Способ изготовления биполярной пластины для щелочного топливного элемента


 


Владельцы патента RU 2558372:

Общество с ограниченной Ответственностью "Завод электрохимических преобразователей" (ООО "ЗЭП") (RU)

Предлагаемое изобретение относится к способу изготовления биполярных пластин для щелочных топливных элементов. Биполярная пластина для щелочного топливного элемента выполнена из двух тонколистовых профилированных сепараторов и двух металлических рамок из никеля. Предложенный способ изготовления биполярной пластины включает нанесение на соединяемые поверхности деталей слоя пористого мелкодисперсного никелевого порошка толщиной от 10 до 15 мкм с размером частиц от 0,1 до 0,4 мкм, который после нанесения припекают к поверхностям при температуре от 900°C до 1100°C в течение от 5 до 10 мин в защитной атмосфере, а также заполнение пор припеченного слоя на 15%-25% раствором полисульфона в хлороформе путем пропитки от 2 до 3 раз и последующей сушкой после каждой пропитки при температуре от 25°C до 100°C. После сборки детали собираются в пакет путем термопрессования при температуре от 250°C до 270°C. Повышение коррозионной стойкости биполярной пластины, а также повышение ресурса работы щелочных топливных элементов, является техническим результатом заявленного изобретения. Кроме того, предложенный способ изготовления позволяет снизить стоимость изготовления за счет отказа от использования дорогостоящих припоев на основе серебра. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии изготовления биполярных пластин для щелочных топливных элементов (ТЭ), предназначенных для электрической коммутации ТЭ и равномерного распределения потоков реагентов в батарее топливных элементов.

Известны различные способы изготовления биполярных пластин для ТЭ.

В патенте РФ на изобретение №2333575 «Биполярная пластина для топливного элемента и способ ее изготовления» (кл. МПК H01M 8/02, H01M 8/10, дата приоритета 03.04.2007) [1] биполярная пластина для ТЭ с полимерным твердым электролитом изготавливается путем соединения основы, выполненной из листового металла, с углеродным слоем, полученным экструзией смеси порошка из беспористого графита с 10-20% масс. политетрафторэтилена. Для соединения экструдированного углеродного слоя с металлической основой на основу наносится промежуточный слой из смеси порошка беспористого графита и 0,5-2,0% масс. политетрафторэтилена. Биполярную пластину получают термопрессованием пакета при температуре от 120°C до 170°C и давлении от 200 до 300 кг/см2.

Недостатком известного способа изготовления биполярной пластины является его неприемлемость в случае щелочного ТЭ. Углерод, используемый как в нанесенном на металлическую основу слое, так и в слое, полученном экструзией, имеет недостаточную коррозионную стойкость в щелочи в присутствии кислорода. Это обстоятельство резко снижает ресурс ТЭ. Кроме того, прочность такого соединения не высокая в результате плохой адгезии политетрафторэтилена к металлической основе.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является «Способ изготовления изделий с внутренними каналами» по авторскому свидетельству СССР №1225741 (кл. МПК B23K 31/02, приоритет от 03.05.1984) [2], описывающий изготовление биполярных пластин для щелочных ТЭ. В соответствии с этим изобретением биполярная пластина для щелочного ТЭ изготавливается соединением пайкой четырех металлических деталей, две из которых являются тонколистовыми профилированными сепараторами, изготовленными из никелевой фольги, а две другие - рамками с радиальными пазами для подачи в соответствующие полости водорода, кислорода и теплоносителя. Для пайки деталей на их поверхность наносится порошкообразное серебро, а в пазы спаиваемых рамок помещаются закладные детали из припоя на основе серебра в виде проволоки. Пайка деталей производится при температуре 820°C под давлением. Припой под действием температуры плавится и растекается, заполняя поры между соединяемыми деталями и одновременно освобождая каналы для подачи реагентов в полости топливного элемента.

Недостатком прототипа является высокая стоимость биполярной пластины для щелочного ТЭ в результате применения драгметалла в виде серебряного припоя, а также оснастки для проведения пайки из жаропрочных материалов, так как пайка выполняется под давлением при высокой температуре.

Задачей заявляемого технического решения является снижение себестоимости изготовления биполярной пластины щелочного ТЭ.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом изготовления биполярной пластины для щелочного ТЭ, который осуществляется пайкой порошкообразным серебром и проволочным припоем на основе серебра четырех никелевых деталей, две из которых являются тонколистовыми металлическими профилированными сепараторами, а две другие - металлическими рамками с пазами, согласно заявляемого технического решения детали биполярной пластины щелочного топливного элемента соединяются путем предварительного нанесения на соединяемые поверхности деталей слоя пористого мелкодисперсного металлического порошка, например никелевого, с последующим припеканием его к соединяемым поверхностям, заполнения пор припеченного слоя полисульфоном, компоновкой деталей в пакет и термопрессованием пакета. Тем самым между соединяемыми деталями биполярной пластины щелочного топливного элемента получается токопроводящий композитный слой никель-полисульфон, который герметично соединяет детали.

Размер частиц наносимого на соединяемые поверхности деталей пористого мелкодисперсного никелевого порошка должен находиться в пределах от 0,1 до 0,4 мкм. При размере меньше 0,1 мкм наблюдается повышенная пожароопасность никелевого порошка в результате его пирофорности, а при дисперсности выше 0,4 мкм для обеспечения требуемой прочности слоя необходима более высокая температура спекания порошка с деталями, что также не целесообразно.

На поверхность соединяемых деталей пористый мелкодисперсный никелевый порошок наносится толщиной от 10 до 15 мкм. Установлено, что при толщине слоя порошка менее 10 мкм технологически трудно обеспечить получение сплошного слоя никелевого порошка, толщина слоя более 15 мкм нецелесообразна из-за повышенного расхода никелевого порошка.

Припекание нанесенного пористого мелкодисперсного никелевого порошка к соединяемым поверхностям деталей осуществляется в интервале температур от 900°C до 1100°C. При температуре, меньшей 900°C, прочность сцепления порошка с поверхностью деталей недостаточна, а при температуре выше 1100°C в нанесенном на соединяемые детали слое пористого мелкодисперсного никелевого порошка происходит значительный рост размера частиц, который снижает пористость никелевого слоя.

Припекание нанесенного порошка проводится в защитной атмосфере, например в водороде, в течение от 5 до 10 мин. При проведении процесса припекания менее 5 мин не происходит полное спекание пористого мелкодисперсного никелевого порошка, а при времени более 10 мин, так же как и при температуре припекания выше 1100°C, происходит рост размера частиц порошка и снижение пористости никелевого слоя, что также нежелательно, так как при этом невозможно будет достигнуть оптимального соотношения никеля и полисульфона для получения прочного неразъемного токопроводящего композита никель-полисульфон. Пористость никелевых слоев, полученных описанным выше способом, должна находиться в пределах от 60% до 80%.

Для получения токопроводящего композиционного материала поры припеченного пористого слоя на соединяемых поверхностях деталей заполняют полисульфоном. Заполнение полисульфоном осуществляется путем пропитки припеченных пористых слоев, например никелевых, 15-25% раствором полисульфона в хлороформе и последующей сушкой при температуре от 25°C до 100°C для полного удаления хлороформа. Такую сушку необходимо проводить после каждой пропитки.

Опытным путем было определено, что использование для пропитки полученных припеченных пористых слоев из никелевого мелкодисперсного порошка раствором полисульфона в хлороформе менее 15% не позволяет полноценно заполнить поры припеченного никелевого пористого слоя, а при содержании полисульфона в растворе с хлороформом более 25% происходит быстрое заполнение пор верхней части слоя, которое не позволяет внедрить полисульфон в более глубокую часть пористого слоя.

При сушке пропитанного полисульфоном пористого никелевого слоя при температуре менее 25°C значительно увеличивается продолжительность сушки, что технологически нецелесообразно, а при температуре более 100°C на поверхности пропитанного полисульфоном пористого никелевого слоя образуется поверхностная пленка, которая может привести к его вспениванию и одновременно не позволяет удалить хлороформ из более глубинных слоев пористого никелевого слоя.

Операция пропитки припеченных пористых слоев из никелевого мелкодисперсного порошка должна повторяется 2-3 раза. Было установлено, что при числе пропиток, меньшем двух, количество вводимого полисульфона недостаточно, а для пропитки более трех раз соотношение никель - полисульфон превышает оптимальное и поэтому нецелесообразно.

Затем, подготовленные описанным выше способами детали для получения биполярной пластины щелочного ТЭ собирают в пакет и осуществляют термопрессование пакета при температуре от 250°C до 270°C.

В результате исследований было установлено, что при температуре, меньшей 250°C, не достигается полного соединения деталей, а при температурах выше 270°C начинается деструкция полисульфона, что снижает прочность и герметичность соединения.

ПРИМЕР

На фигуре приведена сборка биполярной пластины щелочного ТЭ, изготовленная согласно заявляемому способу.

Для изготовления биполярной пластины щелочного ТЭ используются четыре никелевых детали: две рамки (1) и два профилированных тонколистовых сепаратора (2). Наружные поверхности профилированных тонколистовых сепараторов (2) образуют полости для подачи топлива (3) и окислителя (4), а внутренние поверхности образуют полость теплоносителя (5).

Изготовление биполярной пластины щелочного ТЭ осуществляется следующим образом. На соединяемые поверхности никелевых деталей наносится слой никелевого порошка (6) толщиной 12 мкм. Для нанесения используется, например, спиртовая суспензия мелкодисперсного никелевого порошка со средним размером частиц 0,3 мкм никелевого порошка припекается к комплектующим деталям биполярной пластины при температуре 1050°C в течение 5 минут в атмосфере водорода.

Припеченный мелкодисперсный никелевый слой 2 раза пропитывается 20%-ным раствором полисульфона в хлороформе и высушивается при температуре 85°C до полного удаления хлороформа. Контроль полноты удаления хлороформа осуществляется взвешиванием. Отсутствие изменения массы деталей говорит об окончании процесса сушки.

Подготовленные таким образом к соединению детали в специальном приспособлении собираются пакет. Для создания неразъемного соединения пакет (сборка) деталей подвергается термопрессованию при температуре 270°C, обеспечивающей соединение всех деталей биполярной пластины для щелочного ТЭ. После охлаждения приспособления с деталями сборочное приспособление разбирается и собранная биполярная пластина извлекается.

Использование заявляемого способа изготовления биполярной пластины щелочного топливного элемента позволяет сократить стоимость изготовления биполярной пластины щелочного топливного элемента за счет отказа от использования дорогостоящих припоев на основе серебра.

Так при изготовлении биполярной пластины для одного топливного элемента полезной площадью электродов 700 см2 достигается экономия до 5 грамм серебросодержащего припоя.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Трубников И.Б., Павлов А.А., Меркушев В.И. и др. Биполярная для топливного элемента и способ ее изготовления. Патент № RU 2333575, МПК H01M 8/02, H01M 8/10, опубл. 10.09.2008.

2. Ю.Л. Голин, В.И. Окинчиц, И.Л. Бухлакова. Способ изготовления деталей с внутренними каналами. Авторское свидетельство СССР № SU 1225741, кл. B23K 31/02, 03.05.84.

1. Способ изготовления биполярной пластины для щелочного топливного элемента, состоящей из двух тонколистовых профилированных сепараторов и двух металлических рамок из никеля, отличающийся тем, что на соединяемые поверхности деталей наносится слой пористого мелкодисперсного никелевого порошка толщиной от 10 до 15 мкм с размером частиц от 0,1 до 0,4 мкм, с последующим припеканием его к поверхностям при температуре от 900°C до 1100°C в течение от 5 до 10 мин в защитной атмосфере, поры припеченного слоя заполняются 15-25% раствором полисульфона в хлороформе путем пропитки от 2 до 3 раз и последующей сушкой после каждой пропитки при температуре от 25°C до 100°C, затем детали собираются в пакет и с помощью термопрессования при температуре от 250°C до 270°C соединяются.

2. Способ изготовления биполярной пластины для щелочного топливного элемента по п. 1, отличающийся тем, что никелевый порошок наносится на соединяемые поверхности напылением спиртовой суспензии никелевого порошка.

3. Способ изготовления биполярной пластины для щелочного топливного элемента по п.1, отличающийся тем, что припекание осуществляется в защитной среде водорода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к топливному элементу с твердым полимерным электролитом, титановому материалу для применения в сепараторе, который представляет собой его компонент, и способу получения титанового материала.

Изобретение относится к композитному твердому электролиту на основе фаз, кристаллизующихся в системе Bi2O3-BaO-Fe2O3. При этом он содержит, мол.%: Bi2O3 - 67-79, BaO - 17-22, Fe2O3 - 2-16.

Изобретение относится к катодному материалу для твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) на основе никельсодержащих перовскитоподобных слоистых оксидов. При этом в качестве перовскитоподобного оксида взято соединение с общей формулой Pr2-xSrxNi1-yCoyO4-z, где 0.0<x<1.0; 0.0<y<1.0; -0.25≤z≤0.25.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом. Снижение поляризационного сопротивления электрода, а также улучшение протекания электродных реакций газообмена является техническим результатом предложенного изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления пористых катодных материалов на основе манганита лантана-стронция, и может быть использовано для изготовления твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), работающих при высоких температурах.

Изобретение относится к устройству электрохимического генератора с твердым электролитом, преимущественно для генераторов малой и средней мощности до 15÷20 кВт. Указанный генератор содержит заключенные в корпус с теплоизолирующими стенками, рабочую камеру с батареей топливных элементов, камеру сгорания, конвертор природного газа, каналы для подачи и отвода топлива и газов, при этом конвертор природного газа установлен в рабочей камере, генератор содержит теплообменник, смонтированный в теплоизолирующих стенках, при этом канал для подачи газа-окислителя в рабочую камеру образован пространством между камерой сгорания и рабочей камерой и соединен с каналом для подачи воздуха в теплообменник, каналы для отходящих газов которого соединены с камерой сгорания.

Изобретение относится к области химических источников тока, а именно к способам модификации полимерных перфторированных сульфокатионитных мембран, которые используют при изготовлении мембранно-электродных блоков (МЭБ), применяемых в топливных элементах (ТЭ) различного типа, в том числе в портативных электронных устройствах.

Предложена батарея твердооксидных топливных элементов, получаемая посредством способа, содержащего этапы: (a) формирование первого блока батареи топливных элементов путем чередования, по меньшей мере, одной соединительной пластины, по меньшей мере, с одной единицей топливного элемента, и обеспечение стеклянного уплотнителя в промежутке между соединительной пластиной и каждой единицей топливного элемента, при этом стеклянный уплотнитель содержит, в мас.%: 50-70 SiO2, 0-20 Al2O3, 10-50 CaO, 0-10 MgO, 0-6 (Na2O+K2O), 0-10 B2O3 и 0-5 функциональных элементов, выбранных из TiO2, ZrO2, F, P2O5, MoO3, Fe2O3, MnO2, La-Sr-Mn-O перовскита (LSM), и их комбинаций; (b) преобразование названного первого блока батареи топливных элементов во второй блок, имеющий толщину стеклянного уплотнителя 5-100 мкм, посредством нагревания названного первого блока до температуры 500°C или выше, и воздействия на батарею элементов давлением нагрузки от 2 до 20 кг/см2; (c) преобразование названного второго блока в конечный блок батареи топливных элементов посредством охлаждения второго блока из этапа (b) до температуры ниже, чем температура на этапе (b).

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения твердооксидного топливного элемента с двухслойным несущим катодом, который включает формование электродного и коллекторного слоев катода, их спекание, при этом на электродный слой катода наносят и припекают слой твердого стабилизированного иттрием (YSZ) электролита, на слой электролита наносят анод, после чего полученный элемент спекают, при этом коллекторный слой катода формуют из порошка манганита лантана стронция, а электродный слой - из смеси порошков манганита лантана стронция и оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

Изобретение относится к области катализа, а именно каталитическим активным пористым композитным материалам, которые могут быть использованы в качестве несущих электродов электрохимических устройств для получения водорода и/или кислорода либо высоко- и среднетемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Изобретение относится к топливному элементу с твердым полимерным электролитом, титановому материалу для применения в сепараторе, который представляет собой его компонент, и способу получения титанового материала.

Изобретение относится к проницаемому для ионов армированному сепаратору. При этом сепаратор содержит по меньшей мере один сепарационный элемент и по существу полый обходной канал, прилегающий к указанному по меньшей мере одному сепарационному элементу, причем указанный по меньшей мере один сепарационный элемент содержит связующее и оксид или гидроксид металла, диспергированный в нем, и указанный сепарационный элемент характеризуется давлением выдавливания первого пузырька по меньшей мере 1 бар и сопротивлением при обратной промывке по меньшей мере 1 бар, причем давление выдавливания первого пузырька определяется с помощью ASTM E128 и ISO 4003.

Предложен способ производства интерконнектора для топливного элемента или пакета топливных элементов, а также топливный элемент или пакет топливных элементов с интерконнектором, выполненным путем прессования металлического листа с формированием выступов с обеих сторон по меньшей мере одного металлического листа на калибровочном прессе при температуре от 600 до 925оС в течение от 0,5 до 10 часов.
Настоящее изобретение относится к полимерным протонпроводящим композиционным материалам. Описан полимерный протонпроводящий композиционный материал, включающий полимерную линейную матрицу, представляющую собой водный 2-9% раствор поливинилового спирта, содержащий наночастицы серебра размером 20-100 нм в концентрации 40-100 мг/л и диспергированный в ней протонпроводящий твердый электролит в виде фосфорно-вольфрамовой кислоты и пластификатора в виде глицерина при следующем соотношении компонентов, мас.%: водный раствор поливинилового спирта 38-69, фосфорно-вольфрамовая кислота 19-50, глицерин остальное.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения твердооксидного топливного элемента с двухслойным несущим катодом, который включает формование электродного и коллекторного слоев катода, их спекание, при этом на электродный слой катода наносят и припекают слой твердого стабилизированного иттрием (YSZ) электролита, на слой электролита наносят анод, после чего полученный элемент спекают, при этом коллекторный слой катода формуют из порошка манганита лантана стронция, а электродный слой - из смеси порошков манганита лантана стронция и оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

Изобретение относится к способу изготовления металлического стального сепаратора для топливных элементов, который обладает коррозионной стойкостью и контактным сопротивлением не только в начальной стадии, но также и после влияния условий высокой температуры и/или высокой влажности в топливном элементе в течение длительного периода времени.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению листа нержавеющей стали для сепаратора топливного элемента. Сталь имеет состав, мас.%: С: 0,01% или менее, Si: 1,0% или менее, Mn: 1,0% или менее, S: 0,01% или менее, Р: 0,05% или менее, Al: 0,20% или менее, N: 0,02% или менее, Cr: от 20 до 40%, Мо: 4,0% или менее и по крайней мере один элемент, выбранный из Nb, Ti и Zr: от 0,05 до 0,60% в сумме, и Fe и неизбежные примеси остальное.

Предложенное изобретение относится к области электротехники, а именно, к способу изготовления из листового материала сепаратора для топливного элемента, содержащего формованные или профилированные выпуклости и вогнутости, и устройству для изготовления указанного сепаратора.

Предложенное изобретение относится к биполярным пластинам топливных элементов (ТЭ). Предложенная биполярная пластина ТЭ круглой формы содержит разделительные пластины, имеющие среднюю зону, в которой каналы расположены по эвольвентам окружности, ограничивающей центральную зону, причем длина окружности, по которой строятся эвольвенты, равна произведению числа каналов на шаг, а шаг каналов равномерен по длине окружности, центральную зону, в которую входят внутренние концы эвольвентных каналов и ребра каналов которой на пластинах расположены таким образом, что при сборке они пересекаются, образуя плоские центральные коллекторы, периферийную кольцевую зону, состоящую из пересекающихся каналов и конических выступов, через которую организован подвод и отвод реагентов и хладагента к наружным концам соответствующих эвольвентных каналов.

Интерконнектор для топливного элемента, выполненный из штампованного металлического листа. Интерконнектор включает в себя впуски и выпуски, распределяющий поток впуск и уплотнительные поверхности зон выпуска, при этом пути потока на обеих сторонах интерконнектора полностью отформованы и образованы дискретными точечными или удлиненными выступами, изготовленными путем деформации листа.

Предложенный способ относится к области электротехники, а именно к газодиффузионному электроду и способу его изготовления, согласно которому обеспечивают первый слой, представляющий собой активный слой, посредством заливки пористой электропроводящей сетки суспензией частиц электропроводящего материала в растворе первого связующего вещества, обеспечивают второй слой посредством заливки первого слоя суспензией частиц гидрофобного материала в растворе второго связующего вещества и обеспечивают гидрофобный слой посредством инверсии фаз первого и второго слоев, посредством которой формируют пористость в обоих первом и втором слоях. Газодиффузионный электрод, изготавливаемый указанным способом, позволяет его использовать в качестве газодиффузионного электрода в мембранно-электродном блоке, содержащем мембрану, расположенную слоем между двумя электродами, при этом по меньшей мере один из электродов представляет собой газодиффузионный электрод. Технологичность предложенного способа позволяет изготавливать отливки мембранно-электродного блока за один проход с возможностью регулирования пористости газодиффузионного электрода, а также снизить его перенапряжение и увеличить срок службы, что является техническим результатом изобретения. 6 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил., 6 табл., 9 пр.
Наверх