RU2723294C1 - Bipolar plate for stacks of fuel cells - Google Patents

Bipolar plate for stacks of fuel cells Download PDF

Info

Publication number
RU2723294C1
RU2723294C1 RU2019145110A RU2019145110A RU2723294C1 RU 2723294 C1 RU2723294 C1 RU 2723294C1 RU 2019145110 A RU2019145110 A RU 2019145110A RU 2019145110 A RU2019145110 A RU 2019145110A RU 2723294 C1 RU2723294 C1 RU 2723294C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
plate
collectors
bipolar plate
distribution
Prior art date
Application number
RU2019145110A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Петрович Мельников
Егор Александрович Левченко
Андрей Александрович Рычков
Александр Владимирович Сивак
Original Assignee
Акционерное общество "Группа компаний ИнЭнерджи" (АО "ГК ИнЭнерджи")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Группа компаний ИнЭнерджи" (АО "ГК ИнЭнерджи") filed Critical Акционерное общество "Группа компаний ИнЭнерджи" (АО "ГК ИнЭнерджи")
Priority to RU2019145110A priority Critical patent/RU2723294C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2723294C1 publication Critical patent/RU2723294C1/en
Priority to PCT/RU2020/000775 priority patent/WO2021137730A1/en
Priority to CN202080091747.6A priority patent/CN114946055A/en
Priority to ZA2022/08988A priority patent/ZA202208988B/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

FIELD: electrochemical power engineering.SUBSTANCE: invention relates to electrochemical power generation, in particular, to components of fuel cells (FC) with liquid, evaporation (i.e. with phase transition of coolant from liquid phase) or gas cooling, using polymer membrane, hydrogen and oxygen as electrolyte, fuel and oxidizer, respectively. Bipolar plate for stacks of fuel elements with liquid cooling consists of two identical in size and configuration sheet elements, symmetrical relative to their centers, each of which contains an active region, a system of gas collectors and reservoirs for a cooling agent, as well as a distribution zone of the cooling agent, gas distribution zones, area of gas collectors communication with gas distribution zone with perforation and area of gas collectors communication with gas distribution area without perforation. Active areas are corrugated with formation of longitudinal zigzag distribution channels on both sides of each of the system elements. One of the sheet elements constituting the bipolar plate is installed with rotation relative to the other one at angle of 180° relative to its longitudinal axis of symmetry. On the surfaces of distribution zones and communication areas structural ledges are made. Plate is made with contour laser welding. Collectors for coolant are arranged on opposite longitudinal ends of each plate element of plate.EFFECT: technical result of proposed solution is simple design of bipolar plate and its manufacturing process with simultaneous improvement of its operational characteristics.5 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электрохимической энергетике, в частности к компонентам топливных элементов (ТЭ) с жидкостным, испарительным (т.е. с фазовым переходом хладагента из жидкой фазы) или газовым охлаждением, использующим полимерную мембрану в качестве электролита, водород и кислород в качестве топлива и окислителя. Установки на ТЭ с биполярными пластинами данного типа могут быть использованы в автомобилестроении, авиастроении, судостроении, энергетической и электрохимической отраслях промышленности, а также для удовлетворения бытовых нужд при обеспечении различных объектов собственными автономными системами электропитания.The invention relates to electrochemical energy, in particular to components of fuel cells (TE) with liquid, evaporative (i.e., phase transition of the refrigerant from the liquid phase) or gas cooling using a polymer membrane as an electrolyte, hydrogen and oxygen as a fuel, and oxidizing agent. Installations on fuel cells with this type of bipolar plates can be used in the automotive, aircraft, shipbuilding, energy and electrochemical industries, as well as to meet domestic needs while providing various facilities with their own autonomous power supply systems.

Из предшествующего уровня техники известно устройство по патенту RU 114808 от 25.10.2011. Оно характеризуется организацией прямых газовых каналов для топливного и окислительного газов, а также внедрением в них перфорированных сеток для лучшего распределения охлаждающей жидкости внутри биполярной пластины. Данное решение существенно усложняет конструкцию изделия и повышает общий вес и габариты стека ТЭ. Дополнительным лишним утяжелением конструкции также является наличие токовых коллекторов в виде сетчатых электропроводящих элементов. Отдельно стоит отметить относительно небольшие коллекторы для охлаждающей жидкости и ее неравномерное распределение по биполярной пластине из-за их расположения по углам пластины. Кроме того, к недостаткам конструкции можно отнести то, что отверстия под стягивающие шпильки расположены в непосредственной близости к мембранно-электродному блоку. Такое решение неизбежно приведет к локальным напряжениям при сборке и стяжке стека ТЭ. Кроме того, в данной конструкции биполярной пластины предполагается наличие дополнительных, избыточных центровочных отверстий. Помимо всего прочего, соотношение площади активной области к общей площади биполярной пластины составляет не более 44%, что негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках стека ТЭ.From the prior art, the device according to the patent RU 114808 from 10.25.2011 is known. It is characterized by the organization of direct gas channels for fuel and oxidizing gases, as well as the introduction of perforated grids in them for better distribution of the coolant inside the bipolar plate. This solution significantly complicates the design of the product and increases the total weight and dimensions of the stack of fuel cells. An additional unnecessary weight of the design is the presence of current collectors in the form of mesh electrically conductive elements. Separately, it is worth noting the relatively small collectors for the coolant and its uneven distribution over the bipolar plate due to their location at the corners of the plate. In addition, the drawbacks of the design include the fact that the holes for the tightening studs are located in close proximity to the membrane-electrode block. Such a solution will inevitably lead to local stresses during the assembly and screed of the TE stack. In addition, in this design of the bipolar plate, additional, excessive centering holes are assumed. Among other things, the ratio of the area of the active region to the total area of the bipolar plate is not more than 44%, which negatively affects the operational characteristics of the fuel cell stack.

Известен также топливный элемент, содержащий биполярные пластины (RU 2328060 от 23.11.2006). Среди основных недостатков описанного в патенте устройства можно также выделить относительно небольшие коллекторы для охлаждающей жидкости и ее неравномерное распределение по биполярной пластине из-за их расположения по углам пластины и неоптимальную сложную геометрию газовых каналов типа «змеевик». Данный тип газовых каналов существенно увеличивает степень усвоения окислительного и топливного газов и понижает стехиометрические коэффициенты, что положительно сказывается на рабочих показателях стека ТЭ, однако, такое решение влечет за собой проблемы, связанные с неэффективным отводом паров генерируемой в реакции окисления воды с катодной стороны ТЭ.Also known is a fuel cell containing bipolar plates (RU 2328060 from 11.23.2006). Among the main disadvantages of the device described in the patent, relatively small collectors for the coolant and its uneven distribution over the bipolar plate due to their location at the corners of the plate and the non-optimal complex geometry of the gas channels of the “coil” type can also be distinguished. This type of gas channels significantly increases the degree of assimilation of oxidizing and fuel gases and lowers stoichiometric coefficients, which has a positive effect on the performance of the fuel cell stack, however, this solution entails problems associated with inefficient removal of vapors generated in the oxidation reaction of water from the cathode side of the fuel cell.

Известно также устройство по патенту RU 2262160 от 06.03.2002. Описанная в патенте биполярная пластина имеет прямые газовые каналы. Охлаждающая жидкость в стеке ТЭ проходит не через каждую биполярную пластину. Это существенно снижает эффективность охлаждающей системы стека ТЭ и приводит к сокращению его удельных мощностных характеристик и срока эксплуатации.The device according to the patent RU 2262160 dated 03/06/2002 is also known. The bipolar plate described in the patent has direct gas channels. The coolant in the fuel stack does not pass through each bipolar plate. This significantly reduces the efficiency of the cooling system of the fuel cell stack and leads to a reduction in its specific power characteristics and lifetime.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство по патенту CN 102969513, 03.12.2012. Существенным недостатком известного технического решения является предложение использовать прямые газовые распределительные каналы, для топливного и окислительного газов, что может привести к неэффективной работе стека топливного элемента. Данная геометрия каналов положительно сказывается на отводе водяных паров с катодной стороны ТЭ, однако при этом степень усвоения газовых реагентов сильно падает и приводит к увеличению стехиометрических коэффициентов топлива и окислителя. Кроме того, каналы для охлаждающей жидкости также выполнены прямыми, что значительно снижает эффективность охлаждения и в конечном итоге ухудшает эксплуатационные характеристики конструкции.The closest to the claimed technical essence and the achieved result is the device according to the patent CN 102969513, 03/03/2012. A significant drawback of the known technical solution is the proposal to use direct gas distribution channels for fuel and oxidizing gases, which can lead to inefficient operation of the fuel cell stack. This channel geometry has a positive effect on the removal of water vapor from the cathode side of the fuel cell, however, the degree of assimilation of gas reagents greatly decreases and leads to an increase in the stoichiometric coefficients of the fuel and oxidizer. In addition, the channels for the coolant are also made straight, which significantly reduces the cooling efficiency and ultimately degrades the operational characteristics of the structure.

Таким образом, известные из предшествующего уровня техники устройства имеют достаточно сложные конструкции, предполагающие использование дополнительного оборудования для их изготовления. При этом конструкции известных устройств не обеспечивают необходимую эффективность их работы.Thus, devices known from the prior art have rather complex structures involving the use of additional equipment for their manufacture. Moreover, the designs of known devices do not provide the necessary efficiency of their work.

Техническим результатом предложенного решения является упрощение конструкции биполярной пластины и процесса ее изготовления при одновременном улучшении ее эксплуатационных характеристик.The technical result of the proposed solution is to simplify the design of the bipolar plate and the manufacturing process while improving its operational characteristics.

Указанный технический результат достигается за счет того, что биполярная пластина состоит из двух одинаковых по размерам и конфигурации частей, в виде листовых элементов симметричных относительно своих центров, каждый их которых содержит активную область, систему газовых коллекторов и коллекторов для охлаждающего агента, а также распределительную зону охлаждающего агента, газовые распределительные зоны, области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной с перфорацией и области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной без перфорации. Активные области выполнены гофрированными с образованием на обеих сторонах каждого из листовых элементов системы продольных зигзагообразных распределительных каналов. Один из листовых элементов, составляющих биполярную пластину, установлен с поворотом по отношению к другому на угол 180° относительно своей продольной оси симметрии.This technical result is achieved due to the fact that the bipolar plate consists of two parts of the same size and configuration, in the form of sheet elements symmetrical with respect to their centers, each of which contains an active region, a system of gas collectors and collectors for a cooling agent, as well as a distribution zone cooling agent, gas distribution zones, communication areas of gas collectors with a gas distribution zone with perforation and communication areas of gas collectors with a gas distribution zone without perforation. The active regions are corrugated to form, on both sides of each sheet element, a system of longitudinal zigzag distribution channels. One of the sheet elements constituting the bipolar plate is mounted rotated with respect to the other by an angle of 180 ° relative to its longitudinal axis of symmetry.

Охлаждение биполярной пластины топливного элемента может быть жидкостным, испарительным (т.е. с фазовым переходом хладагента из жидкой фазы) или газовым.The cooling of the bipolar plate of the fuel cell can be liquid, evaporative (i.e. with a phase transition of the refrigerant from the liquid phase) or gas.

Части биполярной пластины, составляющие ее, представляют собой листовые пластинчатые элементы (далее - листовые элементы).The parts of the bipolar plate constituting it are sheet plate elements (hereinafter referred to as sheet elements).

Листовые элементы предпочтительно выполняются из фольги.The sheet elements are preferably made of foil.

На поверхностях распределительных зон и областей перехода (с перфорацией и без перфорации) выполнены конструкционные выступы. Причем выступы, выполненные в области газовой распределительной зоны, в отличие от выступов распределительной зоны охлаждающего агента и области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной, ориентированы по разные стороны пластинчатых листовых элементов биполярной пластины.On the surfaces of the distribution zones and transition areas (with and without perforation), structural protrusions are made. Moreover, the protrusions made in the region of the gas distribution zone, in contrast to the protrusions of the distribution zone of the cooling agent and the communication area of the gas collectors with the gas distribution zone, are oriented on different sides of the plate-like sheet elements of the bipolar plate.

По контуру биполярной пластины выполнена сварка, например, лазерная. Этот сварной контур не дает газам смешиваться как с водой, так и между собой, а также препятствует утечкам наружу. Кроме того, сварным контуром также обрамлены распределительные газовые зоны и места для отверстий под шпильки.Along the contour of the bipolar plate, welding, for example, laser, was performed. This welded circuit prevents the gases from mixing with both water and each other, and also prevents leakages to the outside. In addition, gas distribution zones and locations for stud holes are also framed by a welded circuit.

Преимуществом заявленного технического решения является, в частности, то, что листовые элементы, из которых она изготовлена, имеют одинаковую форму и размеры, и каждый из них симметричен относительно своей центральной точки. Листовые элементы пластины взаимозаменяемы и унифицированы. Это значительно упрощает процесс изготовления биполярной пластины, поскольку при этом есть возможность изготавливать только один тип листового элемента и не требуется осуществлять дополнительных действий по изготовлению каких-либо дополнительных конструктивных элементов. Кроме того, исполнение активной области каждого из листовых элементов гофрированной, позволяет создать (организовать) не только достаточно протяженные (за счет зигзагообразной формы) газораспределительные каналы, но и одновременно позволяет (за счет той же гофрированной зигзагообразной формы поверхности активной области и симметрии относительно центральной точки) создать необходимую разветвленную систему каналов для пропускания охлаждающего агента. Коллекторы охлаждающего агента размещены на продольных сторонах каждого из листовых элементов биполярной пластины. Это позволяет организовать перекрестное направление потока охлаждающего агента по отношению к газовым потокам, что в свою очередь позволяет улучшить эксплуатационные характеристики конструкции.An advantage of the claimed technical solution is, in particular, that the sheet elements of which it is made have the same shape and dimensions, and each of them is symmetrical with respect to its central point. Sheet plate elements are interchangeable and unified. This greatly simplifies the manufacturing process of the bipolar plate, since it is possible to produce only one type of sheet element and it is not necessary to carry out additional steps to manufacture any additional structural elements. In addition, the execution of the active region of each of the corrugated sheet elements allows one to create (organize) not only sufficiently extended (due to the zigzag shape) gas distribution channels, but also allows (due to the same corrugated zigzag shape of the surface of the active region and symmetry with respect to the central point ) create the necessary branched system of channels for passing a cooling agent. Coolant collectors are located on the longitudinal sides of each of the sheet elements of the bipolar plate. This allows you to organize the cross direction of the flow of the cooling agent with respect to gas flows, which in turn allows to improve the operational characteristics of the structure.

Указанное выше расположение конструкционных выступов, обеспечивает дистанцирование листовых пластинчатых элементов, предотвращая их слипание, для свободного прохода в пространство между ними, соответственно, охлаждающего агента, топлива и окислителя.The aforementioned arrangement of the structural protrusions ensures the distance of the sheet-like plate elements, preventing them from sticking together, for a free passage into the space between them, respectively, of a cooling agent, fuel and oxidizing agent.

Таким образом, представленная в формуле совокупность существенных признаков, позволяет не только упростить конструкцию за счет унификации составляющих ее элементов, а также определенной их конфигурации, но и одновременно за счет этих же признаков, обеспечить ее высокие эксплуатационные характеристики.Thus, the set of essential features presented in the formula allows not only to simplify the design due to the unification of its constituent elements, as well as their specific configuration, but also due to the same features, to ensure its high operational characteristics.

Заявленное техническое решение поясняется графическими материалами, гдеThe claimed technical solution is illustrated by graphic materials, where

на Фиг. 1 представлен общий чертеж одной из двух одинаковых составляющих частей биполярной пластины, в виде листового элемента, обладающего симметрией относительно своей центральной точки;in FIG. 1 is a general drawing of one of two identical constituent parts of a bipolar plate, in the form of a sheet element having symmetry with respect to its center point;

на Фиг. 2 представлен увеличенный трехмерный вид фрагмента одной из двух одинаковых составляющих частей (листовых элементов) биполярной пластины, содержащих газовые коллекторы и небольшую часть активной области;in FIG. 2 is an enlarged three-dimensional view of a fragment of one of two identical constituent parts (sheet elements) of a bipolar plate containing gas reservoirs and a small part of the active region;

на Фиг. 3 представлена та же область того же листового элемента с обратной стороны;in FIG. 3 shows the same region of the same sheet element from the back;

на Фиг. 4 представлен разрез биполярной пластины после ее компоновки из двух симметричных составляющих частей (листовых элементов), расположенных зеркально по отношению друг к другу,in FIG. 4 shows a section of a bipolar plate after its arrangement of two symmetric component parts (sheet elements), located mirror-image with respect to each other,

на Фиг. 5 представлен вид на биполярную пластину в сборе, где видны распределительная зона охлаждающего агента, газовые распределительные зоны, а также области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной с перфорацией и области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной без перфорации;in FIG. 5 is a view of the bipolar plate assembly, where the distribution zone of the cooling agent, gas distribution zones, as well as the communication areas of the gas manifolds with the gas distribution zone with perforation and the communication areas of the gas collectors with the gas distribution zone without perforation are visible;

на Фиг. 6 представлен вид с Фиг. 5 в увеличенном размере;in FIG. 6 is a view of FIG. 5 in increased size;

на Фиг. 7 представлена биполярная пластина с выполненными контурами лазерной сварки;in FIG. 7 shows a bipolar plate with completed laser welding loops;

Заявленная биполярная пластина состоит из двух одинаковых частей 1, выполненных из листового металла, преимущественно из фольги (далее по тексту - листовые элементы 1), системы газовых коллекторов 2-5, размещенных попарно на противоположных поперечных сторонах листовых элементов 1, составляющих биполярную пластину. При этом на противоположных продольных сторонах каждого из листовых элементов 1 размещены коллекторы 6 охлаждающего агента. Центральная область каждого из листовых элементов 1, является активной областью 7 с системой продольных распределительных газовых каналов зигзагообразной формы. Зона 8 служит для распределения газа, поступившего из газового коллектора, к системе распределительных каналов активной области 7. Коллекторы 6 служат, соответственно, для подачи и отвода охлаждающего агента. Позицией 9 обозначена распределительная зона охлаждающего агента. Позициями 10 и 11 соответственно обозначены области перехода (сообщения) из газовых коллекторов в газовую распределительную зону (10 -область перехода, выполненная с перфорацией, 11- область перехода, выполненная без перфорации). В области перехода 10 из газового коллектора в газовую распределительную зону 8 имеются элементы перфорации, обозначенные позицией 12. На поверхностях распределительных зон 8, 9 и областей 10, 11 перехода (сообщения) (с перфорацией и без перфорации) выполнены конструкционные выступы 13. Газовые распределительные каналы 14 в активной области 7 образуются между наружными поверхностями (анодной для прохождения топливного газа и катодной для прохождения газа-окислителя) биполярной пластины и смежными с ними поверхностями мембран (на чертежах не показано) при сборке пластин в стек.The claimed bipolar plate consists of two identical parts 1 made of sheet metal, mainly foil (hereinafter referred to as sheet elements 1), a system of gas manifolds 2-5 placed in pairs on opposite transverse sides of the sheet elements 1 constituting the bipolar plate. At the same time, on the opposite longitudinal sides of each of the sheet elements 1, collectors 6 of a cooling agent are placed. The central region of each of the sheet elements 1 is an active region 7 with a system of longitudinal distribution gas channels of a zigzag shape. Zone 8 serves to distribute the gas received from the gas collector to the distribution channel system of the active region 7. The collectors 6 serve, respectively, for supplying and discharging a cooling agent. Position 9 denotes the distribution zone of the cooling agent. Positions 10 and 11 respectively indicate the transition area (communication) from the gas manifolds to the gas distribution zone (10 is the transition area made with perforation, 11 is the transition area made without perforation). In the area of the transition 10 from the gas manifold to the gas distribution zone 8 there are perforation elements indicated by 12. On the surfaces of the distribution zones 8, 9 and transition areas 10, 11 (communication) (with perforation and without perforation), structural projections 13 are made. Gas distribution channels 14 in the active region 7 are formed between the outer surfaces (the anode for the passage of fuel gas and the cathode for the passage of the oxidizing gas) of the bipolar plate and adjacent membrane surfaces (not shown) when the plates are stacked.

Области электрического контакта с электродом мембранно-электродного блока топливного элемента обозначены позицией 15, а контур лазерной сварки - позицией 16. Позицией 17 обозначены установочные (при сборке пластин в стек) отверстия под стягивающие шпильки.The areas of electrical contact with the electrode of the membrane-electrode block of the fuel cell are indicated by the number 15, and the laser welding circuit by the position 16. The position 17 indicates the mounting holes (when assembling the plates into the stack) for the tightening pins.

Поскольку листовые элементы 1, абсолютно одинаковы по размерам и конфигурации и симметричны относительно своей центральной точки, то коллекторы подачи топлива и окислителя могут находиться как на одной поперечной стороне биполярной пластины, так и на противоположных ее сторонах, также как и выходные коллекторы. При этом вход и выход одного и того же реагента располагаются на диагонально-противоположных сторонах пластины.Since the sheet elements 1 are absolutely identical in size and configuration and are symmetrical with respect to their center point, the fuel and oxidizer supply manifolds can be located on the same transverse side of the bipolar plate and on its opposite sides, as well as output collectors. In this case, the input and output of the same reagent are located on the diagonally opposite sides of the plate.

Предложенная конструкция в сборе представляет собой двухслойную деталь, состоящую из двух одинаковых симметричных частей в виде металлических листовых элементов, (в предпочтительном варианте выполненных из фольги) имеющих рельефную (гофрированную) поверхность. Необходимая рельефная поверхность на каждом из листовых элементов биполярной пластины может быть выполнена путем штамповки металлической фольги толщиной от 50 до 150 мкм или в процессе гидроформования при высоком давлении. Возможные материалы пластины - стали различных марок, титан, конструкционные металлические сплавы и т.д. Также возможно применение антикоррозийного покрытия толщиной от 5 до 20 мкм.The proposed assembly assembly is a two-layer part consisting of two identical symmetrical parts in the form of metal sheet elements (preferably made of foil) having a relief (corrugated) surface. The necessary relief surface on each of the sheet elements of the bipolar plate can be made by stamping a metal foil with a thickness of 50 to 150 microns or during hydroforming at high pressure. Possible plate materials - steel of various grades, titanium, structural metal alloys, etc. It is also possible to use an anti-corrosion coating with a thickness of 5 to 20 microns.

Отличительной особенностью предложенной конструкции является то, что при изготовлении биполярной пластины используются два абсолютно одинаковых листовых (пластинчатых) элемента, симметричных относительно своих центров. Симметрия повышает унификацию и обеспечивает взаимозаменяемость конструкционных деталей, что сокращает затраты при производстве. При этом один из листовых элементов 1 биполярной пластины будет обеспечивать распределение по единичному мембранно-электродному блоку ТЭ газа-окислителя, а другой - топливного газа. Соответственно, первый пластинчатый элемент биполярной пластины будет называться катодным, а второй - анодным.A distinctive feature of the proposed design is that in the manufacture of a bipolar plate, two absolutely identical sheet (plate) elements are used, symmetrical with respect to their centers. Symmetry enhances unification and provides interchangeability of structural parts, which reduces production costs. In this case, one of the sheet elements 1 of the bipolar plate will ensure the distribution of oxidizing gas over a single membrane-electrode block of the fuel cell and the other - fuel gas. Accordingly, the first plate element of the bipolar plate will be called cathodic, and the second anode.

Если рассматривать пластину, изображенную на Фиг. 1 как анодную, то коллектор 2 будет служить для подвода топливного газа в активную область 7 с системой газовых распределительных каналов 14 через область 10 в газовую распределительную зону 8 сквозь перфорацию 12 в области 10. При этом отработанные газы будут проходить через выходной коллектор 4. В таком случае, коллекторы 3 и 5 будут использованы для входа и выхода (соответственно) по катодной пластине газа-окислителя. Стоит отметить, что при формировании биполярной пластины катодная пластина по отношению к анодной должна быть повернута на 180 градусов относительно своей продольной оси симметрии. Таким образом, с катодной стороны в области коллекторов 3 и 5 теперь будет переход из газового коллектора в газовую распределительную зону с перфорацией, а в области коллектора 2 и 4 - без перфорации. Между переходами из газового коллектора в газовую распределительную зону 8 располагается распределительная область 10, площадь которой составляет не менее 7% от общей площади системы газовых распределительных каналов (активной области 7). Данная область 10 необходима для равномерного предварительного распределения окислительного или топливного газа на пути из коллектора до активной области 7 с системой газовых распределительных каналов и образована за счет конструкционных выступов 13 полученных при штамповке или гидроформовании пластины. При сборке стека ТЭ данные конструкционные выступы предотвращают провисание единичного элемента биполярной пластины и таким образом создают рабочий объем для окислительного или топливного газа. Стоит отметить, что высота гофрирования системы газовых распределительных каналов и высота конструкционных выступов должна быть одинаковой и составлять от 0.2 до 2 мм, а выдержанный допуск при изготовлении деталей по данной величине не превышает 30 мкм.Looking at the plate shown in FIG. 1 as the anode, then the collector 2 will serve to supply fuel gas to the active region 7 with a system of gas distribution channels 14 through region 10 to the gas distribution zone 8 through the perforation 12 in region 10. In this case, the exhaust gases will pass through the outlet manifold 4. B In this case, collectors 3 and 5 will be used to enter and exit (respectively) along the cathode plate of the oxidizing gas. It is worth noting that when forming a bipolar plate, the cathode plate with respect to the anode plate must be rotated 180 degrees relative to its longitudinal axis of symmetry. Thus, from the cathode side in the area of the collectors 3 and 5 there will now be a transition from the gas manifold to the gas distribution zone with perforation, and in the area of the collector 2 and 4 without perforation. Between the transitions from the gas collector to the gas distribution zone 8, there is a distribution region 10, the area of which is at least 7% of the total area of the gas distribution channel system (active region 7). This region 10 is necessary for uniform preliminary distribution of oxidizing or fuel gas on the way from the collector to the active region 7 with a system of gas distribution channels and is formed due to the structural protrusions 13 obtained during stamping or hydroforming of the plate. When assembling the TE stack, these structural protrusions prevent the sagging of a single element of the bipolar plate and thus create a working volume for oxidizing or fuel gas. It should be noted that the height of the corrugation of the gas distribution channel system and the height of the structural protrusions should be the same and range from 0.2 to 2 mm, and the tolerance for manufacturing parts by this value does not exceed 30 microns.

На Фиг. 2 и 3. приближенно изображены части пластины (листовые элементы), содержащие коллекторы, распределительную зону, переходные области сообщения и часть активной области с газовыми каналами. При необходимости, можно «инвертировать» систему подачи газов и использовать коллектор 4 в качестве входа, а 2 - в качестве выхода, и также с коллекторами 3 и 5 по аналогии. Области 10 и 11 получаются путем штамповки или гидроформовании пластинчатых элементов 1 с организацией системы конструкционных выступов 13, предотвращающих слипание элементов 1 между собой.In FIG. 2 and 3. approximately depicted are parts of the plate (sheet elements) containing collectors, a distribution zone, transition areas of communication and part of the active area with gas channels. If necessary, you can "invert" the gas supply system and use collector 4 as an input, and 2 as an output, and also with collectors 3 and 5 by analogy. The regions 10 and 11 are obtained by stamping or hydroforming the plate elements 1 with the organization of a system of structural protrusions 13 that prevent the elements 1 from sticking together.

Области 10 и 11 сообщения газового коллектора и газовой распределительной зоны 8 приближенно изображены на Фиг. 2 и 3 с противоположных сторон листовых элементов 1, а на Фиг. 4 и 5 изображена биполярная пластина в сборе.The communication areas 10 and 11 of the gas manifold and gas distribution zone 8 are approximately depicted in FIG. 2 and 3 from opposite sides of the sheet elements 1, and in FIG. 4 and 5 show the bipolar plate assembly.

Активная область 7 представляет собой систему газораспределительных каналов, полученных за счет организованных выступов и углублений. При этом углубление является газовым распределительным каналом 14, который выполнен в виде зиг-зага, ширина выступов и углублений лежит в пределах от 0,2 до 2 мм, а единичный сегмент зиг-зага может составлять от 0,5 до 5 см в зависимости от области применения конечной батареи топливных элементов или ее мощности. При этом стоит отметить, что соотношение площади перфорации в поз. 10 и общей площади (поз. 14 или 15) всей биполярной пластины должно составлять не менее 0,1.The active region 7 is a system of gas distribution channels obtained by organized protrusions and depressions. The recess is a gas distribution channel 14, which is made in the form of a zigzag, the width of the protrusions and recesses lies in the range from 0.2 to 2 mm, and a single segment of the zigzag can be from 0.5 to 5 cm, depending on applications of the final fuel cell battery or its power. It should be noted that the ratio of the perforation area in pos. 10 and the total area (pos. 14 or 15) of the entire bipolar plate should be at least 0.1.

При сборке биполярной пластины из двух симметричных пластинчатых элементов за счет их гофрированной поверхности и зигзагообразной геометрии газового канала формируется полость сложной трехмерной структуры (разветвленной конфигурации). Именно эта полость используется для распределения охлаждающего агента равномерно по всей площади биполярной пластины. В свою очередь, коллектор 6 обеспечивает подвод охлаждающего агента внутрь биполярной пластины.When assembling a bipolar plate from two symmetric plate elements, a cavity of complex three-dimensional structure (branched configuration) is formed due to their corrugated surface and zigzag geometry of the gas channel. It is this cavity that is used to distribute the cooling agent evenly over the entire area of the bipolar plate. In turn, the collector 6 provides a supply of a cooling agent inside the bipolar plate.

Как видно на Фиг. 5 и 6, распределительная зона 9 и переходные области 10 и 11 представляют собой систему из обращенных внутрь сборки конструкционных выступов 13, полученных при штамповке или гидроформовании пластинчатых элементов 1, что предотвращает их сдавливание и чрезмерное деформирование при сборке стека ТЭ. При этом конструкционные выступы 13, выполненные на поверхности распределительной газовой зоны 8, обращены наружу сборки и предназначены для предотвращения деформации пластинчатых элементов в зоне 8 и обеспечения свободного прохода газов к активной области 7. Распределительная зона 9 охлаждающего агента необходима для его равномерного предварительного распределения на пути из коллектора 6 до внутренней полости, образованной обращенными друг к другу активными областями 7 пластинчатых элементов 1.As seen in FIG. 5 and 6, the distribution zone 9 and transition regions 10 and 11 are a system of inwardly facing assemblies of the structural protrusions 13 obtained by stamping or hydroforming the plate elements 1, which prevents their compression and excessive deformation during the assembly of the TE stack. In this case, the structural protrusions 13, made on the surface of the gas distribution zone 8, face the assembly and are designed to prevent deformation of the plate elements in zone 8 and to ensure free passage of gases to the active region 7. The distribution zone 9 of the cooling agent is necessary for its uniform preliminary distribution on the way from the collector 6 to the inner cavity formed by the active regions 7 of the plate elements 1 facing each other.

На Фиг. 7 изображен профиль, по которому применяется сварка, например, лазерная. С одной стороны, данный контур сварки 16 фиксирует два пластинчатых элемента 1 между собой при сборке биполярной пластины. С другой стороны, сквозные отверстия-коллекторы 2-5 и 6 обеспечивают свободное сквозное прохождение газов в стеке топливных элементов от одной биполярной пластины до другой, и именно контур лазерной сварки 16 предотвращает смешивание рабочих газов (окислителя с топливом) или их попадание в область с охлаждающей жидкостью или газом (или наоборот).In FIG. 7 shows a profile by which welding is used, for example, laser. On the one hand, this welding circuit 16 fixes two plate elements 1 to each other during assembly of the bipolar plate. On the other hand, the through holes of the collectors 2-5 and 6 provide free through passage of gases in the stack of fuel cells from one bipolar plate to another, and it is the laser welding circuit 16 that prevents the mixing of working gases (oxidizer with fuel) or their getting into the region with coolant or gas (or vice versa).

Сборка стека ТЭ упрощается за счет наличия в биполярных пластинах установочных отверстий 17 под стягивающие шпильки, имеющие диаметр от 3 до 10 мм, и используемые при позиционировании биполярных пластин и мембранно-электродных блоков друг относительно друга.The assembly of the TE stack is simplified due to the presence of mounting holes 17 in the bipolar plates for tightening pins having a diameter of 3 to 10 mm and used when positioning the bipolar plates and membrane-electrode blocks relative to each other.

Claims (5)

1. Биполярная пластина для стеков топливных элементов, состоящая из двух одинаковых по размерам и конфигурации листовых элементов, симметричных относительно своих центров, каждый их которых содержит активную область, систему газовых коллекторов и коллекторов для охлаждающего агента, а также распределительную зону охлаждающего агента, газовые распределительные зоны, области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной с перфорацией и области сообщения газовых коллекторов с газовой распределительной зоной без перфорации, причем активные области выполнены гофрированными с образованием на обеих сторонах каждого из листовых элементов системы продольных зигзагообразных распределительных каналов, при этом один из листовых элементов, составляющих биполярную пластину, установлен с поворотом по отношению к другому на угол 180° относительно своей продольной оси симметрии.1. A bipolar plate for stacks of fuel cells, consisting of two identical in size and configuration sheet elements, symmetrical with respect to their centers, each of which contains an active region, a system of gas collectors and collectors for a cooling agent, as well as a distribution zone of a cooling agent, gas distribution zones, communication areas of gas collectors with a gas distribution zone with perforation and communication areas of gas collectors with a gas distribution zone without perforation, the active areas being corrugated to form longitudinal zigzag distribution channels on both sides of the sheet elements, one of the sheet elements constituting the bipolar plate is mounted rotated with respect to the other by an angle of 180 ° relative to its longitudinal axis of symmetry. 2. Пластина по п. 1, отличающаяся тем, что на поверхностях распределительных зон и областей сообщения выполнены конструкционные выступы.2. The plate according to claim 1, characterized in that on the surfaces of the distribution zones and communication areas made structural protrusions. 3. Пластина по п. 1, отличающаяся тем, что листовые элементы выполнены из фольги.3. The plate according to claim 1, characterized in that the sheet elements are made of foil. 4. Пластина по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена с контурной лазерной сваркой.4. The plate according to claim 1, characterized in that it is made with laser contour welding. 5. Пластина по п. 1, отличающаяся тем, что коллекторы для охлаждающего агента размещены на противоположных продольных концах каждого листового элемента пластины.5. The plate according to claim 1, characterized in that the collectors for the cooling agent are placed on opposite longitudinal ends of each sheet element of the plate.
RU2019145110A 2019-12-30 2019-12-30 Bipolar plate for stacks of fuel cells RU2723294C1 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019145110A RU2723294C1 (en) 2019-12-30 2019-12-30 Bipolar plate for stacks of fuel cells
PCT/RU2020/000775 WO2021137730A1 (en) 2019-12-30 2020-12-29 Bipolar plate for fuel cell stacks
CN202080091747.6A CN114946055A (en) 2019-12-30 2020-12-29 Bipolar plate for fuel cell stack
ZA2022/08988A ZA202208988B (en) 2019-12-30 2022-08-11 Bipolar plate for fuel cell stacks

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019145110A RU2723294C1 (en) 2019-12-30 2019-12-30 Bipolar plate for stacks of fuel cells

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2723294C1 true RU2723294C1 (en) 2020-06-09

Family

ID=71067887

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019145110A RU2723294C1 (en) 2019-12-30 2019-12-30 Bipolar plate for stacks of fuel cells

Country Status (4)

Country Link
CN (1) CN114946055A (en)
RU (1) RU2723294C1 (en)
WO (1) WO2021137730A1 (en)
ZA (1) ZA202208988B (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2748853C1 (en) * 2020-09-14 2021-06-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" Bipolar plate of fuel cell with solid polymer electrolyte and the method for its manufacture
CN113013436A (en) * 2021-02-26 2021-06-22 东风汽车集团股份有限公司 Metal bipolar plate structure capable of being sealed firstly and then welded and assembling method thereof
RU2785834C1 (en) * 2022-08-17 2022-12-14 Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") Bipolar fuel cell cold store

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6207310B1 (en) * 1996-09-27 2001-03-27 The Regents Of The University Of California Fuel cell with metal screen flow-field
RU2001117203A (en) * 1998-11-25 2003-06-27 Газ Текнолоджи Инститьют DESIGN OF A BIPOLAR PLATE FROM SHEET METAL FOR FUEL CELLS WITH A POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE
RU2328060C1 (en) * 2006-11-23 2008-06-27 Федеральное государственное предприятие "ЦНИИ судовой электротехники и технологии" (ФГУП "ЦНИИ СЭТ") Fuel element and fuel-cell battery
CN102969513A (en) * 2012-12-03 2013-03-13 上海交通大学 Large-area metal bipolar plate for automobile fuel cell

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6261710B1 (en) * 1998-11-25 2001-07-17 Institute Of Gas Technology Sheet metal bipolar plate design for polymer electrolyte membrane fuel cells

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6207310B1 (en) * 1996-09-27 2001-03-27 The Regents Of The University Of California Fuel cell with metal screen flow-field
RU2001117203A (en) * 1998-11-25 2003-06-27 Газ Текнолоджи Инститьют DESIGN OF A BIPOLAR PLATE FROM SHEET METAL FOR FUEL CELLS WITH A POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE
RU2328060C1 (en) * 2006-11-23 2008-06-27 Федеральное государственное предприятие "ЦНИИ судовой электротехники и технологии" (ФГУП "ЦНИИ СЭТ") Fuel element and fuel-cell battery
CN102969513A (en) * 2012-12-03 2013-03-13 上海交通大学 Large-area metal bipolar plate for automobile fuel cell

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2748853C1 (en) * 2020-09-14 2021-06-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" Bipolar plate of fuel cell with solid polymer electrolyte and the method for its manufacture
RU2748853C9 (en) * 2020-09-14 2021-08-17 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" Bipolar plate of fuel cell with solid polymer electrolyte and the method for its manufacture
CN113013436A (en) * 2021-02-26 2021-06-22 东风汽车集团股份有限公司 Metal bipolar plate structure capable of being sealed firstly and then welded and assembling method thereof
RU2785834C1 (en) * 2022-08-17 2022-12-14 Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") Bipolar fuel cell cold store
RU2803926C1 (en) * 2023-06-28 2023-09-22 Общество с ограниченной ответственностью "Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") Bipolar fuel cell plate

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021137730A1 (en) 2021-07-08
CN114946055A (en) 2022-08-26
ZA202208988B (en) 2022-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7569301B2 (en) Fuel cell
US9853300B2 (en) Bipolar plate structure for fuel cell
US10141583B2 (en) Bipolar plate and fuel cell comprising a bipolar plate of this type
US7695845B2 (en) Fuel cell
US20140051007A1 (en) Bipolar plates for use in electrochemical cells
JP5261440B2 (en) Fuel cell stack
US20120094208A1 (en) Fuel cell
RU2723294C1 (en) Bipolar plate for stacks of fuel cells
US10756357B2 (en) Bipolar plate with coolant flow channel
US8053125B2 (en) Fuel cell having buffer and seal for coolant
KR100993638B1 (en) Metal separator for fuel cells
US11289716B2 (en) Bipolar plate, fuel cell stack with bipolar plate and power generation system with bipolar plate
EP2293373B1 (en) Fuel cell stack
CN115513486B (en) Monopolar plate, bipolar plate, electric pile and fuel cell
KR20200106946A (en) Fuel cell plate and flow structure design
US11158868B2 (en) Fuel cell
US11811104B2 (en) Bipolar plate with undulating channels
JP5857817B2 (en) Fuel cell
JP2006210212A (en) Polymer electrolyte fuel cell
US20240128480A1 (en) Separator for fuel cell
CN218957780U (en) Power generation unit cell of fuel cell stack
CN209880730U (en) Bipolar plate for electrochemical reactor
JP2021512472A (en) Fuel cell, single cell and cell stack structure
JP5665900B2 (en) Fuel cell separator
CN117448859A (en) Proton exchange membrane electrolyzer bipolar plate with flow guide structure in flow field and electrolyzer thereof

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20211015