RU2417485C2

RU2417485C2 - Unit of separating plate of fuel element (versions) and method of its manufacturing

Info

Publication number: RU2417485C2
Application number: RU2007129102/07A
Authority: RU
Inventors: Ричард Д. БРО (US); Ричард Д. БРО; Уоррен Л. ЛУОМА (US); Уоррен Л. ЛУОМА; Роберт П. РОШЕ (US); Роберт П. РОШЕ
Original assignee: ЮТиСи Пауэ Копэрейшн
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2011-04-27
Also published as: RU2007129102A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: unit of separating plate (20) for fuel elements includes a layer (22) of the separating plate and layers (24, 26) of flow fields. The layer (22) of the separating plate contains graphite and a hydrophobic polymer. The hydrophobic polymer of the separating plate layer (22) serves to fix the separating plate layer with layers of flows arranged at the opposite sides of the separating plate layer. In one example at least one of the layers (24, 26) of flow fields contains graphite and a hydrophobic polymer, and the layer of the flow field is hydrophobic and dense. In the other example two layers of flow fields containing graphite and hydrophobic polymer adjoin the opposite sides of the separating plate layer.

EFFECT: improved performance characteristics and reduction of cost.

30 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится, в общем, к топливным элементам. Более конкретно, данное изобретение относится к узлам разделительных пластин (составным разделительным пластинам) для топливных элементов.The invention relates generally to fuel cells. More specifically, the present invention relates to separation plate assemblies (composite separation plates) for fuel cells.

Уровень техникиState of the art

Топливные элементы хорошо известны. Анод и катод при соответствующих условиях функционируют известными способами, вырабатывая электроэнергию. Катод и анод обычно отделены друг от друга разделительной пластиной, проводящей электроны, но изолирующей электролит и реагенты смежных катодов и анодов.Fuel cells are well known. The anode and cathode, under appropriate conditions, operate by known methods, generating electricity. The cathode and anode are usually separated from each other by a separation plate that conducts electrons, but insulates the electrolyte and reagents of adjacent cathodes and anodes.

В соответствии с традиционной технологией, разделительная пластина прикрепляется к пластине катодного поля потока одного элемента и пластине анодного поля потока смежного элемента. При обычных способах прикрепления применяются фторуглеродные пленки, так как типичные разделительные пластины состоят из углерода. Обычно пластины полей потоков изготовляются из композиционного материала на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы (далее - "углерод-углеродный композит"). В большинстве конфигураций пластины полей потоков являются пористыми и гидрофильными, благодаря чему они используются в качестве резервуаров электролита, в которых известными способами может быть помещен избыточный электролит.In accordance with conventional technology, the separation plate is attached to the plate of the cathode field of the flow of one element and the plate of the anode field of the flow of the adjacent element. In conventional attachment methods, fluorocarbon films are used since typical spacer plates are carbon. Typically, flow field plates are made of a composite material based on carbon fiber and a carbonized matrix (hereinafter, “carbon-carbon composite”). In most configurations, flow field plates are porous and hydrophilic, which is why they are used as electrolyte reservoirs in which excess electrolyte can be placed by known methods.

Такие конфигурации имеют общепризнанные недостатки. Одно из улучшений предложено в патенте U.S. No.5,558,955, в котором предлагается пластина катодного поля потока, которая, в общих чертах, не имеет пор, или является плотной и гидрофобной. Конфигурация, предложенная в указанном документе, обладает лучшими свойствами по сравнению с традиционными конфигурациями, в которых по обе стороны углеродной разделительной пластины находятся пластины полей потоков, состоящие из углерод-углеродных композитов.Such configurations have recognized disadvantages. One of the improvements proposed in the patent U.S. No.5,558,955, which proposes a plate of the cathode field of a stream, which, in General terms, has no pores, or is dense and hydrophobic. The configuration proposed in this document has better properties compared to traditional configurations in which flow field plates consisting of carbon-carbon composites are located on both sides of the carbon dividing plate.

Специалисты в данной области постоянно стремятся к улучшениям. Отметим, в частности, что большую выгоду может принести создание более эффективных с экономической точки зрения составных разделительных пластин.Specialists in this field are constantly striving for improvements. We note, in particular, that the creation of more economically efficient composite separation plates can bring great benefits.

Данное изобретение предлагает узел разделительной пластины, обладающий лучшими свойствами, чем традиционные конфигурации, лишенный их недостатков и обеспечивающий повышение экономической эффективности.The present invention provides a separation plate assembly having better properties than traditional configurations, devoid of their disadvantages and providing increased economic efficiency.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Пример узла разделительной пластины, применимого в топливных элементах, включает слой разделительной пластины. Первый слой поля потока, плотный и гидрофобный, содержит гидрофобный полимер, который скрепляет первый слой поля потока с первой стороной слоя разделительной пластины. Второй слой поля потока, плотный и гидрофобный, содержит гидрофобный полимер, скрепляющий второй слой поля потока со второй стороной слоя разделительной пластины.An example of a separation plate assembly useful in fuel cells includes a separation plate layer. The first layer of the flow field, dense and hydrophobic, contains a hydrophobic polymer that bonds the first layer of the flow field to the first side of the layer of the separation plate. The second layer of the flow field, dense and hydrophobic, contains a hydrophobic polymer bonding the second layer of the flow field to the second side of the separation plate layer.

В одном примере первый и второй слои полей потоков содержат пластинчатые частицы натурального графита и гидрофобный полимер.In one example, the first and second layers of the flow fields comprise lamellar particles of natural graphite and a hydrophobic polymer.

В одном примере слой разделительной пластины содержит графит и гидрофобный полимер. В этом примере гидрофобный полимер слоя разделительной пластины служит также для прикрепления слоев полей потоков к противоположным сторонам слоя разделительной пластины.In one example, the separation plate layer contains graphite and a hydrophobic polymer. In this example, the hydrophobic polymer of the separation plate layer also serves to attach flow field layers to opposite sides of the separation plate layer.

В другом примере разделительная пластина является углеродной разделительной пластиной.In another example, the spacer plate is a carbon spacer plate.

В другом примере узел разделительной пластины для топливных элементов имеет слой разделительной пластины, содержащий графит и гидрофобный полимер. Первый и второй слои полей потоков скрепляются с соответствующими противоположными сторонами слоя разделительной пластины по крайней мере посредством гидрофобного полимера, содержащегося в слое разделительной пластины. В одном примере по крайней мере один из слоев полей потоков содержит графит и гидрофобный полимер. В другом примере по крайней мере один из слоев полей потоков содержит пористый графит. В другом примере оба слоя потока содержат графит и гидрофобный полимер. В другом примере весь узел разделительной пластины является монолитной структурой, состоящей из сходных материалов. В этом примере не существует никакого разграничения по составу материала между слоем разделительной пластины и слоями полей потоков.In another example, the fuel cell separation plate assembly has a separation plate layer comprising graphite and a hydrophobic polymer. The first and second layers of the flow fields are bonded to the respective opposite sides of the separation plate layer, at least by the hydrophobic polymer contained in the separation plate layer. In one example, at least one of the layers of the flow fields contains graphite and a hydrophobic polymer. In another example, at least one of the layers of the flow fields contains porous graphite. In another example, both layers of the stream contain graphite and a hydrophobic polymer. In another example, the entire assembly of the separation plate is a monolithic structure consisting of similar materials. In this example, there is no distinction in material composition between the separation plate layer and the flow field layers.

Примерный способ изготовления узла разделительной пластины для топливных элементов включает формирование слоя разделительной пластины. По крайней мере один плотный и гидрофобный слой поля потока формируется из графита и гидрофобного полимера. Примерный способ включает прикрепление слоя поля потока к слою разделительной пластины посредством по крайней мере гидрофобного полимера, входящего в слой поля потока.An exemplary method of manufacturing a separation plate assembly for fuel cells involves forming a separation plate layer. At least one dense and hydrophobic layer of the flow field is formed from graphite and a hydrophobic polymer. An exemplary method involves attaching a layer of a flow field to a layer of a separation plate by at least a hydrophobic polymer entering the layer of a flow field.

В одном примере слой разделительной пластины формируется из графита и гидрофобного полимера. В подобных примерах два слоя скрепляются между собой гидрофобным полимером слоя разделительной пластины и гидрофобным полимером слоя поля потока.In one example, a separation plate layer is formed from graphite and a hydrophobic polymer. In such examples, the two layers are bonded to each other by a hydrophobic polymer of a separation plate layer and a hydrophobic polymer of a flow field layer.

Различные особенности и преимущества данного изобретения станут очевидными специалистам в данной области из следующего далее подробного описания предпочтительных в настоящее время воплощений. Чертежи, сопровождающие подробное описание, могут быть кратко охарактеризованы следующим образом.Various features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description of the currently preferred embodiments. The drawings accompanying the detailed description can be briefly described as follows.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 приведен схематический вид в перспективе примера узла разделительной пластины, соответствующего некоторому воплощению данного изобретения.1 is a schematic perspective view of an example of a dividing plate assembly according to an embodiment of the present invention.

На фиг.2-4 схематически представлен примерный способ изготовления узла разделительной пластины, в соответствии с некоторым воплощением данного изобретения.Figure 2-4 schematically shows an exemplary method of manufacturing a separation plate assembly, in accordance with some embodiment of the present invention.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг.1 показан узел 20 разделительной пластины, применимый в топливных элементах. Узел 20 разделительной пластины данного примера имеет слой 22 разделительной пластины. Слой 24 первого потока прикреплен к одной стороне слоя 22 разделительной пластины. Слой 26 второго потока прикреплен ко второй стороне (находящейся напротив первой стороны) слоя 22 разделительной пластины.Figure 1 shows the separation plate assembly 20 applicable in fuel cells. The separation plate assembly 20 of this example has a separation plate layer 22. The first stream layer 24 is attached to one side of the separation plate layer 22. Layer 26 of the second stream is attached to the second side (opposite the first side) of the separation plate layer 22.

Каждый из слоев 24, 26 потоков имеет каналы, которые могут быть известными способами сформированы в слое потока. Первый слой 24 потока имеет группу каналов 28, а второй слой 26 потока - группу каналов 30. Предпочтительно, чтобы каналы были направлены взаимно перпендикулярно, как показано на фиг.1.Each of the layers 24, 26 flows has channels that can be formed by known methods in the layer of the stream. The first flow layer 24 has a group of channels 28, and the second flow layer 26 has a group of channels 30. Preferably, the channels are directed mutually perpendicularly, as shown in FIG.

Материалы, выбираемые для формирования различных слоев узла 20 разделительной пластины, могут варьироваться, чтобы удовлетворять требованиям, обусловленным конкретными ситуациями. Несколько не имеющих аналогов сочетаний материалов описаны в качестве примерных воплощений данного изобретения.The materials selected to form the different layers of the separation plate assembly 20 may vary to suit specific situations. Several unmatched combinations of materials are described as exemplary embodiments of the present invention.

В одном примере слой 22 разделительной пластины содержит графит и гидрофобный полимер. В одном примере графит представляет собой натуральные пластинки графита, а гидрофобный полимер - фторзамещенный полимер. Натуральные пластинки графита в одном примере могут быть термически очищены до такой степени, как в продукте SGC 2900, поставляемом компанией Superior Graphite Company (Чикаго, штат Иллинойс), с целью уменьшить коррозию графита. Фторзамещенный полимер, фигурирующий в одном примере, предлагается компанией DuPont под торговой маркой FEP TEFLON. Могут применяться также тефлоны типа PFA.In one example, the separation plate layer 22 contains graphite and a hydrophobic polymer. In one example, graphite is a natural graphite plate, and the hydrophobic polymer is a fluorine-substituted polymer. Natural graphite plates in one example can be thermally cleaned to the same extent as SGC 2900, supplied by Superior Graphite Company (Chicago, Illinois), in order to reduce graphite corrosion. The fluorinated polymer in one example is offered by DuPont under the brand name FEP TEFLON. Teflons of the PFA type can also be used.

В одном примере слой 22 разделительной пластины содержит от 70% до 80% пластинчатого графита, оставшаяся часть представляет собой гидрофобный полимер. В одном предпочтительном примере содержание гидрофобного полимера составляет 25%, а содержание пластинчатого графита - 75%.In one example, the separation plate layer 22 contains from 70% to 80% lamellar graphite, the remainder being a hydrophobic polymer. In one preferred example, the hydrophobic polymer content is 25% and the plate graphite content is 75%.

Одно из преимуществ применения графита и гидрофобного полимера для формирования слоя 22 разделительной пластины состоит в том, что содержащийся в слое 22 разделительной пластины гидрофобный полимер может служить для прикрепления одного или большего числа слоев 24, 26 потоков к слою 22 разделительной пластины. При такой конфигурации в процессе производства становятся ненужными межслойные пленки, благодаря чему снижаются стоимость материалов и трудоемкость.One of the advantages of using graphite and a hydrophobic polymer to form the separation plate layer 22 is that the hydrophobic polymer contained in the separation plate layer 22 can serve to attach one or more layers 24, 26 of the flows to the separation plate layer 22. With this configuration, interlayer films become unnecessary during the manufacturing process, thereby reducing the cost of materials and labor intensity.

В другом примере узел разделительной пластины включает слой 22 разделительной пластины, сформированный из графита и гидрофобного полимера. По крайней мере один из слоев 24, 26 потоков содержит графит и гидрофобный полимер. Для формирования слоя потока и слоя разделительной пластины используются разные соотношения графита и гидрофобного полимера. В одном примере слой 24 потока состоит приблизительно из 11% FEP-тефлона, взятого в качестве гидрофобного полимера, и приблизительно из 89% пластинчатого графита. Слой 22 разделительной пластины в этом примере содержит графит в количестве 75% и FEP-тефлон в количестве 25%.In another example, the separation plate assembly includes a separation plate layer 22 formed of graphite and a hydrophobic polymer. At least one of the layers 24, 26 flows contains graphite and a hydrophobic polymer. Different ratios of graphite and hydrophobic polymer are used to form the flow layer and the separation plate layer. In one example, stream layer 24 consists of approximately 11% FEP Teflon, taken as a hydrophobic polymer, and approximately 89% lamellar graphite. The separation plate layer 22 in this example contains graphite in an amount of 75% and FEP-Teflon in an amount of 25%.

В другом примере один из слоев потоков содержит пористый графит. В одном примере слой 22 разделительной пластины содержит 75% графита и 25% полимера, слой 26 потока содержит 89% графита, и слой 24 потока содержит пористый графит.In another example, one of the stream layers contains porous graphite. In one example, the separation plate layer 22 contains 75% graphite and 25% polymer, the flow layer 26 contains 89% graphite, and the flow layer 24 contains porous graphite.

Предпочтительно применять для формирования слоя 22 разделительной пластины более высокую концентрацию гидрофобного полимера, чтобы обеспечить достаточно низкую скорость диффузии водорода в направлении, поперечном по отношению к слою разделительной пластины. Кроме того, достаточно высокое содержание гидрофобного полимера в слое 22 разделительной пластины обеспечивает достаточно низкую скорость переноса кислоты через разделительную пластину. Слой разделительной пластины, изготовленный в соответствии с одним из воплощений данного изобретения, позволяет достичь беспрецедентно низкой скорости переноса кислоты по сравнению с предшествующими конфигурациями.It is preferable to use a higher concentration of hydrophobic polymer to form the layer 22 of the separation plate in order to provide a sufficiently low hydrogen diffusion rate in the direction transverse to the layer of the separation plate. In addition, a sufficiently high content of hydrophobic polymer in the layer 22 of the separation plate provides a sufficiently low rate of acid transfer through the separation plate. A separation plate layer made in accordance with one embodiment of the present invention achieves an unprecedentedly low acid transfer rate compared to previous configurations.

В одном примере оба слоя 24 и 26 потоков формируются с использованием графита и гидрофобного полимера. При такой конфигурации гидрофобный полимер каждого слоя служит для прикрепления этого слоя к соответствующему смежному слою. Как и раньше, тот факт, что гидрофобный полимер по крайней мере одного из слоев служит для прикрепления этого слоя к следующему слою, устраняет необходимость использовать межслойные пленки, полимеры или клеи для скрепления слоев.In one example, both stream layers 24 and 26 are formed using graphite and a hydrophobic polymer. With this configuration, the hydrophobic polymer of each layer serves to attach this layer to the corresponding adjacent layer. As before, the fact that the hydrophobic polymer of at least one of the layers serves to attach this layer to the next layer eliminates the need to use interlayer films, polymers or adhesives to bond the layers.

В одном примере слой 22 разделительной пластины также содержит графит и гидрофобный полимер. Гидрофобный полимер может представлять собой любой термопласт, который химически и физически совместим со средой, создающейся в топливном элементе, и имеет поверхностную энергию, меньшую 25 дин/см.In one example, the separation plate layer 22 also contains graphite and a hydrophobic polymer. The hydrophobic polymer can be any thermoplastic that is chemically and physically compatible with the environment created in the fuel cell and has a surface energy of less than 25 dyne / cm.

В одном примере узел разделительной пластины включает слой 22 разделительной пластины, содержащий от примерно 15% до примерно 30% тефлона марки FEPTE9050, предлагаемого компанией DuPont. Соответственно, остальную часть материала слоя 22 разделительной пластины составляет термически очищенный пластинчатый графит степени очистки, соответствующей материалу #2901C компании Superior Graphite Company. В одном предпочтительном примере приблизительно 25% FEP-тефлона, взятого в качестве гидрофобного полимера, сочетаются примерно с 75% пластинчатого графита. Такой предпочтительный состав обеспечивает коэффициент теплопроводности, равный 4,2 БТЕ/ч/фут/°F (1 БТЕ=0,252 ккал), электрическое сопротивление, соответствующее падению напряжения на величину 0,055 мВ на 1 мил толщины (0,254 мм) при токе, равном 100 А/кв. фут (0,1 А/см²), пористость, равную примерно 2-3%, средний размере пор, равный 0,005 микрона, поверхностную энергию, равную примерно 35 дин/см, коэффициент теплового расширения, равный примерно 5-10 миллионных долей на °F, и коррозионный ток, примерно равный (при 1150 мВ в течение 100 минут) 0,5 мкА/мг в 100%-ной Н₃РO₄ при 400°F (204,4°C).In one example, the separation plate assembly includes a separation plate layer 22 containing from about 15% to about 30% of FEPTE9050 grade Teflon offered by DuPont. Accordingly, the remainder of the material of the separation plate layer 22 is thermally purified lamellar graphite with a degree of purification corresponding to Superior Graphite Company material # 2901C. In one preferred example, approximately 25% of the FEP Teflon, taken as a hydrophobic polymer, combines with approximately 75% of lamellar graphite. Such a preferred composition provides a thermal conductivity of 4.2 BTU / h / ft / ° F (1 BTU = 0.252 kcal), an electrical resistance corresponding to a voltage drop of 0.055 mV per 1 mil of thickness (0.254 mm) at a current of 100 A / sq. ft (0.1 A / cm ² ), porosity of about 2-3%, average pore size of 0.005 microns, surface energy of about 35 dyne / cm, thermal expansion coefficient of about 5-10 ppm ° F, and a corrosion current of approximately equal (at 1150 mV for 100 minutes) 0.5 μA / mg in 100% H ₃ PO ₄ at 400 ° F (204.4 ° C).

В другом примере оба слоя 24 и 26 потоков содержат графит и гидрофобный полимер. Слой 22 разделительной пластины содержит углерод и формируется как обычный слой разделительной пластины.In another example, both layers 24 and 26 of the stream contain graphite and a hydrophobic polymer. The separation plate layer 22 contains carbon and is formed as a conventional separation plate layer.

В другом примере узел 20 разделительной пластины имеет монолитную структуру, где поля 24, 26 потоков и слой 22 разделительной пластины имеют однородный состав, и в узле разделительной пластины отсутствуют какие-либо дискретные области. Другими словами, узел 20 разделительной пластины данного примера имеет однородный состав материала во всем объеме узла разделительной пластины, и отсутствуют какие-либо границы между слоями 22, 24 и 26, обусловленные различиями по составу или по физическим свойствам.In another example, the separation plate assembly 20 has a monolithic structure where the flow fields 24, 26 and the separation plate layer 22 have a uniform composition and there are no discrete regions in the separation plate assembly. In other words, the separation plate assembly 20 of this example has a uniform material composition throughout the entire volume of the separation plate assembly, and there are no boundaries between layers 22, 24, and 26 due to differences in composition or physical properties.

Узел 20 разделительной пластины примера содержит пластинчатый графит и гидрофобный полимер. В одном примере монолитный узел 20 разделительной пластины содержит приблизительно 15-25% гидрофобного полимера, а остальную часть составляет пластинчатый графит. Один предпочтительный состав содержит 20% гидрофобного полимера, а остальную часть составляет термически очищенный пластинчатый графит.The dividing plate assembly 20 of the example contains lamellar graphite and a hydrophobic polymer. In one example, the monolithic unit 20 of the separation plate contains approximately 15-25% hydrophobic polymer, and the rest is lamellar graphite. One preferred composition contains 20% hydrophobic polymer, and the remainder is thermally purified lamellar graphite.

Примерные способы изготовления такого узла разделительной пластины (см. фиг.2-4) включают применение пресс-формы 40, имеющей формообразующее углубление 42, и соответствующего ему поршня (плунжера) 44, используемых для формирования слоев узла разделительной пластины. Как схематично показано на фиг.2, слой 26 потока может быть заранее создан в форме 40 путем помещения в нее соответствующего количества материала выбранного состава, требуемого для формирования слоя 26 потока. Для целей обсуждения описываемый примерный способ включает применение графита и гидрофобного полимера при формировании всех трех слоев узла разделительной пластины. В данном примере соответствующая смесь, состоящая из графита и гидрофобного полимера, помещается в углубление 42 формы. Поршень 44, соответствующий форме, уплотняет смесь при требуемом давлении, например, равном 2000 фунтов/кв. дюйм (13970 кПа).Exemplary methods for manufacturing such a separation plate assembly (see FIGS. 2-4) include the use of a mold 40 having a shaping recess 42 and a corresponding piston (plunger) 44 used to form the layers of the separation plate assembly. As shown schematically in FIG. 2, the flow layer 26 can be pre-created in form 40 by placing in it an appropriate amount of material of the selected composition required to form the flow layer 26. For discussion purposes, the described exemplary method involves the use of graphite and a hydrophobic polymer in the formation of all three layers of the separation plate assembly. In this example, the corresponding mixture, consisting of graphite and a hydrophobic polymer, is placed in the recess 42 of the form. An appropriate shape piston 44 compacts the mixture at the desired pressure, for example 2000 psi. inch (13970 kPa).

Затем для формирования слоя 22 разделительной пластины, как схематично показано на фиг.3, на верхнюю поверхность уплотненного материала слоя 26 потока помещается смесь графита и гидрофобного полимера. Как сказано выше, предпочтителен такой состав смеси графита и полимера для слоя 22 разделительной пластины, который имеет более высокое содержание гидрофобного полимера, что позволяет достичь благоприятных (малых) величин диффузии в газовой фазе и скорости переноса кислоты, как указано выше. Когда материал слоя 22 разделительной пластины помещен в полость 42, поршень 44 уплотняет как этот слой, так и слой 26 потока, развивая давление, равное, например, 2000 фунтов/кв. дюйм (13970 кПа), нужное для уплотнения обоих слоев.Then, to form a layer 22 of the separation plate, as shown schematically in FIG. 3, a mixture of graphite and a hydrophobic polymer is placed on the upper surface of the densified material of the flow layer 26. As mentioned above, such a mixture of graphite and polymer is preferable for the separation plate layer 22, which has a higher hydrophobic polymer content, which allows to achieve favorable (small) diffusion values in the gas phase and acid transfer rate, as described above. When the material of the separation plate layer 22 is placed in the cavity 42, the piston 44 compacts both this layer and the flow layer 26, developing a pressure of, for example, 2000 psi. inch (13970 kPa) needed to seal both layers.

Как схематично показано на фиг.4, для формирования слоя 22 разделительной пластины в углубление 42 формы помещается слой смеси графита и гидрофобного полимера, который соприкасается со слоем уплотненного материала. Слой 24 для формирования потока в иллюстрирующем примере помещается поверх уплотненного материала слоя разделительной пластины 22. Затем с помощью поршня 44 сжатию подвергаются все три слоя при нужном давлении, например, равном 2000 фунтов/кв. дюйм (13970 кПа).As shown schematically in FIG. 4, to form a layer 22 of the separation plate, a layer of a mixture of graphite and a hydrophobic polymer that is in contact with the layer of compacted material is placed in the recess 42 of the mold. The flow forming layer 24 in the illustrative example is placed on top of the densified material of the separation plate layer 22. Then, using the piston 44, all three layers are compressed at the desired pressure, for example 2000 psi. inch (13970 kPa).

После уплотнения всех слоев они примыкают друг к другу в желательной конфигурации; далее весь узел пластины нагревается до температуры, равной в одном примере примерно 650°F (343,3°С) при давлении 750 фунтов/кв. дюйм (5171 кПа) в течение примерно двадцати минут. Затем весь узел пластины охлаждается при том же давлении до температуры, меньшей 400°F (204,4°C). Охлаждение до температуры окружающей среды может производиться при меньшем давлении (то есть, меньшем 750 фунтов/кв. дюйм (5171 кПа)). При нагревании узла пластины до 650°F (343,3°С) гидрофобный полимер плавится, что позволяет ему проникать в пустоты между частицами графита. Это делает пористость слоя минимальной. При охлаждении слоя до 400°F (204,4°С) расплавленный полимер затвердевает, в результате чего происходит скрепление графитовых частиц и слоев.After compaction of all layers, they are adjacent to each other in the desired configuration; further, the entire plate assembly is heated to a temperature equal in one example to about 650 ° F. (343.3 ° C.) at a pressure of 750 psi. inch (5171 kPa) for about twenty minutes. The entire plate assembly is then cooled at the same pressure to a temperature lower than 400 ° F (204.4 ° C). Cooling to ambient temperature can be done at lower pressures (i.e., less than 750 psi (5171 kPa)). When the plate assembly is heated to 650 ° F (343.3 ° C), the hydrophobic polymer melts, which allows it to penetrate into the voids between the graphite particles. This makes the porosity of the layer minimal. As the layer cools to 400 ° F (204.4 ° C), the molten polymer solidifies, resulting in the bonding of graphite particles and layers.

Весь узел пластины может быть далее извлечен из углубления 42 формы, а затем отделимые (антиадгезионные) пленки, покрывавшие самые внешние поверхности узла разделительной пластины, могут быть удалены. Далее в слоях потоков могут быть известными способами сформированы каналы для полей потоков.The entire plate assembly can be further removed from the mold recess 42, and then the separable (release) films covering the outermost surfaces of the separation plate assembly can be removed. Further, channels for stream fields can be formed in the layers of the flows by known methods.

В примере, где только слой 22 разделительной пластины содержит графит и гидрофобный полимер, слои потоков могут быть сформированы заранее, а уплотнение, описанное выше, может потребоваться только после помещения в углубление формы материала для слоя 22 разделительной пластины.In an example where only the separation plate layer 22 contains graphite and a hydrophobic polymer, the flow layers may be formed in advance, and the seal described above may be required only after the material has been inserted into the recess for the separation plate layer 22.

В другом примере порошкообразные материалы для слоев 26, 22, 24 последовательно загружаются в форму без какого-либо уплотнения при комнатной температуре.In another example, the powder materials for layers 26, 22, 24 are sequentially loaded into the mold without any compaction at room temperature.

В примере, где только один слой потока содержит графит и гидрофобный полимер, последовательность этапов термообработки, описанная выше, может выполняться после завершения этапов, результат которых схематично показан на фиг.3, например, при изготовлении пластины неполного состава, которая далее может быть известными способами скреплена с другим слоем потока.In the example where only one layer of the stream contains graphite and a hydrophobic polymer, the heat treatment sequence described above can be performed after the completion of the steps, the result of which is schematically shown in figure 3, for example, in the manufacture of a plate of incomplete composition, which can then be known by methods bonded to another layer of flow.

В другом примере узлы 20 разделительных пластин могут быть подвергнуты уплотнению с помощью сдвоенного пресса с бесконечным формоносителем, который работает известным способом.In another example, the nodes 20 of the separation plates can be subjected to compaction using a dual press with an endless mold carrier, which operates in a known manner.

Формирование плотных гидрофобных слоев потоков на противоположных сторонах слоя разделительной пластины и использование гидрофобного полимера, содержащегося в слое потока, для прикрепления указанных слоев к слою разделительной пластины обеспечивает улучшенную конфигурацию, как указано выше. Для такой конфигурации возможно улучшить эксплуатационные показатели и снизить стоимость. Применение слоя разделительной пластины, содержащего графит и гидрофобный полимер, также способствует улучшению эксплуатационных показателей и снижению стоимости. Для того чтобы удовлетворить требованиям, обусловленным конкретными ситуациями, могут применяться сочетания одного или нескольких таких слоев. Специалисты в данной области, которым данное описание может оказаться полезным, смогут решить, какие именно сочетания окажутся наиболее эффективными в конкретных ситуациях.The formation of dense hydrophobic layers of flows on opposite sides of the layer of the separation plate and the use of the hydrophobic polymer contained in the layer of flow to attach these layers to the layer of the separation plate provides an improved configuration, as described above. For such a configuration, it is possible to improve performance and reduce cost. The use of a layer of a separation plate containing graphite and a hydrophobic polymer also helps to improve performance and lower costs. In order to satisfy the requirements arising from specific situations, combinations of one or more of these layers may be used. Specialists in this field, which may find this description useful, will be able to decide which particular combinations will be most effective in specific situations.

Данное выше описание следует рассматривать как иллюстративное и не имеющее ограничительного характера. Вариации и модификации описанных примеров, которые могут оказаться очевидными для специалистов в данной области, необязательно будут выходить за пределы области, соответствующей сущности данного изобретения. Рамки патентно-правовой защиты данного изобретения могут быть определены только в результате изучения следующей далее формулы изобретения.The above description should be considered as illustrative and not restrictive. Variations and modifications of the described examples, which may be apparent to those skilled in the art, will not necessarily go beyond the scope of the invention. The scope of patent protection of this invention can only be determined by studying the following claims.

Claims

1. Узел разделительной пластины для топливных элементов, отличающийся тем, что он содержит слой разделительной пластины, первый плотный гидрофобный слой поля потока, примыкающий к первой стороне слоя разделительной пластины, и второй плотный гидрофобный слой поля потока, примыкающий ко второй стороне слоя разделительной пластины.1. The fuel plate separation plate assembly, characterized in that it comprises a separation plate layer, a first dense hydrophobic layer of the flow field adjacent to the first side of the separation plate layer, and a second dense hydrophobic layer of the flow field adjacent to the second side of the separation plate layer.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что первый и второй слои полей потоков содержат пластинчатый графит и гидрофобный полимер.2. The node according to claim 1, characterized in that the first and second layers of the flow fields contain lamellar graphite and a hydrophobic polymer.

3. Узел по п.2, отличающийся тем, что графит является натуральным пластинчатым графитом.3. The node according to claim 2, characterized in that the graphite is a natural plate graphite.

4. Узел по п.3, отличающийся тем, что графит является термически очищенным натуральным пластинчатым графитом.4. The node according to claim 3, characterized in that the graphite is a thermally purified natural lamellar graphite.

5. Узел по п.4, отличающийся тем, что слой разделительной пластины является углеродной разделительной пластиной.5. The node according to claim 4, characterized in that the layer of the separation plate is a carbon separation plate.

6. Узел по п.2, отличающийся тем, что слой разделительной пластины содержит пластинчатый графит и гидрофобный полимер.6. The node according to claim 2, characterized in that the layer of the separation plate contains plate graphite and a hydrophobic polymer.

7. Узел по п.6, отличающийся тем, что гидрофобный полимер имеет поверхностную энергию, меньшую 25 дин/см.7. The node according to claim 6, characterized in that the hydrophobic polymer has a surface energy of less than 25 dyne / cm.

8. Узел по п.6, отличающийся тем, что графит, содержащийся в слое разделительной пластины, является термически очищенным натуральным пластинчатым графитом.8. The node according to claim 6, characterized in that the graphite contained in the layer of the separation plate is a thermally cleaned natural plate graphite.

9. Узел по п.6, отличающийся тем, что первый и второй слои полей потоков содержат смесь пластинчатого графита и гидрофобного полимера, характеризующуюся первым процентным соотношением, а слой разделительной пластины содержит смесь пластинчатого графита и гидрофобного полимера, характеризующуюся вторым процентным соотношением, отличным от первого процентного отношения.9. The node according to claim 6, characterized in that the first and second layers of the flow fields contain a mixture of plate graphite and a hydrophobic polymer, characterized by a first percentage, and the layer of the separation plate contains a mixture of plate graphite and a hydrophobic polymer, characterized by a second percentage, different from first percentage.

10. Узел по п.6, отличающийся тем, что слой разделительной пластины содержит примерно от 70 до 80% пластинчатого графита, а оставшуюся часть составляет гидрофобный полимер.10. The node according to claim 6, characterized in that the layer of the separation plate contains from about 70 to 80% of plate graphite, and the remainder is a hydrophobic polymer.

11. Узел по п.6, отличающийся тем, что он состоит из однородного материала, являющегося смесью пластинчатого графита и гидрофобного полимера.11. The node according to claim 6, characterized in that it consists of a homogeneous material, which is a mixture of plate graphite and a hydrophobic polymer.

12. Узел по п.11, отличающийся тем, что каждый слой содержит примерно 80% пластинчатого графита и примерно 20% гидрофобного полимера.12. The node according to claim 11, characterized in that each layer contains about 80% plate graphite and about 20% hydrophobic polymer.

13. Узел по п.2, отличающийся тем, что гидрофобный полимер установлен с возможностью скрепления слоев полей потоков со слоем разделительной пластины.13. The node according to claim 2, characterized in that the hydrophobic polymer is installed with the possibility of bonding the layers of the fields of flows with a layer of a separation plate.

14. Узел разделительной пластины для топливных элементов, отличающийся тем, что он содержит слой разделительной пластины, содержащий пластинчатый графит и гидрофобный полимер, и первый и второй слои полей потоков, смежные соответствующим противоположным сторонам слоя разделительной пластины.14. A separation plate assembly for fuel cells, characterized in that it comprises a separation plate layer comprising lamellar graphite and a hydrophobic polymer, and first and second layers of flow fields adjacent to respective opposite sides of the separation plate layer.

15. Узел по п.14, отличающийся тем, что слой поля потока скреплен со слоем разделительной пластины по крайней мере гидрофобным полимером, содержащимся в слое разделительной пластины.15. The node according to 14, characterized in that the layer of the flow field is bonded to the layer of the separation plate with at least a hydrophobic polymer contained in the layer of the separation plate.

16. Узел по п.14, отличающийся тем, что по крайней мере один из слоев полей потоков является плотным и гидрофобным и содержит пластинчатый графит и гидрофобный полимер.16. The node according to 14, characterized in that at least one of the layers of the fields of the flows is dense and hydrophobic and contains plate graphite and a hydrophobic polymer.

17. Узел по п.16, отличающийся тем, что первый и второй слои полей потоков содержат смесь пластинчатого графита и гидрофобного полимера, характеризующуюся первым процентным соотношением, а слой разделительной пластины содержит смесь пластинчатого графита и гидрофобного полимера, характеризующуюся вторым процентным соотношением, отличным от первого процентного отношения.17. The node according to clause 16, wherein the first and second layers of the flow fields contain a mixture of plate graphite and a hydrophobic polymer, characterized by a first percentage, and the layer of the separation plate contains a mixture of plate graphite and a hydrophobic polymer, characterized by a second percentage, different from first percentage.

18. Узел по п.16, отличающийся тем, что оба слоя поля потоков являются плотными и гидрофобными.18. The node according to clause 16, characterized in that both layers of the flow field are dense and hydrophobic.

19. Узел по п.18, отличающийся тем, что он состоит из однородного материала, являющегося смесью пластинчатого графита и гидрофобного полимера.19. The node according to p. 18, characterized in that it consists of a homogeneous material, which is a mixture of plate graphite and a hydrophobic polymer.

20. Узел по п.19, отличающийся тем, что каждый из слоев содержит примерно 80% пластинчатого графита и примерно 20% гидрофобного полимера.20. The node according to claim 19, characterized in that each of the layers contains approximately 80% plate graphite and approximately 20% hydrophobic polymer.

21. Узел по п.20, отличающийся тем, что пластинчатый графит является термически очищенным натуральным пластинчатым графитом.21. The node according to claim 20, characterized in that the plate graphite is a thermally purified natural plate graphite.

22. Узел по п.20, отличающийся тем, что гидрофобный полимер имеет поверхностную энергию, меньшую 25 дин/см.22. The node according to claim 20, characterized in that the hydrophobic polymer has a surface energy of less than 25 dyne / cm.

23. Узел по п.14, отличающийся тем, что гидрофобный полимер имеет поверхностную энергию, меньшую 25 дин/см.23. The site of claim 14, wherein the hydrophobic polymer has a surface energy of less than 25 dyne / cm.

24. Узел по п.14, отличающийся тем, что один из слоев полей потоков является пористым и содержит графит.24. The node according to 14, characterized in that one of the layers of the flow fields is porous and contains graphite.

25. Узел по п.14, отличающийся тем, что слой разделительной пластины содержит примерно от 70 до 80% пластинчатого графита, а остальную часть составляет гидрофобный полимер.25. The node according to p. 14, characterized in that the layer of the separation plate contains from about 70 to 80% of plate graphite, and the rest is a hydrophobic polymer.

26. Способ изготовления узла разделительной пластины для топливных элементов, отличающийся тем, что формируют слой разделительной пластины с использованием пластинчатого графита и гидрофобного полимера, формируют по крайней мере один слой поля потока с использованием пластинчатого графита и гидрофобного полимера, причем по крайней мере один из этих слоев является плотным и гидрофобным, затем прикрепляют слой поля потока к слою разделительной пластины посредством гидрофобного полимера.26. A method of manufacturing a separation plate assembly for fuel cells, characterized in that the separation plate is formed using lamellar graphite and a hydrophobic polymer, at least one layer of the flow field is formed using lamellar graphite and a hydrophobic polymer, at least one of these layers is dense and hydrophobic, then the flow field layer is attached to the separation plate layer by means of a hydrophobic polymer.

27. Способ по п.26, отличающийся тем, что формируют слой потока и слой разделительной пластины с использованием пластинчатого графита и гидрофобного полимера и затем прикрепляют слой поля потока к слою разделительной пластины посредством гидрофобного полимера, содержащегося в слое разделительной пластины и слое поля потока.27. The method of claim 26, wherein the flow layer and the separation plate layer are formed using lamellar graphite and a hydrophobic polymer, and then the flow field layer is attached to the separation plate layer by the hydrophobic polymer contained in the separation plate layer and the flow field layer.

28. Способ по п.26, отличающийся тем, что формируют два плотных гидрофобных слоя полей потоков с использованием пластинчатого графита и гидрофобного полимера и затем прикрепляют слои полей потоков к соответствующим противоположным сторонам слоя разделительной пластины посредством гидрофобного полимера, содержащегося в соответствующих слоях полей потоков.28. The method according to p. 26, characterized in that two dense hydrophobic layers of the flow fields are formed using lamellar graphite and a hydrophobic polymer, and then the layers of the flow fields are attached to the respective opposite sides of the separation plate layer by the hydrophobic polymer contained in the respective layers of the flow fields.

29. Способ по п.26, отличающийся тем, что при формировании слоя поля потока уплотняют пластинчатый графит и гидрофобный полимер, при формировании слоя разделительной пластины, примыкающего к уплотненному материалу слоя поля потока, уплотняют дополнительное количество пластинчатого графита и гидрофобного полимера, затем нагревают уплотненные материалы и тем самым скрепляют слой разделительной пластины со слоем поля потока.29. The method according to p. 26, characterized in that when forming the layer of the flow field, lamellar graphite and a hydrophobic polymer are compacted, when forming a layer of a separation plate adjacent to the densified material of the layer of the flow field, additional lamellar graphite and hydrophobic polymer are compacted, then the densified are heated materials and thereby fasten the layer of the separation plate with the layer of the flow field.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что перед нагреванием уплотняют дополнительное количество пластинчатого графита и гидрофобного полимера и тем самым формируют второй плотный и гидрофобный слой поля потока на противоположной стороне уплотненного слоя разделительной пластины, скрепляют два слоя полей потоков со слоем разделительной пластины посредством гидрофобного полимера, содержащегося соответственно в слоях полей потоков и в слое разделительной пластины. 30. The method according to clause 29, wherein before heating, an additional amount of lamellar graphite and a hydrophobic polymer is compacted and thereby a second dense and hydrophobic layer of the flow field is formed on the opposite side of the densified layer of the separation plate, two layers of flow fields are bonded to the layer of the separation plate by a hydrophobic polymer contained respectively in the layers of the flow fields and in the layer of the separation plate.