Топливный элемент, использующий интегральную технологию пластин для распределения жидкости

Топливный элемент, использующий интегральную технологию пластин для распределения жидкости

Реферат

 

Изобретение относится к топливным элементам, состоящим из пакета пластин. Техническим результатом изобретения является создание усовершенствованной конструкции топливного элемента и способа его изготовления. Согласно изобретению батареи топливных элементов содержат пакетированные элементы с узлами разделитель/мембранный электрод, в которых разделители содержат ряд пакетированных пластин из тонкого листа, имеющих внутри себя серпантинные области микроканалов индивидуальной конфигурации для увлажнения реагирующих газов, активные области охлаждения. Индивидуальные пластины пакетируют с совпадающими по координатам деталями, прецизионно совмещенными с соседними пластинами, и соединяют для формирования монолитного разделителя. Обработка после соединения включает пассивацию, такую как нитридирование. Предпочтительным материалом пластин является Ti, в котором детали, серпантинные каналы, закругления, углубления, протоки, рельефы и отверстия формируют путем химического или лазерного травления, вырезания, выдавливания или пробивания отверстий, при сочетаниях слепого и сквозного травления, являющихся предпочтительными. Процесс производства пластин является непрерывным и быстрым. Путем использования конструирования и фотолитографии пластин возможно быстрое изменение в конструкции деталей для приспособления к широкому диапазону технологий распределения тепла и увлажнения. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к топливным элементам, а более конкретно, к топливным элементам состоящим из пакета пластин, имеющих интегральную технологию распределения жидкости (ИРЖТ), и к способам изготовления и работы таких ИРЖТ элементов. Конкретным воплощением, использующим принципы настоящего изобретения является топливный элемент водород-воздух/O₂, использующий множество разделителей, образованных из соединенных пластин из титана, ниобия, меди, нержавеющей стали, алюминия или пластика, имеющие микроканалы индивидуальной конфигурации для распределяемого газа, охладителя и зоны их увлажнения, эти элементы работают в диапазоне температур от около 50 до 150^oC и имеют выходную мощность порядка 0,25-1 кВт на кг и 0,5-1,0 кВт/л при использовании как в стационарных, так и в передвижных генераторах энергии в замкнутом или разомкнутом контурах. Конструкция ИРЖ пластин и разделителей может быть подобрана конкретно в батарее топливных элементов для приспособления к различным требованиям относительно распределения тепла и увлажнения в каждом элементе.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ Топливные элементы для прямого преобразования водородного или углеводородных топлив в электричество теоретически демонстрируют очень впечатляющую перспективу, но не получили широкого коммерческого применения из-за технических проблем и по экономическим причинам. В области топливных элементов водород-воздух/O₂ удельная мощность, то есть киловатты мощности на кг, является чрезвычайно низкой, а срок службы - неудовлетворительно коротким. Известные из литературы элементы показали падение мощности со временем, частично вызванное отравлением катализаторов или электролитных мембран, а плохое распределение топливных газов внутри них ведет к появлению областей с повышенной температурой, что ведет к разрушению элемента, и так далее.

Особенно важный класс топливных элементов с перспективой производства электричества в стационарных и мобильных условиях составляет низкотемпературный топливный элемент H₂/O₂, использующий твердую полимерную протонообменную мембрану, имеющую катализатор на основе благородного металла, покрывающий ее с обеих сторон, эта мембрана расположена между электродами топливного элемента или между электропроводящими разделителями. Эти топливные элементы используют H₂ в качестве топлива, которое при этом подается либо само по себе, либо генерируется в связи с элементом путем химической реакции, такой как электролиз, или из гидридов металлов. Окислителем является O₂ или воздух, а вода требуется как для охлаждения, так и для увлажнения мембраны, для удержания ее от высыхания и наступления неэффективности или структурного разрыхления при растрескивании. Как правило, анодная сторона высыхает быстрее по целому ряду причин, включая электроосмотическую перекачку от анода к катоду, подачу газа в избытке по отношению к скорости электрохимической реакции и поток воздуха или кислорода на катодную сторону, которые смывают как воду - продукт реакции, так и водяной пар, проходящий через мембрану со стороны водородного анода. Соответственно, топливные газы в батарее топливных элементов увлажняют для уменьшения влияния обезвоживания. Охлаждающая вода удаляет избыток топлива, генерируемого при медленном горении, в каталитической электрохимической реакции в элементах, и ее вводят извне в батарею для теплообмена. В некоторых конструкциях охлаждающую воду используют для увлажнения реагирующих газов.

Существуют несколько подходящих узлов электродных мембран (УЭМ), пригодных для таких низкотемпературных топливных элементов. Один из них производят в H. Power Corp. of Bellville, New Jersey, он использует PT катализатор, покрывающий полимерную пленку, такую как перфторсульфонированный углеводород NAFION, duPont, в качестве мембраны. Альтернативно, Dow Chemical создала перфторсульфонированный полимер, который описан в патенте США 5316869 в качестве допускающего плотности тока порядка 4000 А/фут² (44400 А/м²) с напряжением элемента более 0,5 В/элемент и удельной мощностью батареи более 2 кВт/фут² (22 кВт/м²).

Типичной конструкцией доступных в настоящее время батарей является Ballard Fuel Cell Stack из 35 активных электрохимических элементов, 19 теплораспределительных элементов и 14 элементов увлажнения реагирующих веществ, использующих Pt на УЭМ из NAFION 117 в пакетах графитовых пластин толщиной 1/4 дюйма (0,63 см). Как описано, пакет имеет общий объем 0,5 фут³ (1,410^-2 м³) с весом в 94 фунта (42,6 кг) и мощность на выходе 3 кВт от H₂ и O₂.

Однако графитовые пластины должны быть относительно толстыми для обеспечения структурной целостности и предотвращения нежелательного соприкосновения реагентов, поскольку они являются хрупкими и способны растрескиваться, поскольку батареи элементов должны быть размещены в условиях сжатия для осуществления внутри- и межэлементной герметизации для предотвращения протечки реагентов. Они имеют низкую теплопроводность и электропроводность, что является причиной появления областей с повышенной температурой и областей разрушения. Они также являются сложными для производства, особенно каналы распределения газа. Выход является относительно низким, порядка 0,05 кВт/фунт (0,1 кВт/кг). В описанном выше примере число неактивных элементов охлаждения и увлажнения почти равно числу активных электрохимических элементов. Это реально удваивает число прокладок уплотнений, требуемых в батарее, тем самым уменьшая надежность и производительность батареи.

Указанный выше патент США 5316869 не предлагает решения для конструкции батареи графитовых пластин, поскольку он относится к микропроцессорному контролю к системе замкнутой цепи вне батареи.

Соответственно, существует необходимость в усовершенствованной конструкции топливного элемента и в способах производства топливных элементов и их работы, которые преодолевают ограничивающие проблемы, известные из литературы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЗАДАЧИ И ПРЕИМУЩЕСТВА Среди задач настоящего изобретения имеется задача создания усовершенствованных конструкций топливного элемента, способов создания конструкции и работы, в частности, топливных элементов водородного и кислородного или воздушных типов, которые демонстрируют трехкратное или большее улучшение по сравнению с доступными сейчас графитовыми элементами.

Дополнительные задачи и преимущества включают: - создание усовершенствованных способов создания конструкции топливных элементов на основе технологии множества пластин и пакетирования, эти пластины имеют специально конфигурированные микроканалы для распределения газа и воды, созданные с помощью травления, лазерной абляции или резки, штамповки, пробивки отверстий или выдавливания рельефа; - создание интегрального способа для производства топливных элементов, включающего фотолитографию ряда отдельных пластин с последующим формированием деталей путем травления, выдавливания рельефа, штампования, пробивания отверстий, соединения пайкой жидким или твердым припоем пластин в пакеты при нагревании и повышенном давлении, и при покрытии пластин и/или узлов полярных разделителей антиоксидантом; - создание интегральной технологии распределения жидкости (ИРЖТ) для конструирования батарей топливных элементов, в частности для конструирования пластин, собранных в униполярные и биполярные разделители (индивидуальные элементы), и множество элементов в батареи для усовершенствования распределения увлажнителя и топлива, и газа-окислителя для контакта с мембранами, и для контроля температуры и влажности с целью предотвращения появления областей повышенной температуры и разрушения мембраны из-за обезвоживания; - создание пластин, формируемых путем фотолитографии и травления для узлов разделителей топливных элементов, имеющих специальные уплотняющие выступы, обеспечивающие возможность герметизации УЭМ между полярными разделителями для формирования элементов, которые герметизируются под давлением для формирования батарей топливных элементов; - создание конструкции ИРЖ пластинного полярного разделителя внутри батареи топливных элементов, который приспособлен к требованиям различного теплового окружения и влажности, которые зависят от их положения в батарее.

Технический результат достигается тем, что полярный разделитель топливного элемента для ПОМ топливного элемента содержит в рабочем соединении множество пластин из материала тонкого металлического листа, при этом каждая пластина имеет детали, сформированные в ней индивидуально перед установкой в разделитель, которые выбираются по меньшей мере из одного из сквозных или слепых углублений, дозирующих проходов, микроканалов, протоков для переноса жидкости от одной пластины к другой, контуров и рельефов, причем детали являются взаимосвязанными и совпадают по положению от пластины к пластине для создания, по меньшей мере, одной активной области микроканалов, активная область содержит по меньшей мере пару пластин, первая из которых имеет детали в виде углублений, а вторая пластина имеет соответствующие сквозные детали, которые после соединения вместе формируют структуры микроканалов из отдельно расположенных каналов, и по существу сравнивается с закруглениями, при этом соседние закругления поддерживаются в конфигурационном положении с помощью углублений во второй пластине со сквозными деталями, которые соединяют мостиком каналы для обеспечения прохождения потока реагента через них, причем пластины соединены вместе под действием тепла и давления без использования клея с формированием жесткого монолитного разделителя для размещения в контакте с по меньшей мере одним узлом твердой полимерной электродной мембраны в батарее топливных элементов.

Полярный разделитель топливного элемента включает детали, которые образуют по меньшей мере одну область увлажнения для топлива и окислителя, причем область увлажнения является по существу компланарной с активной областью, и по меньшей мере одну область охлаждения, которая расположена перед областью увлажнения и содержит детали в виде углублений, выполненных в центральной области пластины, причем область охлаждения сообщается через протоки от области пластины по меньшей мере с одной из областей увлажнения в соседней пластине подачи нагретой увлажняющей жидкости в область увлажнения.

В полярном разделителе топливного элемента в сборке с узлом электродной мембраны область увлажнения с анодной или катодной стороны узла первого разделителя находится в противоточном увлажняющем сообщении через мембрану с областью увлажнения реагирующего газа с катодной или анодной стороны соседнего разделителя с помощью паров нагретой охлаждающей жидкости, проходящей через мембрану в область увлажнения.

Предпочтительно в полярном разделителе топливного элемента пластины соединены посредством диффузионного соединения, сварки, пайки сухим или жидким припоем под нагревом и давлением с формированием монолитного разделителя.

В полярном разделителе топливного элемента разделитель может быть биполярным, содержащим анодную сторону и катодную сторону, а каналы области выполнены по длине, размеру поперечного сечения микроканала и серпантинной конфигурации в соответствии с вязкостью и составом газа.

Области разделителя в полярном разделителе топливного элемента включают область увлажнения H₂ и область увлажнения воздух/O₂, при этом области разделителя могут включать множество областей охлаждения.

Хотя полярный разделитель описан в применении с топливным элементом с протонообменной мембраной (ПОМ), использующим H₂ и O₂/воздух в качестве топлива, полярный разделитель согласно изобретению в равной степени применим и к топливным элементам щелочного типа, с твердым оксидом и с расплавленным карбонатом, и к риформерам, используемым в соединении с топливными элементами. Может быть использовано широкое разнообразие других сочетаний топливо/окислитель, таких как H₂/Cl₂; NH₃/O₂; H₂/X₂ (X является галогеном); CH₃OH/O₂ и тому подобное.

Технический результат достигается также тем, что обеспечивается соединение пластин в модульные полярные разделители, т.е. сборка элементов для батареи, при этом батарея ПОМ топливных элементов содержит в рабочем соединении множество элементов, включающих полярные разделители и узлы мембранных электродов в пакетированном ряду, концевую пластину анодного разделителя на одном конце батареи в контакте с одним из узлов мембранных электродов, концевую пластину катодного разделителя на другом конце батареи в контакте с узлом мембранного электрода, при этом элементы собраны последовательно под сжатием с формированием рабочего элемента на основе архитектуры ИРЖТ микроканалов, а полярный разделитель и анодный и катодный разделители выполнены по пункту 1.

Батарея топливных элементов включает детали, имеющие по меньшей мере одну область увлажнения для топлива или окислителя и по меньшей мере одну область охлаждения, находящуюся в сообщении с областью увлажнения для обеспечения подачи нагретой жидкости в область увлажнения в том же разделителе, при этом области выполнены по длине, размеру поперечного сечения микроканала и серпантинной конфигурации для H₂ в качестве топлива и воздуха/O₂ в качестве окислителя.

Разделители в батарее топливных элементов предпочтительно выполнены из диффузионно соединенного металла, выбранного из Ti, Al, Cu, W, ниобия, нержавеющей стали, их сплавов, ламинатов, их сочетаний, полученных гальваническим путем, и композитов, при этом узел мембранного электрода выбирается из ПОМ, покрытого угольной бумагой, и ПОМ без угольной бумаги, а разделители включают рамочную пластину с окном в контакте с ПОМ, покрытым угольной бумагой, или пластину с оконным экраном в контакте с ПОМ без угольной бумаги.

Технический результат достигается также тем, что осуществляют способ производства узлов разделителя топливного элемента, который включает стадии формирования в тонком листе множества различных индивидуальных пластин с совпадающими по координатам деталями, выбранными из микроканалов, протоков и рельефов, причем детали после соединения вместе образуют по меньшей мере одну активную область для потребления окислителя или топлива в контакте с узлом мембранного электрода, пакетирование пластин с индивидуальными деталями пластин в прецизионном совмещении с соответствующими деталями непосредственно прилегающей пластины для создания путей непрерывной циркуляции для окислителя или топлива, и соединение совмещенных пластин с образованием монолитного разделителя, имеющего внутренние микроканалы и рельефы для доступа к ним. В данном способе используют исходный лист, являющийся металлом, а стадия формирования включает стадию формирования травлением деталей с помощью сочетания слепого травления и сквозного травления, причем сквозное травление включает слепое травление выбранных областей с обеих сторон исходного листа до глубины, большей чем 50% от толщины листа.

Предпочтительно металл выбирают из Ti, Al, Cu, W, ниобия, нержавеющей стали, их сплавов, ламинатов, их сочетаний, полученных гальваническим путем, и композитов.

Стадия формирования данного способа включает покрытие исходного металлического листа резистом с помощью фотолитографии для определения контуров его деталей.

Предпочтительно способ включает стадию пассивирования разделителя после соединения, при этом соединение включает диффузионное соединение под действием тепла и давления, металлом является Ti, и пассивирование включает экспозицию в азоте при повышенной температуре.

Топливные элементы согласно изобретению выполнены из одной или нескольких ячеек, каждая ячейка, в свою очередь, содержит пару биполярных разделителей, расположенных в узле электродных мембран (УЭМ) между ними. Разделители могут быть либо униполярными (для крайних концевых пластин), либо биполярными, с одной анодной стороной (H₂) и с другой катодной стороной (O₂). В свою очередь, каждый узел полярного разделителя содержит множество тонких пластин предпочтительно из металлического, пластикового, керамического или другого подходящего материала, в котором формируют многочисленные каналы для распределения жидкости в виде углублений предпочтительно путем травления, а также с помощью процессов лазерной абляции или вырезания, выдавливания рельефа, прессования, пробивания отверстий или штамповки, которые формируют рельеф в виде сквозных или слепых углублений. Прилегающие пластины, имеющие совпадающие слепые углубления (например, половины каналов), при соединении создают каналы для распределения газа, охладителя или пара, обычно круглого или овального поперечного сечения, которые из-за непрерывной, синусоидальной или разветвленной конфигурации иначе создать невозможно. Когда униполярные разделители собирают друг с другом в УЭМ, они образуют электрохимический элемент. Последовательный ряд совмещенных друг с другом элементов, когда они соединены вместе посредством связующего или зажимов, и включая необязательно уплотняющие прокладки между ячейками, составляют батарею топливных элементов или законченный топливный элемент.

В типичных примерах число пластин, образующих отдельный узел полярных разделителей ячеек в общей батарее топливных элементов, может изменяться в пределах 3-10 пластин, предпочтительно 4-7. УЭМ размещают между соседними полярными разделителями, а предпочтительно вставляют в их анодные и катодные углубления. Предпочтительные в настоящее время УЭМ содержат сульфонированную перфорированную мембрану толщиной 2-17 мил (50-400 мкм), покрытую с обеих сторон смесью Pt-сажи и угольной сажи в растворителе и проложенную с каждой стороны проницаемой на 65% графитовой бумагой толщиной 10 мил (250 мкм), имеющей внутри гидрофобное связующее Teflon.

Принципы элемента с интегральным распределением жидкости настоящего изобретения будут описаны здесь только в качестве примера со ссылками на биполярный топливный элемент водород/воздух или кислород, использующий УЭМ с Pt-сажа/NAFION, но являются в такой же степени применимыми для других сочетаний топливо/окислитель, независимо от того, являются ли они жидкостями, газами или их сочетаниями, работающих в диапазоне температур 50-150^oC.

Важным свойством конструкции пластин настоящего изобретения является то, что сделаны значительные усовершенствования в распределении тепла и в увлажнении газов и электролитных мембран для очень значительного увеличения выходной мощности топливного элемента настоящего изобретения, сформированного из пластин, по сравнению с известными из литературы. В предпочтительном воплощении пластинки элементов выполняют из металла, как правило, алюминия, меди, нержавеющей стали, ниобия или титана. После того как пластинки сформированы, их затем соединяют вместе с помощью специальной последовательности прикладываемого давления и нагрева (например, склеивают электропроводящим клеем, диффузионно связывают, сваривают, спаивают твердым или жидким припоем) для формирования узла полярного разделителя, а затем, если это желательно, покрывают или обрабатывают для коррозионной устойчивости. Затем УЭМ вставляют в необязательные мембранные углубления, называемые рамочными углублениями с окном, в пластинах разделителей, образующих индивидуальные электрохимические элементы, и множество элементов собирают в пакет для формирования батарей топливных элементов. Всю сборку в целом затем соединяют под давлением для облегчения герметизации, например, с помощью шпилек, гаек и приспособлений, обеспечивающих постоянное давление, для формирования унитарной монолитной батареи топливных элементов.

Может быть использовано широкое разнообразие твердых, но пористых полимерных протонообменных мембран, как правило, сульфонированные фторуглеродные мембраны от Dow Chemical, Asahi Chemical, GOV или duPont, с NAFION от duPont, являющейся в настоящее время предпочтительной. Мембрану покрывают с двух сторон катализатором на основе благородного металла, такого как Pd, Pt, Rh, Ru, оксиды благородных металлов или их смеси, и прикрепляют к электродам из графитовой бумаги. Альтернативно, электрод из графитовой бумаги может быть покрыт катализатором и прикреплен к мембране. Предпочтительный узел из электродов с мембраной такого типа доступен от H. Power Corp. of Bellville, New Jersey. Другие типы УЭМ, которые могут быть использованы, включают пористые тонкие листы аморфного углерода или графита, или покрытые катализатором полиимидазольные мембраны.

Хотя конкретный тип мембраны и производитель может предоставлять возможность усовершенствования в рабочих характеристиках, изобретение не зависит от какого-либо типа мембраны или УЭМ. Подход интегральной технологии распределения жидкости (ИРЖТ) настоящего изобретения может быть приспособлен к широкому разнообразию типов топливных элементов, и именно его результатом являются улучшенные рабочие характеристики.

Технология пластин позволяет формировать широкое разнообразие конструкций микроканалов для любой внешней конфигурации топливного элемента, к тому же с превосходным теплообменом и контролем увлажнения для более эффективного распределения газов без дефицита топлива или кислорода и с лучшей стабильностью электрического выхода.

Важным преимуществом технологии ИРЖ пластин настоящего изобретения является то, что производство топливных элементов может быть автоматизировано и использует технологии фотолитографии и травления или штамповки тонколистового материала. В конструкцию сборки разделителя могут быть быстро внесены изменения. Одно производство может поддерживать производство широкого разнообразия конструкций топливных элементов без необходимости производства больших партий, обычно необходимых для экономичного производства. То есть могут быть произведены несколько топливных элементов совершенно различной конструкции и оставаться при этом экономически выгодными. Кроме того, инвестиции средств существенно и значительно уменьшаются, поскольку оборудование для производства близко к имеющемуся фотолитографическому оборудованию, оборудованию для нанесения маски, для травления или оборудованию для штампования.

В качестве примера множество листов разделителя может быть аккуратно выполнено в большом формате, фотографически уменьшено, и пластины отштампованы из непрерывных рулонов из металлического или пластикового листового материала. Альтернативно, и в настоящее время это лучший режим, на листы фотолитографически наносится маска из резиста, их травят для формирования микроканалов для распределения жидкости, маску из фоторезиста химически или физически удаляют, и пластинки очищают. Готовые пластинки затем собирают для формирования разделителей, помещают в вакуумную печь, имеющую поршень давления, и соединяют вместе под нагревом и под давлением с помощью диффузионного соединения металлов для формирования монолитной сборки пластинного разделителя, имеющего внутренние микроканалы сложной структуры, включая каналы с различной степенью взаимной ортогональности, через которые протекают различные газы и вода или другой охладитель. Пластины разделителя затем помещают в атмосферу азота при повышенной температуре, что дает в результате реакцию азота с титаном с формированием пассивирующего или антикоррозионного и проводящего слоя нитрида титана на всех открытых поверхностях, включая внутренние каналы для газа и воды. Конструирование и производство разделителя из пластин может осуществляться как конвейерное производство, аналогичное производству с использованием персональных компьютеров. Весь пакет из множества пластин затем соединяют (например, диффузионно, путем сварки или пайки с жидким или твердым припоем) под нагревом и давлением для формирования монолитного разделителя. Узлы электродных мембран затем вставляют между отдельными полярными пластинами разделителей, затем разделители пакетируют и добавляют наружные концевые пластины для формирования законченной батареи топливных элементов, которые собирают вместе с помощью шпилек, гаек и приспособлений для создания постоянного давления для получения непроницаемой для реагентов герметизации. Присоединяют вводы для электричества, реагирующих газов и охлаждающей воды, вводят газы и воду для охлаждения, и элементы приводят в действие.

В типичной 7-пластинной сборке ИРЖ биполярного разделителя настоящего изобретения последовательность пластин является следующей: 1) рамочная пластина с окном (для приема УЭМ); 2) пластина анодной проточной прокладки; 3) анодная проточная (распределительная) пластина; 4) охладительная пластина; 5) катодная проточная (распределительная) пластина; 6) пластина катодной проточной прокладки; и 7) рамочная пластина с окном (для приема УЭМ соседнего элемента).

Существуют 6 различных пластин, с пластинами 1 и 7, являющимися идентичными, и каждой из пластин 1-6, являющихся различными. Детали травления и конструкции пластин, описанные здесь в качестве примера, представлены для доказательства того, что при соединении под давлением не происходит коллапса микроканалов. В примере биполярного разделителя, представленном выше, пластины 1, 2, 6 и 7 имеют толщину около 12 мил (300 мкм) каждая (перед соединением), а пластины 3-5 имеют, каждая, толщину около 20 мил (500 мкм). При диффузионном соединении пластины несколько сжимаются, и общая толщина получаемого в результате монолитного ламината биполярного разделителя составляет около 100 мил (2540 мкм). Общая глубина выемки у расположенных "лицом" друг к другу пластин с окнами (анодная сторона окна биполярного разделителя номер один и соответствующая ей катодная сторона окна биполярного разделителя номер два) составляет порядка 20 мил (500 мкм). УЭМ имеет толщину порядка 26 мил (660 мкм) и является до определенной степени пластичным. Мембрана из NAFION, покрытая с обеих сторон микродисперсным катализатором из Pt-сажи в угольной саже имеет толщину порядка 4-5 мил (100-130 мкм), и каждый из наружных слоев из графитовой/тефлоновой бумаги имеет толщину около 10 мил (250 мкм). Они подогнаны плотно к рамкам окон, и при уплотнении пластин полярного разделителя под давлением УЭМ вжимается в углубления окон глубиной 20 мил (500 мкм). Графитовая бумага является проницаемой порядка на 65% для обеспечения хорошего и равномерного распределения газов. На анодной стороне графитовая бумага отводит электроны от центров каталитической реакции на электролитной мембране к канавкам разделительной пластины для отвода в качестве электрического выхода топливного элемента. Электроны возвращаются из внешней цепи через катод. На катодной стороне графитовая бумага отводит электроны от торцов разделительной пластины к областям каталитической реакции на УЭМ.

Батарея из топливных элементов с биполярными разделителями должна заканчиваться на каждом конце анодной и катодной концевой пластиной униполярного разделителя, который также служит в качестве коллектора тока. Для униполярного анодного разделителя используют указанные выше пластины 7-4, а для катодного разделителя используют пластины 4-7. Униполярные пластины разделителей затем закрывают на каждом конце более толстыми (4-20 мил) (100-500 мкм) твердыми концевыми пластинами и стягивают путем затягивания шпилечного обжимного узла.

В качестве альтернативного примера, где не требуется увлажнения газов, может быть использован 4-пластинный узел разделителя, и последовательность пластин является следующей: 1) проточная анодная (распределительная) пластина; 2) пластина охлаждения с рельефом; 3) замыкающая пластина; гладкая на анодной стороне и с рельефом (микроканалы) на катодной стороне; и 4) проточная (распределительная) катодная пластина.

Кроме того, рамочные пластины могут быть использованы на каждой стороне, где используется вставка УЭМ для формирования 6-пластинной сборки биполярного разделителя. Необходимо заметить, что вместо рамочной пластины может быть использована двухсторонняя пластичная деталь-вставка. Таким образом, увлажняемый биполярный разделитель может включать 5 или 7 пластин в зависимости от того, используются ли необязательные рамочные пластины с окнами, а для неувлажняемого воплощения биполярный разделитель содержит 4 или 6 пластин, последний - включая две рамочных пластины с окнами. Титан является особенно пригодным для использования, поскольку он может течь как целое при соответствующем давлении и температуре, формируя самопроизвольную сварку диффузионно-связывающего (текущего) типа.

Собранный разделитель (многопластинная сборка) имеет толщину порядка 100 мил (2540 мкм) и вес около 4-8 унций (110-300 граммов) в зависимости от числа и толщины пластин и материалов. В батарее элементов используют примерно 10 разделителей/кВт. После сборки на шпильках накладывают прижимные концевые пластины толщиной порядка 1,5 дюйма (3,8 см), и весь узел батареи топливных элементов помещают под сжатие в 200 фунтов/дюйм² (1380 кПа) для формирования монолитной батареи топливных элементов с помощью винтовых зажимов. Легко достигается рабочее давление батареи в 1-65 фунтов/дюйм² (6,9-448 кПа) с выходом примерно 70-150 ампер. Для герметизации соседних узлов разделителей в рамочной пластине с окном (наружная поверхность) вытравливают или выдавливают замковые уплотняющие выступы (которые обычно имеют треугольное сечение) порядка 1-2 мил (30-50 мкм) в высоту, так что ребро будет полностью замыкаться с рамочной пластиной с окном прилежащей сборки разделителей или с соответствующей замыкающей концевой платой, в соответствующем случае.

Топливные элементы, использующие конструкцию ИРЖ пластин настоящего изобретения, могут включать любую подходящую секцию риформера углеводородов для получения H₂, например, путем процесса парового замещения, использующего недоокисленное горючее вещество плюс пар для получения H₂, O₂ и CO₂.

Основной чертой пластин настоящего изобретения является использование сочетания вытравленных каналов для распределения газа и воды, сформированных из соответствующих прилегающих друг к другу полуканалов в каждом из пары соответствующих друг другу соединяемых сторон (то есть в прилежащих соединяемых сторонах соседних пластин, которые находятся друг против друга и контактируют друг с другом в батареях) и соответственно вытравленных рельефах для ввода. Необязательными, но предпочтительными являются вытравленные уплотняющие выступы по периферии пластин для облегчения герметизации соседних узлов элементов.

Критичным для эффективной работы ПОМ элементов с высоким выходом является соответствующий тепловой баланс и увлажнение, и их контроль с помощью однородного потока газа.

Используемые в настоящее время ПОМ топливные элементы демонстрируют недостатки плохого распределения тепла и водного баланса, низкой проводимости и пластичности графита, ограниченной масштабируемости и истощения реагентов. Соответствующее распределение тепла в ПОМ элементах является критичным, поскольку современные мембраны имеют максимальную рабочую температуру в диапазоне 90-98^oC, поскольку температуры выше этой постоянно разрушают мембрану путем разрушения структуры пор. Поскольку топливные элементы настоящего изобретения имеют секции теплообменников, интегрированные в каждый биполярный разделитель, по сравнению с одним между каждыми 4-5 разделителями в графитовых ПОМ элементах, батареи могут быть легко масштабированы до больших размеров, поскольку как генерации тепла, так и контроль (теплообмен) масштабируются как площадь. Поскольку можно легко конструировать контроль тепла для каждого типа мембраны и топлива и расположение внутри элемента и в батарее, можно использовать УЭМ с более высокой производительностью, дающие в результате более высокие удельные мощности.

В отношении баланса воды, интегрированное увлажнение в каждом разделителе поддерживает лучший баланс воды, поскольку они варьируются индивидуально для приспособления к различным требованиям на анодной и катодной сторонах топливного элемента. Вода удаляется с анодной стороны с помощью электроосмотической откачки через мембрану и сушки в потоке реагирующего газа. Вода, которая собирается на катодной стороне от притока, вызванного электроосмотической накачкой, и вода, производимая в реакции, удаляются путем сушки потоком газа воздух/O₂.

В противоположность графитовым ПОМ элементам, металлические пластины настоящего изобретения являются примерно в 30 раз более проводящими, понижая таким образом джоулевы потери (I²R) в батарее при высоких плотностях тока. Эти потери уменьшают напряжение и мощность, которые могут быть получены от батареи. Более низкое внутреннее сопротивление металлических разделителей обеспечивает более однородное распределение тока, уменьшая таким образом вероятность возникновения областей повышенной температуры и областей разрушения в ячейках. Графитовые разделители находятся под сжатием для обеспечения герметизации, но давление действует на сопротивление графита нелинейным образом. Эта характеристика делает их очень сложными для получения графитовых элементов с однородным выходом. В противоположность этому, металлические разделители имеют превосходную теплопроводность и электропроводность, что устраняет области повышенного нагрева и разрушения. Графит является пористым по отношению к H₂, O₂ и воздуху, что понижает химическую эффективность графитовых батарей, поскольку некоторая часть H₂ потребляется в бесполезном прямом окислении.

Графитовые разделители также растрескиваются, когда элементы подвергают сжатию для обеспечения герметизации, необходимой для предотвращения утечки газов у ячеек, работающих при 25-60 фунтов/дюйм² (72-414 кПа). Тенденция к растрескиванию сильно ограничивает число и размер элементов в батарее, и, где один или несколько разделителей внутри батареи развивают протечки, электрический выход подвергается риску или значительно уменьшается. Металлические пластины, являясь пластичными, не доставляют этих проблем.

Далее, важным аспектом изобретения является то, что ИРЖ технология настоящего изобретения делает возможным разнообразие конструкций пластин внутри батареи для обеспечения лучшего распределения тепла. То есть элементы в средней части неохлаждаемой батареи не имеют того же самого теплового окружения и, соответственно, тех же самых потребностей в увлажнении, что и элементы на краях