dem isolerer forskjellige medier (luft og drivstoff), men passerer de ladede oksygenionene. Samtidig bør selve membranen være sterk nok (keramikk av en slik tykkelse blir veldig lett skadet), så den består i seg selv av tre lag: det sentrale gir de nødvendige fysiske egenskapene - høy ioneledningsevne - og de ekstra lagene påført på begge sider gir mekanisk styrke. Likevel er ett brenselelement veldig tynt - ikke mer enn 200 mikron tykt.

Lag av Toye

Men én brenselcelle er ikke nok - hele systemet må plasseres i en varmebestandig beholder som tåler driftsforhold i flere år ved en temperatur på 850°C. Forresten, som en del av prosjektet, for å beskytte metallkonstruksjonselementer, bruker ISSP RAS-forskere belegg utviklet under et annet prosjekt.

"Da vi startet dette prosjektet, ble vi møtt med det faktum at vi ikke har noe i landet vårt: ingen råvarer, ingen lim, ingen tetningsmidler," sa Bredikhin. – Vi måtte gjøre alt. Vi gjorde simuleringer og øvde på små pelletformede brenselceller. De fant ut hva de skulle være i sammensetning og konfigurasjon, og hvordan de er plassert. ”

I tillegg må det tas i betraktning at brenselcellen opererer i et miljø med høy temperatur. Dette betyr at det er nødvendig å sikre tetthet, for å kontrollere at materialene ved måltemperaturen ikke vil reagere med hverandre. En viktig oppgave var å "synkronisere" utvidelsen av alle elementer, fordi hvert materiale har sin egen lineære varmeutvidelseskoeffisient, og hvis noe ikke er koordinert, kan kontakter løsne, tetningsmidler og lim kan bryte. Forskere har fått patent på produksjon av dette elementet.

På vei til realisering

Kanskje er det derfor Bredikhin-gruppen i IFTT har et helt system med trinnvis forberedelse av de første materialene, deretter plater og til slutt brenselelementer og generatorer. I tillegg til denne anvendte fløyen er det en retning som driver med grunnleggende vitenskap.

I veggene til IFTT utføres en grundig kvalitetskontroll av hvert parti drivstoffelementer

Hovedpartneren i dette prosjektet er Krylov State Research Center, som fungerer som hovedutvikler av kraftverket, inkludert utvikling av nødvendig designdokumentasjon og produksjon av maskinvare i pilotproduksjonen. Noe av arbeidet gjøres også av andre organisasjoner. For eksempel er den keramiske membranen som skiller katoden og anoden produsert av Novosibirsk-selskapet NEVZ-Ceramics.

For øvrig er det ingen tilfeldighet at skipsbyggingssenteret deltar i prosjektet. Et annet lovende bruksområde for SOFC-er kan være ubåter og undervannsdroner. Det er også ekstremt viktig for dem hvor lenge de kan være helt autonome.

Den industrielle partneren til prosjektet, Energy Without Borders Foundation, kan organisere produksjonen av små partier med to-kilowatt-generatorer ved Krylov Research Center, men forskerne håper på en betydelig utvidelse av produksjonen. I følge utviklerne er energien som oppnås i SOFC-generatoren konkurransedyktig selv for innenlandsbruk i avsidesliggende hjørner av Russland. Kostnaden for en kW*time forventes å være omtrent 25 rubler, og med dagens energikostnad i Yakutia opp til 100 rubler per kW*time, ser en slik generator veldig attraktiv ut. Markedet er allerede forberedt, Sergei Bredikhin er sikker, det viktigste er å ha tid til å bevise deg selv.

I mellomtiden introduserer utenlandske selskaper allerede SOFC-baserte generatorer. Lederen i denne retningen er amerikanske Bloom Energy, som produserer hundrekilowatt-installasjoner for kraftige datasentre til selskaper som Google, Bank of America og Walmart.

Den praktiske fordelen er klar – enorme datasentre drevet av slike generatorer bør være uavhengige av strømbrudd. Men i tillegg streber store firmaer etter å opprettholde bildet av progressive selskaper som bryr seg om miljøet.

Bare i USA kreves det store offentlige betalinger for utvikling av slike "grønne" teknologier - opptil 3000 dollar for hver kilowatt kraft produsert, som er hundrevis av ganger mer enn finansieringen av russiske prosjekter.

I Russland er det et annet område hvor bruken av SOFC-generatorer ser veldig lovende ut - katodisk beskyttelse av rørledninger. Først og fremst snakker vi om gass- og oljerørledninger som strekker seg hundrevis av kilometer over det øde landskapet i Sibir. Det er fastslått at når spenning påføres et metallrør, er det mindre utsatt for korrosjon. For tiden opererer katodiske beskyttelsesstasjoner på termiske generatorer, som må overvåkes konstant og hvis effektivitet bare er 2%. Deres eneste fordel er deres lave kostnader, men hvis du ser på det på lang sikt, ta hensyn til drivstoffkostnadene (som er drevet av innholdet i røret), og denne "fortjenesten" av dem ser lite overbevisende ut. Ved hjelp av stasjoner basert på SOFC-generatorer er det mulig å organisere ikke bare en uavbrutt tilførsel av spenning til rørledningen, men også overføring av elektrisitet for telemetriundersøkelser... De sier at Russland uten vitenskap er et rør. Det viser seg at selv dette røret er et rør uten vitenskap og ny teknologi.

Utvikling av brenselceller er kanskje den mest ettertraktede teknologien i transportindustrien i dag, med utviklere som bruker enorme mengder penger hvert år på jakt etter et levedyktig alternativ til (eller komplement til) forbrenningsmotoren. I løpet av de siste årene har Dana-ingeniører fokusert sine produksjons- og ingeniørevner på utfordringen med å redusere kjøretøyets avhengighet av tradisjonelle energikilder. Gjennom menneskets historie har de viktigste energikildene endret seg fra fast brensel (som tre og kull) til flytende (olje). I de kommende årene tror mange at gassformige produkter gradvis vil bli den dominerende energikilden over hele verden.

Kort sagt er en brenselcelle en elektrokjemisk enhet som konverterer energien til en kjemisk reaksjon direkte til elektrisitet, varme og aske. Denne prosessen forbedrer den lave effektiviteten til tradisjonell termomekanisk konvertering av energibæreren.

Ris. Brenselcellebil

Hydrogen er det første eksemplet på et fornybart gassformig drivstoff som lar en slik reaksjon oppstå og til slutt produsere elektrisk energi. Og denne prosessen forurenser ikke miljøet.

En typisk hydrogenbrenselcellemodell involverer hydrogen som strømmer mot anoden til brenselcellen, hvor hydrogenmolekylene deles inn i elektroner og positivt ladede ioner gjennom en elektrokjemisk prosess i nærvær av en platinakatalysator. Elektroner går rundt protonutvekslingsmembranen (PEM), og genererer dermed en elektrisk strøm. Samtidig fortsetter positive hydrogenioner å diffundere gjennom brenselcellen gjennom PEM. Elektronene og positive hydrogenioner kombineres deretter med oksygen på katodesiden for å danne vann og frigjøre varme. I motsetning til en tradisjonell bil med forbrenningsmotor, lagres elektrisiteten i batterier eller går direkte til trekkmotorer, som igjen driver hjulene.

En hindring for brenselcellesystemer er den nåværende mangelen på infrastruktur for å produsere eller levere tilstrekkelige mengder hydrogen. Som et resultat er det viktigste uløste problemet fortsatt tilgjengeligheten av en bestemt type drivstoff som brukes i brenselcellen. Bensin og metanol er de mest sannsynlige energibærerne for brenselceller. Hver drivstofftype står imidlertid fortsatt overfor sine egne utfordringer.

Teknologi utvikles for tiden for kompositt-bipolare plater loddet inn i netting, rør og integrerte isolatorer. Ingeniører utvikler bipolare metallplater med spesielle belegg, høytemperaturstrømkanaler, høytemperaturisolatorer og høytemperaturbeskyttelse. De utvikler også kontrollmetoder og design for drivstoffprosessorer, dampkondensatorer, forvarmere og kjølemoduler med integrerte vifter og motorer. Det utvikles fortsatt løsninger for å transportere hydrogen, karbonholdige væsker, avionisert vann og luft til ulike deler av systemet. Danas filtreringsgruppe utvikler filtre for luftinntaket til brenselcellesystemet.

Det er anerkjent at hydrogen er fremtidens drivstoff. Det er også en utbredt oppfatning at brenselceller etter hvert vil ha en betydelig innvirkning på bilindustrien.

Biler og lastebiler med hjelpebrenselceller for å drive klimaanlegg og annen elektronikk forventes å komme ut på veiene snart.

Ris. Drivstoffceller på en bil (

Eiere av patent RU 2267833:

Oppfinnelsen angår bilindustrien, skipsbygging, energi, kjemisk og elektrokjemisk industri, spesielt i elektrolyse for å produsere klor, og kan brukes i produksjon av brenselceller med en membran-elektrode-enhet. Det tekniske resultatet av oppfinnelsen er å utvide funksjonaliteten, forbedre ytelsesegenskapene og egenskapene til bipolare plater og brenselcellen som helhet, oppnå bipolare plater med strømførende fremspring av vilkårlig form og plassering med en fremspringshøyde fra 0,3 til 2,0 mm, samt øke effektiviteten av reagenstransport og fjerning av reaksjonsprodukter, øke korrosjonsmotstanden langs periferien med den teknologiske belastningen, som danner en enkelt helhet med den sentrale elektrisk ledende delen som har en funksjonell belastning. En bipolar plate som består av perifere deler med hull og en sentral del med strømførende fremspring av vilkårlig form, hvis topper er plassert i samme plan med de perifere delene, mens de strømførende fremspringene er laget med et gitt basisareal. , med redusert diameter ved bunnen på 0,5-3,0 mm, høyde fra 0,3 til 2,0 mm og med en stigning mellom sentrene til strømførende fremspring 1,0-4,0 mm. Fremgangsmåten for å produsere en bipolar plate involverer fremstilling av en termoherdende harpiks av en gitt sammensetning i et flyktig løsningsmiddel med et karbonfyllstoff, blanding, tørking, gløding og pressing ved gjentatt belastning til et trykk på 15-20 MPa ved herdetemperaturen til harpiksen . I dette tilfellet glødes blandingen ved en temperatur som er 50-60°C lavere enn blandingens herdetemperatur. Ved fremstilling av en blanding av karbonpulver med et løsningsmiddel er forholdet mellom faste og flytende faser i området fra 1:3 til 1:5. 0,1-3% av et esemiddel tilsettes til sammensetningen av den opprinnelige blandingen for pressing. 2 n. og 6 lønn fly, 3 ill.

Oppfinnelsen angår bilindustrien, skipsbygging, energi, kjemisk og elektrokjemisk industri, spesielt i elektrolyse for å produsere klor, og kan brukes i produksjon av brenselceller med en membran-elektrode-enhet.

Det er kjent bipolare plater som består av sentrale og perifere deler plassert rundt den sentrale delen. På den sentrale delen, på en eller begge sider, er langsgående parallelle labyrintiske riller plassert for å fordele strømmene av gassformige reagenser, og danner seg imellom funksjonelle strømførende fremspring med apexer plassert i samme plan, med ett sentralt og to diagonale hull for sirkulasjon og distribusjon av elektrolyttstrømmer. På de perifere delene av platene er det gjennomgående hull for å sette dem sammen til en pakke. De perifere og sentrale delene er atskilt med et tetningselement langs omkretsen av den sentrale delen. Dessuten, for organisert fordeling av gassformige reagensstrømmer, har de langsgående parallelle sporene, så vel som de funksjonelle strømførende fremspringene, en labyrintisk retning fra det sentrale hullet til de perifere hullene eller omvendt, se reklamekatalogen til Schunk KOHLNSTOFF GmbH .

Ulempene med de kjente bipolare brenselcelleplatene er en reduksjon i effektiviteten av transport av reagenser og fjerning av reaksjonsprodukter i de skjermede områdene av den porøse strømkollektoren og, som en konsekvens, en reduksjon i strømtettheten til brenselcellecellen ved en gitt spenning, muligheten for å blokkere kanalene med dråper kondenserende vann under fluktuasjoner i temperaturregimet til brenselcellen og/eller vannbalansen til systemet, noe som også fører til en reduksjon i effektiviteten av transport av reagenser og fjerning av reaksjonsprodukter gjennom disse kanalene og, som en konsekvens, en reduksjon i strømtettheten til brenselcellecellen ved en gitt spenning.

Det er en kjent fremgangsmåte for fremstilling av bipolare plater, som inkluderer fremstilling av en blanding av en termoherdende harpiks av en viss sammensetning i et flyktig løsningsmiddel, blanding av karbonfyllstoffet med den tilberedte løsningen til den er homogen, tørking, pressing og termoherdende (US patentsøknad nr. US 2002/0037448 A1 datert 28.03.2002, MKI N 01 M 8/02; N 01 V 1/4; N 01 V 1/20).

Ulempen med denne kjente metoden er at termoherdning ikke utføres samtidig, men etter pressing av produktet. I tillegg sikrer lavtemperaturtørking av blandingen ikke fjerning av en stor mengde flyktige komponenter fra bindemidlet, noe som fører til ikke-pressing av mikrovolum i materialet til de bipolare platene, spesielt på steder med strømførende fremspring. som tjener til å sikre elektrisk kontakt og mekanisk trykk av strømkollektoren til det katalytiske laget, noe som fører til dannelsesdefekte steder ved bunnen av fremspringene og ødeleggelse av sistnevnte under påvirkning av arbeidsbelastningen under montering og drift av brenselcellen batteri.

Den nærmeste tekniske løsningen er bipolare plater og en metode for deres fremstilling, bestående av sentrale og perifere deler plassert motsatt i forhold til den sentrale delen. På den sentrale delen, på den ene eller begge sider, for å fordele strømmene av gassformige reagenser, er det langsgående parallelle spor, som danner strømførende fremspring med hverandre med topper plassert i planet til de perifere delene av platene, og forbinder dem . På de perifere delene av platene er det gjennomgående hull, som, etter å ha blitt satt sammen til en pakke med tilstøtende plater, danner langsgående kanaler for å forbedre sirkulasjonen og distribusjonen av elektrolyttstrømmer. Metoden for å produsere bipolare plater inkluderer blanding av pulveriserte karbon-grafittkomponenter og et korrosjonsbestandig termoplastisk bindemiddel, kaldpressing av pulverblandingen i en form ved 14500 kPa, oppvarming til 150°C, redusering av trykket ved 2000 kPa, heving av temperaturen til 205°C, noe som bringer trykket tilbake til 14500 kPa, med en siste fase med gradvis reduksjon i trykk og temperatur. Se beskrivelse av patent RU nr. 2187578 C2, MPK 7 C 25 V 9/04, 9/00.

Ulempene med de kjente bipolare plater er den jevne strømningsfordeling kun over et kort snitt, bestemt av lengden på midtdelen, og den begrensede plass for fordeling av gassformige reagensstrømmer, bestemt av antall langsgående parallelle spor. Ulempen med den kjente fremgangsmåten for å produsere bipolare plater er den komplekse produksjonsteknologien, som fører til en reduksjon i effektiviteten av å danne strømførende fremspring og ekstra kostnader.

Det tekniske resultatet av oppfinnelsen er å utvide funksjonaliteten, forbedre ytelsesegenskapene og egenskapene til bipolare plater og brenselcellen som helhet, oppnå bipolare plater med strømførende fremspring av vilkårlig form og plassering med en fremspringshøyde fra 0,3 til 2,0 mm, samt øke effektiviteten av reagenstransport og fjerning av reaksjonsprodukter, øke korrosjonsmotstanden langs periferien med den teknologiske belastningen, som danner en enkelt helhet med den sentrale elektrisk ledende delen som har en funksjonell belastning. Det tekniske resultatet oppnås ved at i en bipolar plate bestående av perifere deler med hull og en sentral del med strømførende fremspring, hvis topper er plassert i samme plan som de perifere delene, er de strømførende fremspringene. laget med et gitt geometrisk basisareal, med en redusert diameter ved bunnen på 0,5 -3,0 mm, høyde fra 0,3 til 2,0 mm og med en stigning mellom sentrene til strømførende fremspring 1,0-4,0 mm, laget med en base i form av en sirkel eller firkant, eller rektangel, eller ellipse, eller rombe, eller trapes, eller kombinasjoner av disse, er strømførende fremspring laget i form av en avkortet pyramide, eller sylinder, eller kjegle eller pyramide; de strømførende fremspringene er laget i form av et prisme med en redusert diameter i bunnen på 0,5-3,0 mm, en høyde fra 0,3 til 2,0 mm og med en stigning mellom sentrene til de strømførende fremspringene på 1,0-4,0 mm, hvor de strømførende fremspringene er plassert tilfeldig eller ordnet, eller i et sjakkbrett, eller rombisk, eller sirkulært, eller spiral eller labyrintisk rekkefølge av deres arrangement, og i en metode for å produsere bipolare plater, inkludert fremstilling av en blanding av en termoherdende harpiks av en gitt sammensetning i et flyktig løsningsmiddel, introduserer et karbonfyllstoff og bland dem til det er homogent, tørking, pressing og termoherdende, blandingen før pressing utsettes for tørking etterfulgt av gløding ved en temperatur 50-60°C lavere enn termoherdende temperatur på blandingen, og pressing utføres ved gjentatt belastning til et trykk på 15-20 MPa, samtidig som det varmes til blandingen stivner, gløding utføres med en gradvis økning i temperaturen i 10,0-15,0 timer og påfølgende holdes ved denne temperaturen i 1,0-2,0 timer, og pressingen utføres ved en temperatur på arbeidslegemet til presseenheten som er 1,5-2,0 ganger høyere enn utglødningstemperaturen, "t:l"-forholdet når det dannes en blanding av karbon pulvere med et løsemiddel av en termoherdende harpiks velges i området fra 1:3 til 1:5, 0,1-3,0% av et esemiddel tilsettes til sammensetningen av den opprinnelige blandingen for pressing.

Dette vil sikre jevn fordeling av reagenser over overflaten av brenselcellecellen og effektiv fjerning av reaksjonsprodukter og som en konsekvens øke strømtettheten på brenselcellecellen ved en gitt spenning.

I fremgangsmåten for å produsere bipolare plater, som inkluderer fremstilling av en blanding av en termoherdende harpiks av en viss sammensetning i et flyktig løsningsmiddel, innføring av et karbonfyllstoff og blanding av dem til homogene, tørking, pressing og termoherdende, blir blandingen utsatt for tørking før pressing etterfulgt av gløding ved en temperatur som er 50-60°C lavere enn blandingens herdetemperatur, og pressing utføres ved gjentatt belastning til et trykk på 15-20 MPa samtidig med oppvarming tilsvarende herdingen av blandingen. I dette tilfellet utføres gløding med en gradvis økning i temperaturen i 10,0-15,0 timer og påfølgende holding ved denne temperaturen i 1,0-2,0 timer, og pressingen utføres ved en temperatur på arbeidslegemet til presseenheten på 1,5- 2,0 ganger høyere enn glødetemperaturen. Forholdet "t:l" (faste og flytende faser) ved dannelse av en blanding av karbonpulver med et termoherdende harpiksløsningsmiddel (aceton) varierer i området fra 1:2 til 1:5, og 0,1-3 tilsettes sammensetningen av den opprinnelige blandingen for pressing 0 % (vekt) esemiddel.

Behovet for å bruke en termoherdende harpiks er forårsaket av det eksperimentelt etablerte faktum av mangelen på riktig komprimering av områdene med strømførende fremspring ved pressing av karbonholdig BP på et termoplastisk bindemiddel, som ble uttrykt i svak adhesjon av den strømførende fremspring til platens kropp og deres løsgjøring. Tilstedeværelsen av en termoherdende harpiks av en hvilken som helst sammensetning i blandingen for pressing gjør det i dette tilfellet mulig å danne defektfrie strømførende fremspring og BP som helhet i henhold til sintringsmekanismen med en væskefase som forsvinner kort tid etter at den har vist seg til tross for fortsatt oppvarming.

Sekvensen av hovedoperasjonene som skjer under bipolare plater er som følger: dannelse av et tynt lag av et polymert termoherdende bindemiddel på overflaten av karbonfyllstoffpartiklene under fremstillingen av blandingen, dens tørking og påfølgende gløding, komprimering av blandingen, utseende av en flytende fase på grunn av smelting av bindemiddellaget på partikkelfyllstoffet, ytterligere komprimering av produktet på grunn av krymping som er karakteristisk for væskefasesintring, termoherdning av bindemidlet og produktet som helhet.

Behovet for gløding før pressing skyldes tilstedeværelsen i agglomererte blandinger av et stort antall flyktige komponenter som forstyrrer effektiv pressing. En høyere glødetemperatur kan føre til uønskede prosesser med for tidlig herding av bindemidlet i individuelle mikrovolumer av blandingen, og gløding med lavere temperatur viser seg å være ineffektiv.

En viktig parameter er trykktrykket. For blandinger av karbondispergerte fyllstoffer og et termoherdende bindemiddel avhenger pressetrykket av den spesifikke typen fyllstoff og bør ikke overstige verdien som det flytende bindemidlet presses ut av blandingen over - 20 MPa. Lavt trykktrykk (mindre enn 15 MPa) gir ikke effektiv forsegling av BP, spesielt i området med strømførende fremspring.

Utførelse av pressing samtidig med oppvarming av formen med blandingen for herding gjør det mulig å implementere trinn 4 i ovennevnte sekvens av fenomener som oppstår under dannelsen av platene.

Utformingen av den bipolare platen er illustrert på tegningene, hvor Fig. 1 viser et generelt riss av den bipolare platen, og Fig. 2 er et tverrsnitt av platen langs A-A med strømførende fremspring laget i form av, for eksempel en sylinder, Fig. 3 er et tverrsnitt av platen langs A-A med strømførende fremspring laget i form av for eksempel en kjegle eller pyramide.

Den bipolare platen består av en sentral del 1 og en perifer del 2. Den sentrale delen har fremspring 3, hvis topper er i samme plan som den perifere delen, med en høyde på 0,3 til 2 mm og en diameter ved bunnen på 0,5-3,0 mm. Fremspringene er plassert i en lineær rekkefølge vertikalt og horisontalt med en stigning på 1,0-4,0 mm og tillater, med et større utviklet område og volum av passasje av gassformige reagensstrømmer, å fordele de resulterende spenningene (trykkene) i alle retninger. Et sjakkbrett, rombisk, sirkulært, spiral- eller labyrint-arrangement av fremspringene er mulig. Og selve fremspringene kan ha form av en sylinder, en avkortet pyramide, et prisme og/eller en avkortet kjegle. Det ble eksperimentelt fastslått at avhengig av de gitte diametrene til fremspringene, deres høyde og stigningen mellom sentrene til fremspringene, er den optimale formen til de strømførende fremspringene forskjellig, fordi de optimerer reagensstrømmer, varmeoverføringseffektivitet og elektrisk ledningsevne i forskjellige måter. Så spesielt for en stigning på 1 mm er den optimale formen en avkortet pyramide. For fremspring med en basediameter på 0,5 mm er den optimale formen en ellipse. For strømførende fremspring med en høyde på 0,3 mm er den optimale formen en sylinder. For spesifikke driftsmoduser (strømstyrke, spenning, reagensstrøm, cellestørrelse, etc.), utføres valget av den optimale formen på strømførende fremspring og deres geometriske dimensjoner individuelt.

Bipolare plater er laget som følger.

En kombinasjon av karbondispergerte komponenter blandes for å danne en homogen blanding med en spesifisert mengde herdeplastløsning. Karbondispergerte komponenter kan være grafitt, sot, hakket fiber, knust koks, etc. Med periodisk omrøring plasseres den tilberedte blandingen for tørking ved romtemperatur for å fjerne hovedmengden av flyktige komponenter. På denne måten er det mulig å oppnå et halvfabrikat i form av for eksempel granulat for den påfølgende produksjonsprosessen for BP. Deretter, etter visuell inspeksjon, glødes den tørre blandingen ved en temperatur som er 50-60°C lavere enn den termoherdende temperaturen. Deretter presses den glødede blandingen med et trykk på 15-20 MPa i en form, hvis stanser er laget med utsparinger som danner strømførende fremspring under pressing og herding. Samtidig med pressing varmes formen med blandingen opp fra glødetemperaturen til herdetemperaturen. Etter å ha holdt på herdetemperaturen i 0,5-1 time, fjernes formen fra pressen og avkjøles i luft, og deretter presses ved hjelp av en spesiell enhet.

En viktig egenskap til en bipolar plate er strukturen til overflaten. For å oppnå høyere egenskaper til brenselcellen, er det tilrådelig at overflaten som arbeidsgassene passerer mellom de strømførende fremspringene har en viss ruhet og mikroporøsitet. I dette tilfellet akkumuleres vannet som dannes som følge av reaksjonen mellom gasser delvis i porene nær overflaten og øker dermed luftfuktigheten til gassene, noe som har en positiv effekt på brenselcellens spesifikke energiegenskaper. Dannelsen av den ønskede strukturen til overflatelaget i henhold til den foreslåtte metoden, i motsetning til prototypen, skjer ved å innføre i sammensetningen av den opprinnelige blandingen for pressing 0,1-3,0% (masse) i forhold til den faste komponenten av blanding ("t") av et esemiddel (ammoniumkarbonat, polyetylenglykol, polyetylen). Blåsemidlet som innføres i den opprinnelige blandingen for vannutfelling påvirker ikke herdingen av bindemidlet og, som brytes ned under varmebehandling og pressing under herding, danner en mikroporøs struktur av platen, og derfor det nære overflatelaget (til en dybde på 1-2 μm).

Å redusere innholdet av poredannende middel til mindre enn 0,1 % har praktisk talt ingen effekt på mikroporøsiteten og ruheten til overflatelaget, og å øke innholdet av poredannende middel til over 3,0 % er upraktisk på grunn av en reduksjon i mekanisk styrke og mulig forekomst. av platenes gjennomtrengelighet.

Fremgangsmåten for å produsere en bipolar plate er illustrert med følgende eksempler.

Eksempel 1. For fremstilling av én strømforsyning (med sylindriske strømførende fremspring anordnet lineært, med en diameter på 0,5 mm, en høyde på 0,5 mm, med en avstand mellom sentrene til fremspringene på 1,0 mm) med en størrelse på 100 × 100 mm, en tykkelse på 7 mm og en vekt på 115 d tilbered en blanding av følgende sammensetning med forholdet "s:l" = 1,33:3,00

Grafittkvalitet KS-10 - 98 g

PM-100 kjønrøk - 1 g

Bakelitt lakk merke LBS-1 - 34 g

Aceton - 300 g.

Bland den angitte mengden bakelittlakk og for eksempel aceton i et målebeger til løsningen er jevn farget. En prøve av grafittpulver og sot forhåndsblandes tørt til en homogen blanding er oppnådd. Plasser deretter blandingen av pulver og Bakelitt-lakkløsningen i en blandebeholder og bland mekanisk i 5-10 minutter til den er homogen. La deretter blandingen stå under trekk av et avtrekksskap for å tørke ved romtemperatur i 12-15 timer til den er visuelt tørr, rør blandingen med jevne mellomrom etter hvert som den tørker og mal store (mer enn 2-3 mm) agglomerater gjennom et metallnett. med en maskevidde på 2 mm. En prøve av den tørre blandingen helles i en form, formen settes i ovnen og varmes opp til en temperatur på 90°C i 13,5-14 timer, etterfulgt av å holde denne temperaturen i 2 timer. Fjern deretter ladningen fra ovnen og sett den i hydraulisk presse oppvarmet til 170°C. De presset pressen i rykk (dette er lastehastigheten) i 1-2 sekunder til omtrent en kraft på 22 tonn Etter ca 5 sekunders hold økes kraften igjen til 22-25 tonn La ladningen stå under pressen i 1 time, hvoretter formen tas ut av pressen og avkjøles i romtemperatur. Etter avkjøling tømmes formen på en manuell skruepresse ved hjelp av 4 stålutkastere. Visuell kontroll av kvaliteten på strømforsyningen indikerer fravær av riper, defekter og sprekker på overflaten av platen (inkludert i området med strømførende fremspring), delaminering av strømforsyningsmaterialet ved grensen mellom området av strømførende fremspring og bunnen av strømforsyningen. Ved undersøkelse av platen etter en styrketest (platen legges mellom stålplater og utsettes for kompresjon med en kraft på 5 tonn (trykk 5 MPa), som tilsvarer arbeidskraften i brenselcellen i 1 time), ingen endringer eller mangler ble funnet. Volumresistivitetsverdien var 0,025 Ohm cm.

Eksempel 2. En bipolar plate er laget av en sammensetning og ved bruk av en metode som ligner på eksempel 1 med fremspring i form av en avkortet kjegle med en diameter på 3,0 mm i bunnen, 2,5 mm i toppen, 2,0 mm i høyden, med en avstand mellom midten av fremspringene 4,0 mm.

Før og etter styrketesting er det ikke funnet overflatedefekter eller fremspring. Volumresistivitetsverdien er 0,030 Ohm cm.

Eksempel 3. En bipolar plate er laget med en konfigurasjon og i henhold til en metode som ligner på eksempel 1, men epoksyfenolbindemiddel nr. 560 produsert av Federal State Unitary Enterprise State Scientific Center "VIAM" i mengden 31 g brukes som termoherdende binder.

Før og etter styrketesting er det ikke funnet overflatedefekter eller fremspring. Volumresistivitetsverdien er 0,017 Ohm cm.

Eksempel 4. En bipolar plate produseres med en konfigurasjon og i henhold til en metode som ligner på eksempel 1, tilsettes et esemiddel - høydensitetspolyetylenpulver i en mengde på 3,5 g (3,0 vekt%) - til startblandingen for pressing. Før og etter styrketesting er det ikke funnet overflatedefekter eller fremspring. Volumresistivitetsverdien er 0,028 Ohm cm. Porøsiteten til det overflatenære laget (opp til 100 µm dypt), målt ved vannsorpsjon, er 2,8 %.

Eksempel 5. En bipolar plate lages med en konfigurasjon som ligner på eksempel 1, fra sammensetningen og i henhold til metoden beskrevet i eksempel 9.

Før styrkeprøver ble det funnet opptil 10 % av ødelagte og defekte fremspring, hvoretter antall ødelagte fremspring var ca. 30 %. Volumresistivitetsverdien er 0,025 Ohm cm.

Eksempel 6. En bipolar plate er laget med en konfigurasjon og ved bruk av en metode som ligner på eksempel 1 (strømførende fremspring er anordnet lineært) og testes i en brenselcelle under følgende forhold:

Membran - MF4-SK 135 mikron tykk

Katalysator - Pt 40 /C i en mengde på 2,5 mg/cm 2

Drivstoff - hydrogen ved et trykk på 2 ati

Oksyderingsmiddel - oksygen ved et trykk på 3 ati

Cellens driftstemperatur - 85°C

Reaksjon ved anoden: H 2 →2H + +2е -

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

Total reaksjon: O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O

Ved en spenning på 0,7 V er maksimal strømtetthet 1,1 A/cm 2 .

Eksempel 7. En bipolar plate er laget med en konfigurasjon og metode som ligner på eksempel 1, men de strømførende fremspringene er ordnet rombisk og testet i en brenselcelle under forhold som ligner på eksempel 6. Ved en spenning på 0,7 V er maks. strømtettheten er 1,25 A/cm 2 .

Eksempel 8. En bipolar plate er laget av en sammensetning og i henhold til en metode som ligner på eksempel 1, er fremspringene laget i form av et prisme med en diameter på 2 mm, en høyde på 1,5 mm, med en avstand mellom sentrene av fremspringene på 3,0 mm, og de strømførende fremspringene er ordnet rombisk og tester utføres i en cellebrenselcelle under forhold tilsvarende eksempel 6. Ved en spenning på 0,7 V var maksimal strømtetthet 0,95 A/cm 2 .

Eksempel 9. En bipolar plate lages med en konfigurasjon lik en kjent teknisk løsning, fra en sammensetning og i henhold til metoden beskrevet i eksempel 9, utføres tester i en brenselcelle under forhold tilsvarende eksempel 6. Ved en spenning på 0,7 V, var den maksimale strømtettheten 0,9 A/cm 2. Det er eksperimentelt fastslått at, avhengig av de gitte diametrene til fremspringene, deres høyde og stigningen mellom sentrene til fremspringene, er den optimale formen til de strømførende fremspringene forskjellig, fordi de optimerer reagensstrømmer, varmeoverføringseffektivitet og elektrisk ledningsevne på forskjellige måter. Så spesielt for en stigning på 1 mm er den optimale formen en avkortet pyramide. For fremspring med en basediameter på 0,5 mm er den optimale formen en ellipse. For strømførende fremspring med en høyde på 0,3 mm er den optimale formen en sylinder. For spesifikke driftsmoduser (strømstyrke, spenning, reagensstrøm, cellestørrelse, etc.), utføres valget av den optimale formen på strømførende fremspring og deres geometriske dimensjoner individuelt.

Oppfinnelsen gjør det mulig å utvide funksjonaliteten, forbedre de operasjonelle egenskapene og egenskapene til bipolare plater og brenselcellen som helhet og oppnå bipolare plater med strømførende fremspring av vilkårlig form og plassering med en fremspringshøyde fra 0,3 til 2,0 mm, samt øke effektiviteten til reagenstransport og fjerningsreaksjonsprodukter, øke korrosjonsmotstanden langs periferien med den teknologiske belastningen, som danner en enkelt helhet med den sentrale elektrisk ledende delen som har en funksjonell belastning.

1. En bipolar plate for en brenselcelle, bestående av perifere deler med hull og en sentral del med strømførende fremspring, hvis topper er plassert i samme plan som de perifere delene, karakterisert ved at de strømførende fremspringene er laget med et gitt basisareal med redusert diameter i bunnen på 0,5 -3,0 mm, høyde fra 0,3 til 2,0 mm og med en stigning mellom sentrene til strømførende fremspring 1,0-4,0 mm.

2. Bipolar plate ifølge krav 1, karakterisert ved at de strømførende fremspringene er laget med en base i form av en sirkel, eller en firkant, eller et rektangel, eller en ellipse, eller en rombe, eller en trapes, eller kombinasjoner derav.

USA har flere initiativer rettet mot å utvikle hydrogenbrenselceller, infrastruktur og teknologi for å gjøre brenselcellekjøretøyer praktiske og drivstoffeffektive innen 2020. Mer enn én milliard dollar er bevilget til disse formålene.

Brenselceller genererer strøm stille og effektivt, uten å forurense miljøet. I motsetning til energikilder som bruker fossilt brensel, er biprodukter av brenselceller varme og vann. Hvordan det fungerer?

I denne artikkelen vil vi kort se på hver av de eksisterende drivstoffteknologiene i dag, samt snakke om design og drift av brenselceller, og sammenligne dem med andre former for energiproduksjon. Vi vil også diskutere noen av hindringene forskerne møter for å gjøre brenselceller praktiske og rimelige for forbrukere.

Brenselceller er elektrokjemiske energikonverteringsenheter. En brenselcelle omdanner kjemikalier, hydrogen og oksygen, til vann, og genererer elektrisitet i prosessen.

En annen elektrokjemisk enhet som vi alle er godt kjent med er batteriet. Batteriet har alle nødvendige kjemiske elementer i seg selv og omdanner disse stoffene til elektrisitet. Dette betyr at batteriet til slutt dør og du enten kaster det eller lader det på nytt.

I en brenselcelle mates kjemikalier kontinuerlig inn i den slik at den aldri "dør". Elektrisitet vil bli generert så lenge kjemikalier kommer inn i elementet. De fleste brenselceller som er i bruk i dag, bruker hydrogen og oksygen.

Hydrogen er det mest tallrike grunnstoffet i vår galakse. Imidlertid eksisterer hydrogen praktisk talt ikke på jorden i sin elementære form. Ingeniører og forskere må utvinne rent hydrogen fra hydrogenforbindelser, inkludert fossilt brensel eller vann. For å utvinne hydrogen fra disse forbindelsene, må du bruke energi i form av varme eller elektrisitet.

Oppfinnelse av brenselceller

Sir William Grove oppfant den første brenselcellen i 1839. Grove visste at vann kunne deles til hydrogen og oksygen ved å føre en elektrisk strøm gjennom det (en prosess kalt elektrolyse). Han foreslo at det i omvendt rekkefølge ville være mulig å få strøm og vann. Han skapte en primitiv brenselcelle og kalte den gass ​​galvanisk batteri. Etter å ha eksperimentert med sin nye oppfinnelse, beviste Grove sin hypotese. Femti år senere laget forskerne Ludwig Mond og Charles Langer begrepet brenselsceller når man prøver å bygge en praktisk modell for å generere elektrisitet.

Brenselcellen vil konkurrere med mange andre energikonverteringsenheter, inkludert gassturbiner i urbane kraftverk, forbrenningsmotorer i biler og alle typer batterier. Forbrenningsmotorer, som gassturbiner, brenner forskjellige typer drivstoff og bruker trykket som skapes av utvidelsen av gasser til å utføre mekanisk arbeid. Batterier konverterer kjemisk energi til elektrisk energi ved behov. Brenselceller må utføre disse oppgavene mer effektivt.

Brenselcellen gir DC (likestrøm) spenning som kan brukes til å drive elektriske motorer, lys og andre elektriske apparater.

Det finnes flere forskjellige typer brenselceller, som hver bruker forskjellige kjemiske prosesser. Brenselceller er vanligvis klassifisert i henhold til deres Driftstemperatur Og typeelektrolytt, som de bruker. Noen typer brenselceller er godt egnet for bruk i stasjonære kraftverk. Andre kan være nyttige for små bærbare enheter eller for å drive biler. Hovedtypene brenselceller inkluderer:

Polymer exchange membran brenselcelle (PEMFC)

PEMFC anses som den mest sannsynlige kandidaten for transportapplikasjoner. PEMFC har både høy effekt og relativt lav driftstemperatur (fra 60 til 80 grader Celsius). Lave driftstemperaturer betyr at brenselceller raskt kan varmes opp for å begynne å generere strøm.

Solid oxide brenselcelle (SOFC)

Disse brenselcellene er best egnet for store stasjonære kraftgeneratorer som kan drive fabrikker eller byer. Denne typen brenselceller opererer ved svært høye temperaturer (700 til 1000 grader Celsius). Høy temperatur utgjør et pålitelighetsproblem fordi noen brenselceller kan svikte etter noen av-på-sykluser. Fast oksid brenselceller er imidlertid meget stabile under kontinuerlig drift. Faktisk har SOFC-er vist den lengste levetiden til en brenselcelle under visse forhold. Den høye temperaturen har også den fordelen at dampen som produseres av brenselcellene kan sendes til turbiner og generere mer strøm. Denne prosessen kalles kraftvarmeproduksjon av varme og elektrisitet og forbedrer den generelle systemeffektiviteten.

Alkalisk brenselcelle (AFC)

Det er en av de eldste designene for brenselceller, etter å ha vært i bruk siden 1960-tallet. AFC-er er svært utsatt for forurensning da de krever rent hydrogen og oksygen. I tillegg er de veldig dyre, så denne typen brenselceller vil neppe bli satt i masseproduksjon.

Smeltet-karbonat brenselcelle (MCFC)

I likhet med SOFC-er er disse brenselcellene også best egnet for store stasjonære kraftverk og generatorer. De opererer ved 600 grader Celsius slik at de kan generere damp, som igjen kan brukes til å generere enda mer energi. De har lavere driftstemperatur enn fastoksid brenselceller, noe som betyr at de ikke krever slike varmebestandige materialer. Dette gjør dem litt billigere.

Fosforsyre brenselcelle (PAFC)

Fosforsyre brenselcelle har potensial for bruk i små stasjonære kraftsystemer. Den opererer ved en høyere temperatur enn en brenselcelle med polymerutvekslingsmembran, så det tar lengre tid å varme opp, noe som gjør den uegnet for bruk i biler.

Direkte metanol brenselcelle (DMFC)

Metanol brenselceller er sammenlignbare med PEMFC når det gjelder driftstemperatur, men er ikke like effektive. I tillegg krever DMFC-er ganske store mengder platina som katalysator, noe som gjør disse brenselcellene dyre.

Brenselcelle med polymer utvekslingsmembran

Polymer exchange membrane brenselcelle (PEMFC) er en av de mest lovende brenselcelleteknologiene. PEMFC bruker en av de enkleste reaksjonene til enhver brenselcelle. La oss se på hva den består av.

1. EN node – negativ terminal på brenselcellen. Den leder elektroner som frigjøres fra hydrogenmolekyler, hvoretter de kan brukes i en ekstern krets. Den har graverte kanaler gjennom hvilke hydrogengass fordeles jevnt over overflaten av katalysatoren.

2.TIL athode - positiv terminal på brenselcellen, har også kanaler for fordeling av oksygen over overflaten av katalysatoren. Den leder også elektroner tilbake fra katalysatorens ytre krets, hvor de kan kombineres med hydrogen- og oksygenioner for å danne vann.

3.Elektrolytt-proton utvekslingsmembran. Dette er et spesialbehandlet materiale som leder kun positivt ladede ioner og blokkerer elektroner. Med PEMFC må membranen være hydrert for å fungere ordentlig og forbli stabil.

4. Katalysator er et spesielt materiale som fremmer reaksjonen av oksygen og hydrogen. Den er vanligvis laget av platinananopartikler som påføres veldig tynt på karbonpapir eller stoff. Katalysatoren har en overflatestruktur slik at maksimalt overflateareal av platina kan utsettes for hydrogen eller oksygen.

Figuren viser hydrogengass (H2) som kommer inn i brenselcellen under trykk fra anodesiden. Når et H2-molekyl kommer i kontakt med platina på katalysatoren, splittes det i to H+-ioner og to elektroner. Elektronene passerer gjennom anoden, hvor de brukes i eksterne kretser (gjør nyttig arbeid, for eksempel å snu en motor), og går tilbake til katodesiden av brenselcellen.

I mellomtiden, på katodesiden av brenselcellen, passerer oksygen (O2) fra luften gjennom katalysatoren hvor den danner to oksygenatomer. Hvert av disse atomene har en sterk negativ ladning. Denne negative ladningen tiltrekker seg to H+ ioner over membranen, hvor de kombineres med et oksygenatom og to elektroner som kommer fra den eksterne kretsen for å danne et vannmolekyl (H2O).

Denne reaksjonen i en enkelt brenselcelle produserer bare ca. 0,7 volt. For å heve spenningen til et rimelig nivå, må mange individuelle brenselceller kombineres for å danne en brenselcellestabel. Bipolare plater brukes til å koble en brenselcelle til en annen og gjennomgår oksidasjon for å redusere potensialet. Det store problemet med bipolare plater er deres stabilitet. Bipolare metallplater kan korroderes, og biprodukter (jern- og kromioner) reduserer effektiviteten til brenselcellemembranene og elektrodene. Derfor bruker lavtemperatur brenselceller lettmetaller, grafitt og kompositter av karbon og herdeplast (en herdeplast er en slags plast som forblir solid selv når de utsettes for høye temperaturer) i form av bipolart arkmateriale.

Brenselcelleeffektivitet

Å redusere forurensning er et av hovedmålene til en brenselcelle. Ved å sammenligne en bil drevet av en brenselcelle med en bil drevet av en bensinmotor og en bil drevet av et batteri, kan du se hvordan brenselceller kan forbedre effektiviteten til biler.

Siden alle tre typer biler har mange av de samme komponentene, vil vi ignorere denne delen av bilen og sammenligne de nyttige handlingene frem til det punktet hvor mekanisk energi produseres. La oss starte med brenselcellebilen.

Hvis brenselcellen drives av rent hydrogen, kan effektiviteten være opptil 80 prosent. Dermed omdanner den 80 prosent av energiinnholdet i hydrogen til elektrisitet. Imidlertid må vi fortsatt konvertere elektrisk energi til mekanisk arbeid. Dette oppnås ved hjelp av en elektrisk motor og en inverter. Virkningsgraden til motor + omformer er også omtrent 80 prosent. Dette gir en total effektivitet på ca. 80*80/100=64 prosent. Hondas FCX konseptbil har angivelig 60 prosent energieffektivitet.

Hvis drivstoffkilden ikke er i form av rent hydrogen, vil kjøretøyet også trenge en reformator. Reformatorer omdanner hydrokarbon- eller alkoholdrivstoff til hydrogen. De genererer varme og produserer CO og CO2 i tillegg til hydrogen. De bruker forskjellige enheter for å rense det resulterende hydrogenet, men denne rensingen er utilstrekkelig og reduserer effektiviteten til brenselcellen. Så forskerne bestemte seg for å fokusere på brenselceller for kjøretøy drevet av rent hydrogen, til tross for utfordringene knyttet til produksjon og lagring av hydrogen.

Effektiviteten til en bensinmotor og en batterielektrisk bil

Effektiviteten til en bil drevet av bensin er overraskende lav. All varme som tømmes eller absorberes av radiatoren er bortkastet energi. Motoren bruker også mye strøm på å drive de ulike pumpene, viftene og generatorene som holder den i gang. Dermed er den totale effektiviteten til en bensinbilmotor omtrent 20 prosent. Dermed blir bare rundt 20 prosent av bensinens termiske energiinnhold omdannet til mekanisk arbeid.

Et batteridrevet elektrisk kjøretøy har ganske høy effektivitet. Batteriet er omtrent 90 prosent effektivt (de fleste batterier genererer noe varme eller krever oppvarming), og motoren + omformeren er omtrent 80 prosent effektiv. Dette gir en samlet effektivitet på cirka 72 prosent.

Men det er ikke alt. For at en elbil skal bevege seg, må det først genereres strøm et sted. Hvis det var et kraftverk som brukte en forbrenningsprosess for fossilt brensel (snarere enn kjernekraft, vannkraft, sol- eller vindkraft), så ble bare omtrent 40 prosent av drivstoffet som forbrukes av kraftverket omdannet til elektrisitet. I tillegg krever prosessen med å lade en bil å konvertere vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC). Denne prosessen har en effektivitet på omtrent 90 prosent.

Nå, hvis vi ser på hele syklusen, er effektiviteten til et elektrisk kjøretøy 72 prosent for selve kjøretøyet, 40 prosent for kraftverket og 90 prosent for lading av kjøretøyet. Dette gir en samlet effektivitet på 26 prosent. Samlet effektivitet varierer betydelig avhengig av hvilket kraftverk som brukes til å lade batteriet. Hvis bilens elektrisitet er generert av for eksempel et vannkraftverk, vil elbilens virkningsgrad være cirka 65 prosent.

Forskere forsker på og forbedrer design for å fortsette å forbedre effektiviteten til brenselcellen. En ny tilnærming ville være å kombinere brenselcelle- og batteridrevne kjøretøy. Et konseptkjøretøy drevet av en hybrid drivlinje drevet av en brenselcelle er under utvikling. Den bruker et litiumbatteri for å drive bilen mens brenselcellen lader batteriet.

Brenselcellekjøretøyer er potensielt like effektive som en batteridrevet bil som lades fra et kraftverk som ikke bruker fossilt brensel. Men å nå dette potensialet på en praktisk og tilgjengelig måte kan være vanskelig.

Hvorfor bruke brenselceller?

Hovedårsaken er alt relatert til olje. Amerika må importere nesten 60 prosent av oljen. Innen 2025 forventes importen å stige til 68 %. Amerikanerne bruker to tredjedeler av oljen daglig til transport. Selv om hver bil på gaten var en hybridbil, ville USA innen 2025 fortsatt trenge å bruke samme mengde olje som amerikanerne konsumerte i 2000. Faktisk forbruker Amerika en fjerdedel av all verdens olje, selv om bare 4,6 % av verdens befolkning bor her.

Eksperter forventer at oljeprisene vil fortsette å stige i løpet av de neste tiårene ettersom billigere kilder minker. Oljeselskapene må bygge ut oljefelt under stadig vanskeligere forhold, noe som vil øke oljeprisen.

Bekymringer strekker seg langt utover økonomisk sikkerhet. Mye penger fra salg av olje brukes på å støtte internasjonal terrorisme, radikale politiske partier og den ustabile situasjonen i oljeproduserende regioner.

Bruk av olje og andre fossile brensler til energi gir forurensning. Det er best for alle å finne et alternativ til å brenne fossilt brensel for energi.

Brenselceller er et attraktivt alternativ til oljeavhengighet. I stedet for å forurense, produserer brenselceller rent vann som et biprodukt. Mens ingeniører midlertidig har fokusert på å produsere hydrogen fra ulike fossile kilder som bensin eller naturgass, utforskes fornybare, miljøvennlige måter å produsere hydrogen på i fremtiden. Den mest lovende vil naturligvis være prosessen med å produsere hydrogen fra vann

Oljeavhengighet og global oppvarming er et internasjonalt problem. Flere land er i fellesskap involvert i å fremme forskning og utvikling for brenselcelleteknologi.

Det er klart at forskere og produsenter har mye arbeid å gjøre før brenselceller blir et alternativ til moderne metoder for energiproduksjon. Likevel, med verdensomspennende støtte og globalt samarbeid, kan et levedyktig brenselcellekraftsystem bli en realitet innen bare et par tiår.