Гальванический элемент для химического источника тока

Гальванический элемент для химического источника тока

Реферат

 

Изобретение относится к топливным элементам или батареям. Согласно изобретению мембранный химический источник тока, в частности топливный элемент улучшенного типа, содержит большое число гальванических элементов, каждый из которых состоит из двухполюсных пластин, коллекторов тока, электродов и мембран, в котором функции передачи электрического тока через гальванические элементы, выделения тепла в наружную окружающую среду, распределения электрического тока к электродам и мембранам, отвода тепла от электродов и мембран и распределения реагентов и продуктов осуществляются определенными компонентами, в частности двухполюсными пластинами для первых двух и пористыми электропроводными коллекторами для других. Двухполюсные пластины могут иметь плоские поверхности без канавок и предпочтительно изготавливаются из алюминия, титана или их сплавов с помощью дешевой технологии массового производства, при этом двухполюсные пластины используются вместе с коллекторами, обладающими деформируемостью, остаточной упругостью и высокой пористостью. Эти коллекторы успешно действуют также в качестве распределителей газообразных реагентов и продуктов. Техническим результатом изобретения является улучшение тепло- и токосъема с электродов гальванического элемента. 31 з.п. ф-лы, 6 ил. 1 табл.

Топливные элементы или батареи, снабжаемые реагентами, содержащими водород и кислород в анодной /отрицательная полярность/ и катодной /положительная полярность/ камерах соответственно, являются устройствами, отличающимися тем, что они вырабатывают электрический ток с эффективностью преобразования энергии, относящейся к теплотворной способности топлива, удвоенной или даже утроенной по сравнению с той, что типична для двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, некоторые топливные батареи или элементы могут работать при относительно низких температурах, например порядка 50 - 200^oC, что делает их особенно пригодными для периодической работы, например, обычно типичной для выработки на месте небольшой электрической энергии /например, что требуется в механических мастерских/, а также для выработки энергии на борту транспортных средств. Такие применения являются также предпочтительными из-за свойства топливных батарей, являющихся абсолютно бесшумными, за исключением небольшого шума, связанного с работой вспомогательных устройств, как то вентиляторов и насосов для охлаждающего контура. Среди различных низкотемпературных топливных элементов особенно привлекательными для вышеупомянутых целей является тип, базирующийся на использовании ионнообменных мембран, в частности перфторированных сульфоновых мембран. Использование ионнообменных мембран, заменяющих обычные жидкие электролиты, позволяет создавать очень простые топливные элементы в виду отсутствия систем циркуляции и подпитки, которые необходимы при жидких электролитах, а также отсутствия проблем коррозии, обусловленных самими электролитами. Отсутствие электролита сказывается на возможности широкого выбора материалов, более легких и экономичных. Использование ионнообменных мембран, которые должны фактически рассматриваться как твердые электролиты, ставит проблему природы поверхности раздела с пористыми электродами, снабжаемыми водородом и кислородом. В случае с жидким электролитом, вследствие действия капиллярных сил, он проникает в поры пористых электродов, формируя там мениск, в котором происходит тройной контакт между жидкостью, газом и катализатором, как это требуется для высокоскоростного расходования водорода и кислорода соответственно.

В случае с ионнообменными мембранами контакт между самими мембранами и пористыми электродами неизбежно подвержен такому факту, что два компонента являются твердыми веществами, а поэтому образующаяся площадь тройного контакта ограничена площадями реальных физических контактов. Поэтому явление капиллярности, имеющее место в случае с жидкими электролитами, здесь невозможно. В результате этого, скорость расхода водорода и кислорода является довольно небольшой. Эта проблема решается за счет использования теплового прессования пористых электродов, изготовленных из электрокаталитических частиц, на мембраны, как описано в патенте США N 3134697. Дополнительные улучшения были получены за счет добавления электропроводящих частиц, полимерных связующих веществ и, в частности, материалов, способных улучшить миграцию протонов, как описано в патенте США N 4876115.

Однако, несмотря на эти улучшения и осуществления, ионнообменные мембранные топливные элементы тем не менее не достигли промышленного успеха. Одна из причин такого затруднения заключается в том, что конструкции мембранных топливных элементов, известных в данной области, не дали до сих пор удовлетворительного ответа на проблемы безопасности и стоимости изготовления в сочетании с типами материалов, используемых для конструкции, а также на нужды массового производства и простоту сборки. Такая ситуация обусловлена тем, что конструкция мембранного топливного элемента должна решать объективно сложную техническую проблему, т.е. обеспечение анодов, одновременно с однородным распределением электрического тока и реагентов, полным контактом с мембранами и эффективным отводом тепла, образующимся из-за неэффективности системы /перенапряжения, омического падения напряжения/. Конструкция известного топливного элемента обычно основывается на том, что электроды должны образовывать единую конструкцию с мембраной, полученной, как отмечалось выше, тепловым прессованием различных компонентов. Такая единая конструкция изнутри гарантирует лучший непрерывный контакт между мембраной и электродами. На этой основе была создана конструкция двухполюсной пластины для осуществления других задач по распределению газа и электрического тока и отводу тепла. Наилучшая предпочтительная геометрия в результате дает двухполюсную пластину, снабженную канавками, при этом канавки одной стороны располагаются под углом 90^o относительно канавок другой стороны, как описано в патенте США N 4175165. В частности, катодная /положительная/ камера, где образуется вода и по всей вероятности встречается наличие жидкого конденсата, отличается наличием канавок, удерживаемых в вертикальном направлении для обеспечения наилучшего дренажа. В топливной батарее, составленной из большого числа гальванических элементов, каждый из последних содержит единую конструкцию электроды-мембрана, прочно зажатую между двумя сторонами двух соседних двухполюсных пластин. В частности, поскольку канавки пересекаются под 90^o, то участками со значительным контактным давлением являются те участки, на которых канавки оказываются наложенными друг на друга, и, в частности, они образуют матрицу, состоящую из квадратов со стороной, равной ширине гребня канавки, и шагом, равным ширине "впадин" канавок. В результате распределение тока и отвод тепла, безусловно локализованного на участках большего контактного давления, могут быть сделаны достаточно однородными только за счет использования очень тонких канавок и увеличения насколько это возможно поперечной электрической и тепловой проводимостей электродов. Поэтому стоимость изготовления двухполюсных пластин является довольно высокой при рассмотрении необходимости довольно точной механической обработки поверхностей для получения канавок и гарантирования необходимой плоскостности, требующейся для по существу жесткой системы, в которой единственным элементом, по крайней мере частично снабженным упругостью, является конструкция электроды/мембраны. Тип требуемой обработки едва совместим с массовым производством, поскольку жестко ограничивает размеры двухполюсных пластин величинами, способными обеспечить производство электросиловых систем небольшого размера, как, например, которые необходимы для электрического транспортного средства, но безусловно слишком маленькие для других важных применений, которые предполагают стационарную выработку электроэнергии на месте, например, что требуется для локальных электрических генераторов механических мастерских. Необходимость ограничивать стоимость из-за обработки подтолкнула выбор в сторону материалов, способных формоваться и экструдироваться, в частности смесей из графита и полимерных связующих веществ, как описано в вышеупомянутом патенте США N 4175165.

Поскольку двухполюсные пластины должны обладать достаточной электро- и теплопроводностью, то содержание полимерного связующего вещества, смешанного с графитом, должно поддерживаться минимальным, но которое должно гарантировать необходимую формуемость. В результате этого прочность двухполюсной пластины оказывается не слишком высокой, безусловно не сравнимой с той, что присуща металлическим материалам. Кроме того, проницаемость для газов, даже если и минимальная, не может быть исключена. Поэтому очевидные возражения по поводу присущей безопасности топливных элементов, оборудованных графитовыми двухполюсными пластинами, возникают в отношении стойкости к механическим ударам и возможного высвобождения водорода, в частности, при работе под давлением. С другой стороны, металлы, которые обычно рассматриваются, т.е. титан, ниобий, тантал /известные как клапанные металлы, способные образовывать со временем защитный окисел, являющийся электроизолирующим/, нержавеющие стали и сверхлегированные сплавы, например различные типы сплавов хастеллой-R отличаются высокой стоимостью, большими удельными плотностями и ограниченной тепло- и электропроводностью. Кроме того, по крайней мере, клапанные металлы должны иметь электропроводное покрытие, способное поддерживать низкое удельное электрическое сопротивление, и это требование дополнительно повышает и без того высокую стоимость. Возможно также, что конструкция, предусматривающая канавки, может приводить к аномальной работе, когда распределение газа происходит только в продольном направлении вдоль канавок без какого-либо существенного смешивания в поперечном направлении.

Что касается электродов, то необходимость в высокой электрической и тепловой поперечной проводимости снижает выбор до нескольких типов, а использование единых конструкций электроды/мембрана влечет за собой дополнительную производственную операцию по тепловому прессованию. Эта операция является вдвойне дорогой с точки зрения рабочей силы и необходимого оборудования, как, например, мощных прессов, с регулируемой температурой пластин и очень жесткими требованиями к плоскостности.

Конструктивная модификация, описанная в патенте США N 4224121, содержит дополнение из одной или более металлических сеток, расположенных между снабженной канавками двухполюсной пластиной и единой конструкцией электроды/мембрана. Эта конструкция может улучшить распределение электрического тока, если, по крайней мере, сетка находится в контакте с поверхностью электродов и имеет мелкий размер ячеек, даже если это не достигает конечной цели - полной однородности в распределении на микромасштабном уровне. Действительно, привилегированными участками являются те, которые подвержены воздействию более высокого контактного давления, соответствующие пересечениям канавок. Кроме того, добавление пакета, содержащего определенное число сеток, обеспечивает систему с некоторой упругостью, и в результате этого плоскостность двухполюсной пластины становится не таким жестким требованием.

Конструкция двухполюсной пластины, позволяющая избежать усложнения механической обработки, требующейся для канавок, предусматривает использование волнистых листов, необязательно перфорированных, применяемых для электрического контакта между поверхностями электродов и плоских двухполюсных пластин, как описано в DE 4120359. Волнистые листы могут привариваться к двухполюсным пластинам или к поверхности электродов или к обоим. В простом и более дешевом варианте волнистые листы могут просто сжиматься между двухполюсными пластинами и едиными конструкциями электроды/мембраны. В этом последнем случае два листа на сторонах каждой одной конструкции электроды/мембрана должны обязательно располагаться, пересекая соответствующие волнистости или неровности, и участки со значительным контактным давлением являются те, где неровности неложились друг на друга. Устройства, включающие вышеупомянутые волнистые листы, подвержены по существу тем же недостаткам, что обсуждались для канавок, рассматривая распределение тока и газа, и более серьезным недостаткам, что касается отвода тепла, рассматривая уменьшенную толщину листов, необходимую для гарантирования определенной упругости. Очевидно также, что использование волнистых или неровных листов требует, чтобы электроды и мембрана образовывали единую конструкцию, которая может быть получена, как отмечалось выше, тепловым прессованием.

Другое известное конструктивное решение предусматривает использование пористых листов из спеченного металла, предназначенных для выполнения одновременно функции распределителей газа и тока. В этом случае топливный элемент должен быть сформирован единой конструкцией электроды/мембрана, зажатой между двумя листами из спеченного металла, которые в свою очередь сжаты между двумя плоскими двухполюсными пластинами, как описано в DE 4027655 C1.

В альтернативном варианте единая конструкция образована мембраной и только одним электродом, при этом второй электрод нанесен в виде электрокаталитического покрытия на поверхность листа спеченного металла. Гальванический элемент образован поэтому единой конструкцией электрод/мембрана, первым листом из спеченного металла в контакте с электродом и вторым листом из спеченого металла, имеющим электрокаталитическое покрытие, нанесенное на одну его сторону, в контакте с поверхностью мембраны без электрода, и весь этот пакет вставлен между двумя двухполюсными пластинами.

Так как листы из спеченного металла являются в основном жесткими, то неизбежная потеря плоскостности двухполюсными пластинами может компенсироваться только за счет деформации мембраны, являющейся самым слабым элементом с точки зрения механической стойкости. Следовательно, получаемая мембрана сильно напряжена и в ней могут образоваться дефекты, в частности наличие местных геометрических неровностей, например выступающих вершин листа из спеченого металла и внутренних пор самой мембраны. Такое отрицательное поведение может быть устранено только очень аккуратным механическим расплющиванием или правкой поверхностей двухполюсных пластин. Кроме того, коэффициент пустотности листов спеченного металла обычно низкий, а поэтому поток газа через листы влечет за собой высокие падения давления. В результате листы из спеченого металла могут использоваться в качестве распределителей тока, чтобы заменить сетки по патенту США N 4224121, но не в качестве распределителей газа. Поэтому по-прежнему необходимо использовать двухполюсные пластины, снабженные канавками со всеми вышеупомянутыми проблемами, связанными с механической обработкой и соответствующей стоимостью.

Описанные выше проблемы касаются также других типов гальванических элементов, снабженных электродами, питаемыми водородом и кислородом, аналогичными тем, что используются для топливных элементов. Типичными примерами являются гальванические элементы для концентрации водорода или кислорода или для электролиза соляных растворов электродами с газовой деполяризацией.

Главной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного гальванического элемента, как, например, топливного элемента, способного устранить проблемы и недостатки известных конструкций. В частности, функции передачи электрического тока через гальванический элемент, выделение тепла во внешнюю окружающую среду, распределение электрического тока к электродам и мембранам, отвод тепла от электродов и мембран и распределение реагентов и продуктов осуществляются определенными компонентами, в частности двухполюсными пластинами для первых двух и пористыми электропроводными коллекторами для остальных. Ввиду такого разделения функций двухполюсные пластины могут иметь плоские поверхности без канавок. Поэтому гальванический элемент настоящего изобретения содержит двухполюсные пластины, предпочтительно изготовленные из алюминия, титана или их сплавов, полученные с помощью дешевых технологий массового производства, например резкой из коммерческих листов или отливкой в соответствующие формы. В частности, двухполюсные пластины не требуют механической правки поверхности или покрытия электропроводной защитной пленкой. Двухполюсные пластины настоящего изобретения используются в сочетании с коллекторами, обладающими деформируемостью и остаточной упругостью и способными прикладывать большое давление на участках контакта как с электродами, так и с двухполюсными пластинами. Коллекторы настоящего изобретения отличаются также высокой пористостью, а поэтому успешно действуют как распределители для реагентов и продуктов. При их высоких электрической и тепловой проводимостях коллекторы способны отводить тепло от мембран и электродов и эффективно передавать его двухполюсным пластинам, снабженным средством для его удаления. Эти и другие характеристики настоящего изобретения будут лучше показаны в последующем подробном описании и соответствующих примерах, которые не должны рассматриваться в качестве ограничений.

Настоящее изобретение, в частности, пригодно для создания улучшенных гальванических элементов для мембранных химических источников тока, а именно для низкотемпературных топливных элементов и еще точнее для ионнообменных мембранных топливных элементов. Эти элементы настоящего изобретения снабжаются реагентами, которыми могут быть газы, содержащие водород и кислород, соответственно в анодную камеру /отрицательная полярность/ и катодную камеру /положительная полярность/ каждого гальванического элемента, и продуктами, которыми являются как газы, так и жидкости, например вода. Как будет очевидно для специалиста в данной области, настоящее изобретение может быть полезно для областей, отличных от топливных элементов, в частности для электролиза воды, выполняемого прямо на чистой воде без электролитов, также как пар для электрохимической концентрации водорода и кислорода из газообразных реагентов, содержащих их даже в меньшем процентном отношении, для получения перекиси кислорода за счет уменьшения кислорода и для электролиза различных растворов с газовой деполяризацией анодов или катодов, когда эти процессы происходят в элементах, содержащих гальванические элементы, имеющие конструкцию, аналогичную гальваническому элементу настоящего изобретения.

Для лучшего понимания настоящего изобретения его описание сопровождается ссылками на прилагаемые чертежи, на которые одинаковые детали имеют одинаковые цифровые обозначения. А именно на фиг.1 изображен вид в поперечном сечении гальванического элемента согласно изобретению; фиг. 2 и 3 - аксонометрические проекции деталей гальванического элемента согласно изобретению; фиг.4 - вид в поперечном сечении прокладки-рамы в сочетании с электродом и коллектором; фиг.5 - аксонометрическая проекция коллектора согласно изобретению; фиг. 6 - вид в поперечном сечении варианта гальванического элемента согласно изобретению.

Как показано на фиг. 1, гальванический элемент настоящего изобретения содержит две двухполюсные пластины /1/, два коллектора /14/, две прокладки-рамы /8/, два электрокаталических электрода /7/ и ионнообменную мембрану /6/.

Как показано на фиг.2, двухполюсная пластина /1/ изготовлена из металлической пластины, которая может иметь плоскую поверхность в зоне контакта с коллектором /14/. Периферийная часть рамы двухполюсной пластины /1/ снабжена отверстиями /2/ и необязательно распределительными каналами /3/ для впуска и выпуска газов, отверстиями /4/ для прохождения стяжек /не показаны на чертежах/ и необязательно внутренними каналами /5/ для прохождения соответствующих охлаждающих средств. Размеры двухполюсной пластины диктуются поэтому необходимостью вмещать определенную активную площадь мембраны /6/ и электродов /7/ с соответствующими коллекторами /14/, а также отверстия /2, 4/ и каналы /3/. Главной характеристикой двухполюсных пластин настоящего изобретения является возможность быть изготовленной в больших количествах при умеренной стоимости путем резки коммерческих листов или путем отливки в соответствующие формы без какой-либо дополнительной механической правки поверхности. Двухполюсные пластины могут изготавливаться из алюминия, титана или их сплавов без потребности в электропроводной защитной пленке. Этот последний аспект будет проиллюстрирован более подробно при последующем описании. Очевидно, что могут использоваться другие металлы или сплавы, как, например, другие клапанные металлы /ниобий, тантал/, нержавеющие стали, а также высоколегированные стали, хромоникелевые сплавы, хотя менее эффективные по стоимости и более тяжелые из-за более высокой удельной плотности этих материалов. Когда конструкционными материалами являются алюминий или его сплавы, то высокая теплопроводность позволяет отводить тепло, образующееся во время работы элемента, за счет охлаждения периферийной части только двухполюсных пластин. По этой причине периферийная часть соответственно увеличена и отвод тепла может осуществляться за счет принудительной циркуляции воздуха или другого охлаждающего средства /не показано на чертежах/. В соответствии с этим вариантом двухполюсные пластины /1/, изготовленные из алюминия или его сплавов, не должны снабжаться внутренними каналами /5/, что делает конструкцию значительно проще и существенно уменьшает стоимость.

На фиг.3 прокладки-рамы /8/ содержат отверстия /9/ для впуска и выпуска реагентов и продуктов, собирающиеся с отверстиями /2/ двухполюсных пластин /1/, и необязательные отверстия /10/ для прохождения стяжек. Отверстия /10/ являются необязательными в возможном альтернативном варианте, у которого углы скруглены. Отверстия /9/ соединены с соответствующими каналами /11/, выполненными в толщине прокладки-рамы, и предназначены в сочетании с каналами /3/ для равномерного распределения и сбора реагентов и продуктов внутри элемента. Хотя необязательно, но предпочтительно выход для продуктов должен размещаться в нижней части, чтобы обеспечить более легкую очистку конденсата, который может образоваться в элементе во время работы.

Две поверхности прокладки-рамы могут быть неодинаковыми, в то время как одна в контакте с электродами /7/ и мембраной /6/ может быть плоской, другая - в контакте с двухполюсными пластинами - снабжена каналами /11/, как отмечалось выше, и ребрами /12/, т.е. линейными выступами, служащими для гарантирования необходимого уплотнения, чтобы предотвратить выход газов наружу или смешивание внутри элемента. Герметизация на стороне электрода гарантируется собственной упругостью каждой пары прокладка-рама/мембрана. По этой причине прокладка-рама изготавливается из эластомерного, способного отливаться материала. Требуемая упругость должна быть достаточной, чтобы обеспечить безопасное уплотнение под действием неизбыточной механической нагрузки с целью избежать того, чтобы деформация при сжатии могла перекрыть каналы /3/ и /11/ и чтобы мембрана подвергалась избыточному напряжению по периферии. Толщина прокладки-рамы диктуется не только механическими соображениями, но и необходимостью образовать внутреннее пространство, пригодное для прохождения газа. Прокладка-рама на фиг. 3 и 4 снабжена дополнительно буртиком /13/, идущим по внутренней кромке, для обеспечения быстрого размещения электрода /7/ и одновременного обеспечения гарантированной хорошей защиты мембраны /6/ от возможных неровностей по периферии коллекторов /14/, как, например, остаточных задиров или заусенцев от резки частей, имеющих требуемые размеры, из коммерческих листов.

На фиг. 4 более детально показан сборочный узел, состоящий из прокладки-рамы /8/, коллектора /14/, электрода /7/. Коллекторы /14/ настоящего изобретения предназначены для обеспечения одновременно следующего: - множества контактных точек с электродами с целью сведения к минимуму рассеяния энергии, связанного с очень длинными поперечными траекториями электрического тока внутри электродов; - низких величин контактного сопротивления с поверхностью двухполюсных пластин, предпочтительно изготовленных из пассивированных материалов, например алюминия, титана и их сплавов без защитных электропроводных пленок; - теплопередачи от конструкций электроды/мембрана к двухполюсным пластинам /1/, необязательно снабженным каналами /5/, по которым проходит охлаждающее средство; - продольного потока реагентов с небольшим падением давления и равномерного распределения по всей поверхности электродов /7/ вследствие большой возможности поперечного смещения; - легкого слива жидкой воды, образующейся в результате конденсации внутри коллектора во время работы; - деформируемости с достаточной остаточной упругостью при сжатии, что требуется для компенсации неизбежных дефектов плоскостности различных компонентов элемента, в частности двухполюсных пластин, поверхность которых в идеале не подвергается точной механической чистовой обработке. Определенная степень остаточной упругости также необходима для поддержания под постоянным давлением конструкции электрод/мембрана с целью компенсации теплового расширения различных компонентов во время включения, выключения и изменений электрических нагрузок.

Вышеуказанные преимущества достигаются за счет использования коллекторов, имеющих конструкцию, аналогичную трехмерным решеткам из металлической проволоки, предпочтительно прикрепленным друг к другу во взаимосвязанных точках. За счет соответствующего подбора диаметра проволоки и расстояния между взаимосвязанными точками может быть легко получен оптимальный коэффициент пористости, который должен предпочтительно отличаться высокими величинами. Желаемые размеры пор должны быть достаточно небольшими, чтобы обеспечить необходимое множество контактных точек, но при этом достаточно большими для сведения к минимуму капиллярного явления, связанного с проблемами по удалению конденсата. Указанное явление может быть дополнительно уменьшено, если решетка из металлической проволоки и каналы /3 и 11/ делаются гидрофобными, например, путем погружения в раствор, содержащий соответствующий гидрофобный агент, после чего следует сушка. Особенно предпочтительным раствором является эмульсия из политетрафторэтиленовых частиц. Традиционные решетки вышеуказанного типа являются матрицами, описанными в патенте США N 4340452, для использования в ячейках для электролиза с целью гарантирования электрической непрерывности между жесткими токораспределителями и электродом, выполненным из тонкого листа, в присутствии электролита, обладающего высокой проводимостью со средней плотностью тока. В этих условиях оптимальные результаты уже получены с небольшими давлениями, приложенными к коллектору /десятки-сотни граммов на кв.см/, и с коллекторами, состоящими из трехмерных решеток, имеющих относительно удаленные в стороны взаимосвязанные точки /несколько миллиметров/. Предпочтительно эти матрицы являются тканями из металлической проволоки или сетками, у которых проволоки образуют ряды спиралей, волн или извитостей или другие неровные контуры. Более предпочтительно матрицы состоят из ряда геликоидальных цилиндрических спиралей из проволоки, спирали которых взаимно навиты с одной из соседних спиралей в виде переплетения или взаимного переплетения.

В данном случае было установлено, что для лучшей характеристики пустоты решетки должны быть такими, чтобы они оставляли метки размером 0,1 - 3 мм на чувствительной к давлению бумаге, тогда как давления, прикладываемые к двухполюсным пластинам, показательно составляли от 0,1 до 10 кг/см². В альтернативном решении трехмерная решетка может отличаться также поверхностью, содержащей концевые секции по крайней мере части металлических проволок, причем этот признак позволяет получить высокие локализованные давления в близко расположенных, ограниченных по площади точках и, следовательно, низкие величины контактного сопротивления.

На фиг. 5 коллектор /14/ представлен решеткой или каркасом с поверхностью, снабженной концевыми секциями /15/, эффективность которых была продемонстрирована замерами электрического сопротивления, проведенными на узлах, моделирующих гальванический элемент настоящего изобретения, содержащих две плоские пластины из алюминиевого сплава, полученные литьем без какой-либо дополнительной механической чистовой обработки, два коллектора из никеля толщиной 2 мм, имеющих поры в количестве до 100/см² /средний размер пор: 1 мм/, два электрода, продающихся под торговой маркой Элат фирмой Е-Тех, США, удерживающих между собой мембрану Nafion (R) 117, поставляемую фирмой Дюпон, США. Замеренное электрическое сопротивление составило 100 - 5 мОм/см² при давлениях 0,1 - 80 кг/см², соответственно прикладываемых к алюминиевым пластинам. Замеренные величины оставались постоянными даже в условиях нахождения узла в атмосфере пара при 100^oC, что может случиться в условиях реальной работы.

Аналогичные результаты были получены с металлическими пластинами из титана. Электрические сопротивления, замеренные в тех же условиях и с теми же узлами, но без коллекторов настоящего изобретения, дали величины порядка от 200 до 1000 мОм/см², которые абсолютно неприемлемы для элемента, представляющего промышленный интерес. Тот факт, что электрическое сопротивление оказалось неожиданно низким и стабильным по времени даже в атмосфере пара при 100^oC, показывает, что в противоположность тому, что известно в этой области, двухполюсные пластины могут изготавливаться из алюминия, титана или их сплавов без электропроводных защитных покрытий, когда они используются в сочетании с коллекторами настоящего изобретения. Поскольку известно, что алюминий, титан и их сплавы покрываются со временем электроизолирующим окислом, то можно предположить, не привязывая настоящее изобретение ни к какой-либо конкретной теории, что высокое давление, локализованное в ограниченных по площади контактных точках между двухполюсными пластинами и коллекторами настоящего изобретения, вызывает разрушение этой пленки или предотвращает ее образование. Это контактное давление, вероятно, примерно на один порядок величины выше, чем давление, прикладываемое к двухполюсным пластинам.

Кроме того, как уже отмечалось, двухполюсные пластины могут успешно использоваться сами по себе после литья или вырезания из коммерческих листов без какой-либо потребности в последующей механической доводке. Этот результат, вероятно, обеспечивается за счет деформируемости коллектора и за счет его остаточной упругости, позволяющих компенсировать возможные отклонения от плоскостности, типичных для необработанных деталей. Так как деформируемость коллекторов согласно настоящему изобретению является относительно небольшой под давлением, обычно прикладываемым к двухполюсным пластинам /порядка несколько десятых процента толщины/, то можно допустить, что электроды также содействуют компенсации отклонений плоскостности двухполюсных пластин. В частности, для поддержания напряжений на мембранах в приемлемых значениях электроды должны обладать значительной деформируемостью. По этой причине было установлено, что наилучшие результаты с точки зрения отсутствия механических повреждений в мембранах достигаются, когда электроды содержат деформирующийся слой, например углеродную ткань. Двухполюсные пластины могут быть как с канавками, так и плоскими, причем последние являются предпочтительнее с точки зрения более низкой стоимости изготовления. Что касается конструкции коллектора на фиг.5, то эта трехмерная решетка или каркас может быть получена, начиная с образования развитой пены, имеющей открытые ячейки, в пластмассовом материале, например полиуретане, который предварительно обрабатывается для получения определенной электрической проводимости /например, вакуумной металлизацией или осаждением металла в электролитической ванне, как известно в данной области, или пиролизом в инертной атмосфере или вакууме для получения углистого материала, необязательно частично графитированного/. Предварительно обработанный таким образом материал подвергается электрохимическому осаждению требуемого металла или сплава, например никеля, меди или их сплавов с другими металлами, до получения требуемой толщины. Поры в материале преимущественно имеют размеры порядка от 1 до 3 мм, а диаметр металлических проволок колеблется от 0,01 до 1 мм, позицией /15/ на фиг. 5 обозначены концевые секции или части металлических проволок, которые, как показано выше, гарантируют множество контактных точек при высоком локализованном давлении на небольших участках, представленных поперечными сечениями этих концевых секций. Толщина коллектора, как видно из фиг.1, представлена толщиной прокладки-рамы, уменьшенной на толщину электрода. Толщина коллектора в общем составляет от 0,5 до 5 мм и предпочтительно от 1 до 2 мм. Решетка или каркас, представленный на фиг.5, описан в EP публикации 0266312 A1, заявляющей его использование как растянутого электрода для электролиза из водных разбавленных растворов ионов металла, и в патенте США N 4657650, описывающем его применение в качестве наружного электрического контакта для соединения элементарных элементов в электролизер.

Необязательно трехмерная решетка или каркас /сетчатый материал/ в соответствии с настоящим изобретением может быть также использован в сочетании с металлической сеткой или графитированной угольной сеткой, установленной между сетчатым материалом и конструкцией электрод/мембрана. В этой двухслойной конструкции коллектора сетка, которая может быть, в частности, мелкой /например, размер отверстий сетки менее 1 мм/, гарантирует необходимое множество контактных точек с электродом, тогда как сетчатый материал может выбираться более свободно, например, с особенно большими пустотами, чтобы обеспечить максимальное просачивание воды, которая могла конденсироваться изнутри. Использование сетки позволяет также гарантировать более высокую защиту мембраны в случае, когда сетчатый материал имеет поверхность с особо выраженными острыми выступами.

В другом варианте коллектор настоящего изобретения просто выполнен из одной или более наложенных друг на друга сеток, изготовленных из сплетенной металлической проволоки, имеющей отверстия менее чем 3 мм, предпочтительно менее чем 1 мм, чтобы гарантировать множество контактных точек между электродами и двухполюсными пластинами. Высокие контактные давления, в частности, на стороне двухполюсной пластины достигаются, когда проволока, использующаяся для изготовления сеток, имеет четырехугольную форму в поперечном сечении, однако могут использоваться и другие многоугольные формы в поперечном сечении. В данном случае продольные кромки проволоки в наложенных точках образуют полезную зону неровностей, которые вдавливаются в металлическую поверхность двухполюсной пластины. Альтернативный вариант сетки, который также является целесообразным, представлен развитыми или раскатанными металлическими поверхностями, полученными предварительной резкой тонких листов и последующим раскатывание. Таким образом, сетка получается с отверстиями различной формы, например ромбоидальной, при этом части металла, образующие отверстия сетки, повернуты относительно плоскости самих полосок металла. Поэтому, когда расширенный металлический лист прижимается к плоским поверхностям, то вершины повернутых частей металла становятся участками контакта. По крайней мере одна пара из вышеописанных сеток используется, чтобы обеспечить более высокие упругости и деформируемость, проницаемость для газообразных реагентов и просачивание водного конденсата. Для этого последнего с