Гальванический элемент для химического источника тока

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Другой вариант настоящего изобретения предусматривает одновременное использование вышеописанных коллекторов настоящего изобретения и, в частности, сетчатого материала на одной стороне мембраны и одной или более сеток, необязательно имеющих разные размеры отверстий, на другой стороне. Кроме того, коллектор настоящего изобретения, изготовленный или из сетчатого материала или из наложенных сеток, может использоваться только на одной стороне мембраны, тогда как на другой ее стороне используется жесткий проводящий пористый материал, например слой из спеченного металла. Последний должен быть достаточно тонким, чтобы соответствовать профилю двухполюсной пластины, которая не является идеально плоской под действием прикладываемого давления. Коэффициент пористости и размеры пор слоя спеченого металла должны быть уже описанного типа для коллекторов настоящего изобретения, чтобы обеспечить поток реагентов и продуктов, стекание водного конденсата и множество контактных точек с электродами и двухполюсными пластинами.

Металл, формирующий коллектор настоящего изобретения, должен противостоять возможным агрессивным условиям, которые могут быть особенно тяжелыми, когда элемент снабжается воздухом на камеры положительного полюса и/или смесью двуокиси углерода и водорода из камеры отрицательного полюса. В таких условиях возможные водные конденсаты являются кислотными. Учитывая обе эти возможности, а также тот факт, что рабочая температура выше, чем комнатная температура, наиболее выгодным металлом является нержавеющая сталь из 18 хрома-10 никеля, предпочтительно высоколегированная сталь, хромоникелевые сплавы, титан, ниобий или другие клапанные металлы. Коллекторы и двухполюсные пластины настоящего изобретения могут необязательно покрываться электропроводной защитной пленкой, например, выполненной из металлов платиновой группы или их окислов. Или же защитная пленка может быть выполнена из проводящих полимеров типа содержащих от природы проводящие материалы, как то полиацетилены, полипирроли, полиамелины или т.п., или пластмассовые материалы, содержащие порошки /например, графитовый порошок/.

На фиг. 1 и 6 хорошо видно, что каждая пара двухполюсных пластин /1/ из алюминия или другого пассивированного материала или их сплавов удерживает сжатыми внутри два коллектора /14/ настоящего изобретения, два электрода /7/ и мембрану /6/. Электроды, как известно, перед установкой между двухполюсными пластинами и коллекторами крепятся к мембране под давлением и нагреванием, вероятно, после нанесения на поверхность электродов суспензии или раствора, содержащего полимер, формирующий мембрану, с целью облегчить как крепление электрода к мембране, так и формирование большой площади тройного контакта между газом, мембраной и каталитическими частицами электродов. Если мембраны и электроды скреплены вместе для образования единой конструкции, то двухполюсные пластины и коллекторы настоящего изобретения не создают никакого существенного улучшения в характеристике гальванического элемента по сравнению с известными конструкциями. Поэтому преимущества настоящего изобретения в данном случае ограничены повышенной простотой и низкой стоимостью изготовления, в частности, для двухполюсных пластин, выполненных из алюминия или других пассивированных металлов без какого-либо защитного покрытия.

Неожиданно было установлено, что двухполюсные пластины и коллекторы настоящего изобретения позволяют получить оптимальные характеристики у элемента, когда электроды в противоположность тому, что известно, предварительно не крепятся к мембране, что, очевидно, позволяет уменьшить стоимость изготовления и ограничить опасность повреждения хрупкой мембраны. Не связывая обоснованность настоящего изобретения с какой-либо конкретной теорией, можно предположить, что множество контактных точек и высокое давление, получаемое в этих точках, типичное для вышеупомянутых коллекторов, способны поддерживать высокий процент площади электродов в тесном механическом контакте с мембраной. В результате ряд каталитических частиц, заключенных в поверхности мембраны /зона тройного контакта/, являются сходными в случае настоящего изобретения с электродами, только лежащими на мембране, а для случая, описанного в известном уровне техники, с электродами, прикрепленными к мембране. И наоборот, было установлено, что с коллекторами, состоящими из волнистых листов, или просто с двухполюсными пластинами с канавками, как известно, в данной области характеристики являются приемлемыми только тогда, когда электроды прикреплены к мембране. Как отмечалось выше, с такими коллекторами контактные участки под достаточно большим давлением ограничены только точками пересечения канавок или неровностей, а поэтому включают ограниченную часть электродной поверхности, которая является единственной, находящейся в контакте с мембраной. На остальной части электродной поверхности контактное давление с мембраной равно нулю и во время работы разное расширение мембраны и электродов может привести к разъединению поверхностей. Поэтому эта оставшаяся часть никак не влияет на характеристику элемента. Эти соображения объясняют почему известный уровень техники описывает крепление электродов к мембране как важный фактор для достижения хорошей характеристики элементов с коллекторами, снабженными канавками или неровностями.

Оптимальные результаты, полученные в соответствии с настоящим изобретением с электродами, не прикрепленными к мембране, объясняются, вероятно, второй характеристикой коллекторов, т.е. деформируемостью и остаточной упругостью при сжатии. Эта характеристика позволяет фактически компенсировать небольшие отклонения от плоскостности плоских двухполюсных пластин, поверхность которых не подвергалась механической правке.

Компенсация дефектов плоскостности позволяет поддержать контакт, равномерно распределенный по всей поверхности двухполюсных пластин, электродов и мембран, гарантируя тем самым оптимальные характеристики за счет однородного распределения тока. Как уже отмечалось, для максимизации свойства деформируемости электродам /7/ целесообразно придать способную к деформации конструкцию. Поэтому, даже если электроды могут быть выполнены, как уже отмечалось, в виде пористых листов, изготовленных из спеченной смеси, содержащей порошки из электропроводных и электрокаталитических материалов, полимерного связующего вещества и необязательно агентов, пригодных для улучшения образования пор, предпочтительно они изготавливаются из пористого деформирующегося слоя проводящего материала. На этот слой наносится суспензия путем распыления или кистью, или любым другим аналогичным способом. Суспензия состоит из жидкого носителя, порошков из электрокаталитических частиц и электропроводящих материалов и полимерного связующего вещества, необязательно содержащего ионные группы с гидрофобными или гидрофильными свойствами, направленными на регулирование увлажняемости системы. Пористый слой затем высушивается и подвергается тепловой обработке, направленной на механическую стабилизацию нанесенного материала. Подходящие слои изготовлены из углеродной ткани или копировальной бумаги, необязательно графитированной. Углеродная ткань является предпочтительной ввиду ее более высокой деформируемости и гибкости, облегчающих манипулирование и сборку элемента. Изделия такого типа, содержащие платину в качестве катализатора и политетрафторэтилен в качестве полимерного компонента, поставляются различными фирмами, например Е-ТЕК, США под торговым названием Элат (Elat). Эти изделия могут использоваться сами по себе или после окраски суспензией или краской, содержащей ионный полимер, аналогичный тому, что формирует мембрану. Другие типы пористых слоев изготавливаются из слоев спеченного металла или мелких сеток, или многослойных тканей, например, изготовленных из различных типов нержавеющей стали, высоколегированных сталей или сплавов из никеля, хрома и титана. Вообще многослойные ткани являются предпочтительными ввиду их деформируемости. В другом варианте вышеуказанные слои, когда они изготовлены из многослойной ткани, могут одновременно действовать как коллекторы и электроды. В этом случае вышеупомянутая суспензия, содержащая электрокаталитические частицы, наносится только на поверхность, которая будет контактировать с мембраной.

На фиг.6 показан узел, выполненный из большого числа гальванических элементов, аналогичных представленному на фиг.1, для образования электролизера, согласно настоящему изобретению содержащий двухполюсные пластины /1/, коллекторы /14/, электроды /7/, прокладки-рамы /8/, ионнообменные мембраны /6/, торцевые пластины /18/, прижимные пластины /17/. Двухполюсные пластины /1/ снабжены внешними соединениями /16/, которые, однажды соединенные, обеспечивают короткое замыкание двух или более двухполюсных пластин гальванических элементов в случае неисправности. Такой же результат может быть получен с двухполюсными пластинами, снабженными углублениями соответствующей формы. Такая конструкция обеспечивает безопасную работу электролизера, содержащего большое число гальванических элементов, соединенных в электрические ряды, и это является поэтому очень удобным с практической точки зрения. Следует также отметить, что короткое замыкание является эффективным только в том случае, если омическое падение напряжения в короткозамкнутых двухполюсных пластинах, поперечно пересекаемых электрическим током, является ничтожно малым, что достигается в двухполюсных пластинах, изготовленных из высокопроводящих материалов, например алюминия или его сплавов.

Приводимые ниже примеры, неограничивающие настоящего изобретения, служат для лучшего его объяснения. В целях удобства примеры ограничены рассмотрением случаев с топливными элементами.

Примеры.

Пример 1. Четыре топливных элемента, каждый из которых состоит из трех гальванических элементов, содержащих две прижимные пластины /17 на фиг.6/, две торцевые пластины /18 на фиг.6/ и две двухполюсные пластины /1/, три пары коллекторов /14/, три пары электродов /7/, три мембраны и три пары прокладки-рамы /8/, были собраны как показано на фиг.6. Общие условия работы, сохранявшиеся постоянными во время всех испытаний, были следующими:
- размеры электродов и коллекторов: 10 х 10 см²;
- мембраны Нафион /Р/117, поставляемые фирмой Дюпон, США;
- активная площадь мембраны: 10 х 10 см²;
- формованные прокладки-рамы, имеющие внутренние размеры 10 х 10 см² и наружные размеры 20 х 20 см², толщину 2 мм, снабженные отверстиями /9/ и /10/, каналами /11/, ребрами /12/ высотой 0,1 мм, внутренним уступом /13/ глубиной 0,5 мм с наружными размерами 11 х 11 см², как показано на фиг.3. Конструкционный материал: Hytrel (R), продаваемый фирмой Дюпон, США;
- двухполюсные пластины и торцевые пластины с наружными размерами 20 х 20 см², снабженные отверстиями /2/ и /4/, и другими характеристиками, как будет приведено ниже;
- подача к анодным /отрицательным/ камерам чистого воздуха под давлением 2 ат, предварительно нагретого и предварительно увлажненного при 70^oC во внешнем увлажнителе воздуха, при этом скорость потока удвоена по сравнению со стехиометрией реакции;
- подача к катодным /положительным/ камерам чистого воздуха под давлением 2,1 ат, предварительно нагретого и предварительно увлажненного при 50^oC во внешнем увлажнителе воздуха с тройным увеличением скорости потока по отношению к стехиометрии реакции;
- рабочая температура: 80^oC,
- полный ток: 5,0 А, соответствующий плотности тока на активной площади электродов, равной 5000 А/м²;
- общее полное рабочее время для каждого испытания как отмечается ниже, но в любом случае оно составляет от 300 до 400 часов от пуска до отключения в начале и в конце каждого рабочего дня.

Каждый топливный элемент мог включать следующие альтернативы:
A. Двухполюсные пластины и торцевые пластины из алюминиевого сплава типа UN1 5076 /Итальянский стандарт/, полученные литьем под давлением, имеющие толщину 5 мм, снабженные внутренними каналами для охлаждения /5/, выполненными из нержавеющей стали 18 хромо-10 никелевого типа диаметром 3 мм, и каналами /3/, как показано на фиг.1 и 2.

B. Те же двухполюсные пластины и торцевые пластины, что в п.A, но отличающиеся конструкционным материалом -титаном вместо алюминиевого сплава.

C. Двухполюсные пластины и торцевые пластины, выполненные из алюминиевого сплава типа Антикородол /Итальянские стандарты/, полученные резкой коммерческих листов, толщиной 3 мм, без внутренних охлаждающих каналов /5/ и каналов /3/. В этом случае наружные размеры пластин до 30 х 30 см², чтобы обеспечить охлаждение за счет нагнетания воздуха.

D. Те же двухполюсные пластины, что в п. C, но контактная поверхность которых с электродами покрыта хромовой пленкой, полученной гальваническим осаждением.

E. Те же двухполюсные пластины, что в п. C, но контактная поверхность которых с коллекторами покрыта пленкой из полимерной проводящей пленки, относящейся к группе полианилина.

F. Электроды, изготовленные из гибкой проводящей углеродной ткани, одна сторона которой покрыта пленкой, содержащей электрокаталитические платиновые частицы, расположенные на активном угле и полимерном связующем веществе, а другая ее сторона покрыта гидрофобной пористой и проводящей пленкой на основе политетрафторэтилена, поставляемой Е-ТЕК, США под торговым названием Элат: толщиной 0,5 мм с платиновой нагрузкой в 0,5 мг/см².

G. Те же электроды, что в п. F, но с дополнительным нанесением полимера, аналогичного мембранному, на сторону, содержащую катализатор, нанесенного кистью или распылением с раствором из перфторированного полимера, содержащего сульфонные группы, продаваемого Solution Technology США под торговым названием Нафион Сольюшен 5%.

H. Те же электроды, что в п. G, но при этом углеродная ткань заменена на проводящую копировальную жесткую графитовую бумагу, поставляемую Торей, Япония, под торговым названием TG HP 030.

I. Те же электроды, что в п. G, но гибкая углеродная ткань заменена многослойной тканью из нержавеющей стали 18 хромо-10 никелево-2 молибденового типа.

L. Коллекторы в сетчатом материале, как показано на фиг.5, изготовлены из 50 хромо-50 никелевого сплава, имеющего средний диаметр пор порядка 0,2 мм и толщину 2 мм.

Материалы такого типа в настоящее время поставляются различными фирмами и обычно называются "металлическими пенами".

M. Те же коллекторы, что в п. L, имеющие средний диаметр пор порядка 1 мм.

N. Те же коллекторы, что в п. L, имеющие средний диаметр пор порядка 3 мм.

O. Коллекторы, состоящие из трех наложенных друг на друга сеток, изготовленных из 18 хромо-10 никелевой нержавеющей стальной проволоки диаметром 0,3 мм, образующей сетку с отверстиями 0,5 х 0,5 мм.

P. Коллекторы, состоящие из двух титановых раскатанных листов, снабженных отверстиями ромбовидной формы с главным размером соответственно 1 мм /раскатанный лист на стороне электрода/ и 3 мм /раскатанный лист на стороне двухполюсной пластины/, полученные из листа толщиной 0,5 мм и покрытые слоем платины толщиной 0,3 мм методом гальванического осаждения.

Q. Коллекторы, состоящие из многослойной ткани, полученной из металлической проволоки диаметром 0,15 мм, изготовленной из нержавеющей стали 18 хромо-10 никелево-2 молибдевнового типа, толщиной 2 мм под сжатием, поставляемой Костакурта, Италия.

R. Коллекторы, изготовленные из слоя спеченного металла, например, нержавеющей стали, 18 хромо-10 никелевого типа, толщиной 2 мм.

Средние напряжения, относящиеся к гальваническому элементу и выраженные в вольтах, приведены в таблицы для топливных элементов, снабженных двухполюсными пластинами типа A.

Температура пластин регулировалась принудительной циркуляцией умягченной воды при 75^oC.

Данные, приведенные в таблице, могут быть прокомментированы следующим образов:
- данные, полученные с электродами, прикрепленными к мембране
- линия L /+/ представляет сравнение с существующими конструкциями. Понятно, что предварительная обработка электродов полимерным раствором, аналогичным мембранному, предполагает определенное улучшение характеристик.

- Множество контактных точек на единицу поверхностной площади является средством достижения оптимальной характеристики. Трехмерная решетка типа N, отличающаяся порами, имеющими средний размер 3 мм, в действительности постоянно характеризуется недостаточными напряжениями.

- Деформируемость коллекторов и электродов является ключевым фактором, как показали неудовлетворительные напряжения, полученные со спеченными материалами /линия R/ и жесткой графитовой бумагой, использованной в качестве подложки для электродов /столбец H/.

- В случае с коллекторами, изготовленными из спеченного материала /линия R/, неудовлетворительные характеристики также обусловлены по крайней мере частичным оводнением отсеков /возможно катодных положительных отсеков/ водным конденсатом, образовавшимся во время работы и удерживающимся за счет капиллярности в небольших порах спеченного материала.

- Оптимальные и стабильные величины напряжений, типичные для всех испытаний, показали, что электрическое сопротивление между коллекторами настоящего изобретения и плоскими двухполюсными пластинами из алюминиевых сплавов без электропроводящего защитного покрытия существенно уменьшилось. Этот результат оказался весьма неожиданным, учитывая тот факт, что алюминий и его сплавы, как известно, покрываются естественным электроизолирующим окислом, в частности, под воздействием тепла в присутствии пара /обычное рабочее условие топливного элемента/. Подтверждение этому заключению дают напряжения, почти аналогичные тем, что получены с двухполюсными пластинами, покрытыми хромовой защитной пленкой /тип D/ и проводящим полимерным материалом /тип E/.

Пример 2. Тоже испытание, что в примере 1, отличающееся использованием электродов типа G и коллекторов типа R /спеченный материал/, было повторено после того, как двухполюсные пластины, торцевые пластины и коллекторы были сделаны гидрофобным путем их погружения в суспензию из политетрафторэтилена /продаваемую фирмой Дюпон под торговым названием Тефлон 30 N /с последующей тепловой обработкой при 150^oC. Напряжения, замеренные при тех же условиях испытания, что в примере 1, дали результаты 0,55 и 0,65 В. Это улучшение может быть объяснено меньшей склонностью спеченного материала удерживать воду, образующуюся в результате конденсации в процессе работы.

Пример 3. Тот же источник, что и в примере 1, отличающийся наличием электродов типа G и коллекторов типа L, подвергался повторному короткому замыканию второго гальванического элемента путем соединения с помощью зажимных соединений, обозначенных позицией 16 на фиг.1. Средние напряжения других гальванических элементов не изменялись в периоды короткого замыкания и короткозамкнутые гальванические элементы быстро достигали обычного напряжения после отсоединения зажимов. Максимальное напряжение между двухполюсными пластинами короткозамкнутого гальванического элемента во время короткого замыкания составило 20 - 30 мВ.

Пример 4. Влияние на напряжение двухполюсных и торцевых пластин различного типа было изучено повторением испытания по примеру 1, используя электроды типа G и коллекторы типа L, а также заменяя литые двухполюсные пластины и торцевые пластины из алюминиевого сплава /тип A/ на аналогичные из титана /тип B/. Были получены средние напряжения для единичных элементов порядка 0,68 и 0,71 В, которые по существу аналогичны тем, что типичны для топливного элемента, снабженного двухполюсной и торцевой пластинами из алюминиевого сплава. Аналогичные результаты были получены при дальнейшей замене двухполюсных пластин типа B на пластины из алюминиевого сплава типа C. Охлаждение осуществлялось за счет принудительной циркуляции предварительно охлажденного воздуха, подаваемого через отдельные трубопроводы, расположенные ниже каждого гальванического элемента.

Пример 5. Был проведен ряд испытаний, чтобы получить дополнительные сравнительные данные с известными устройствами. Два топливных элемента были выполнены из трех гальванических элементов, содержащих двухполюсные пластины и торцевые пластины, снабженные канавками, предназначенными для выполнения функции распределителей тока, изготовленные соответственно из графита и алюминиевого сплава типа UNI 5076. Двухполюсные пластины и концевые пластины были дополнительно снабжены внутренними каналами для охлаждения. Канавки были ориентированы так, чтобы они пересекались под углом 90^o для каждой пары обращенных друг к другу сторон двухполюсной и торцевой пластин.

Электроды были типа G из примера 1, а мембраны были типа Нафион /P/ 117. Топливный элемент, снабженный двухполюсными пластинами и концевыми пластинами в графите и с электродами, прикрепленными к мембране, работал в тех же условиях, что в примере 1, и полученные результаты отличались лучшими средними напряжениями, относящимися к гальваническим элементам, замеренным в различных условиях, приведенными в таблице /0,7 В/. Однако тот же топливный элемент, снабженный электродами типа G, не прикрепленными к мембране, дали совершенно неудовлетворительные средние напряжения, составившие 0,5 и 0,55 В, показали тем самым, что только коллекторы настоящего изобретения с их большим числом контактных точек способны гарантировать хорошую и протяженную непрерывность между поверхностями мембран и электродов, когда они предварительно не скреплены.

Как отмечалось выше, топливный элемент, содержащий снабженную канавками двухполюсную и торцевую пластины из алюминиевого сплава и электроды типа G, прикрепленные к мембране, показали вполне удовлетворительные характеристики в начале испытания. Однако напряжения быстро уменьшались до низких величин ~ 0,4 В за сотни часов, тем самым показывая, что только коллекторы согласно настоящему изобретению способны поддерживать контактное сопротивление в пределах ничтожно малых значений с течением времени.

В качестве подтверждения этого факта было проведено дополнительное испытание с топливным элементом, содержащим снабженную канавками двухполюсную и торцевую пластины из алюминиевого сплава, электроды типа G /пример 1/, не прикрепленные к мембранам, и коллекторы настоящего изобретения типа M /пример 1/. Полученное напряжение /0,6 и 0,65 В/ было удовлетворительным и стабильным во времени. Кроме того, этот вариант оказался, в частности, эффективным для слива водного конденсата, образовавшегося в катодном /положительном/ отсеке, где канавки двухполюсной и торцевой пластин были ориентированы в вертикальном направлении.

Могут иметь место различные модификации гальванического элемента настоящего изобретения, не выходящие за сущность или область его, и должно быть понятно, что настоящее изобретение ограничивается только как определено в прилагаемой формуле.

Формула изобретения

1. Гальванический элемент для химического источника тока, содержащий две двухполюсные или торцевые пластины (1,18), снабженные отверстиями (2) для подачи газообразных реагентов и удаления продуктов и остаточных реагентов, два коллектора (14) тока, проницаемых для газового потока, два электрокаталитических электрода (7), ионообменную мембрану (6) и две прокладки-рамы (8), отличающийся тем, что коллекторы выполнены из металла и обладают продольной проницаемостью, деформируемостью и упругостью при сжатии, двухполюсные или торцевые пластины (1,18) изготовлены из пассивируемых металлов и имеют множество точек контакта с коллекторами с обеспечением в этих точках низкого электрическогго сопротивления.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что коллектор (14) представляет собой трехмерную решетку из металлических проволок, концевые секции (15), по меньшей мере части которых выходят на поверхность решетки.

3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что трехмерная решетка имеет пористость по меньшей мере 50%, а диаметр металлической проволоки составляет 0,01 - 1,0 мм.

4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что коллектор выполнен по меньшей мере из двух наложенных одна на другую сеток.

5. Элемент по п.4, отличающийся тем, что сетки имеют различный размер отверстий, при этом более мелкая сетка контактирует с электродами (7), а более крупная сетка контактирует с двухполюсными или торцевыми пластинами (1,18).

6. Элемент по п. 4, отличающийся тем, что сетки выполнены из переплетенных металлических проволок или раскатанных металлических полос.

7. Элемент по п.6, отличающийся тем, что металлическая проволока имеет в поперечном сечении форму многоугольника.

8. Элемент по п.1, отличающийся тем, что коллектор (14) представляет собой матрицу, выполненную из взаимно переплетенных геликоидальных спиралей или многослойной ткани.

9. Элемент по любому из пп.2, 4 и 8, отличающийся тем, что коллекторы имеют поры размером 0,1 - 3,0 мм.

10. Элемент по п.2 или 8, отличающийся тем, что коллекторы имеют толщину 0,5 - 5,0 мм.

11. Элемент по п.2 или 8, отличающийся тем, что коллекторы содержат мелкую металлическую сетку, обращенную к электродам.

12. Элемент по п.1, отличающийся тем, что коллекторы изготовлены из коррозионностойкого металла, выбранного из группы, включающей нержавеющие стали, высоколегированные стали, хромоникелевые сплавы.

13. Элемент по п.1, отличающийся тем, что коллекторы (14) и двухполюсные или торцевые пластины (1,18) являются гидрофобными.

14. Элемент по п.1, отличающийся тем, что двухполюсные или торцевые пластины имеют плоскую поверхность.

15. Элемент по п. 14, отличающийся тем, что двухполюсные или торцевые пластины отформованы или вырезаны из коммерческих листов без последующей чистовой обработки поверхности.

16. Элемент по п.1, отличающийся тем, что двухполюсные или торцевые пластины снабжены каналами для распределения и удаления продуктов.

17. Элемент по п.1, отличающийся тем, что двухполюсные или торцевые пластины снабжены внутренними каналами (5) для охлаждения газообразными или жидкими средствами.

18. Элемент по п.1, отличающийся тем, что наружный размер двухполюсных или торцевых пластин увеличен для обеспечения охлаждения газообразными или жидкими средствами.

19. Элемент по п.1, отличающийся тем, что двухполюсные или торцевые пластины изготовлены из металлов или сплавов, пассивированных защитными изолирующими окислами, выбранных из группы, включающей алюминий, титан, цирконий, ниобий, тантал или их сплавы, нержавеющую сталь, высоколегированную сталь и хромоникелевый сплав.

20. Элемент по п.19, отличающийся тем, что контактное сопротивление между двухполюсными или торцевыми пластинами и коллекторами составляет 100 - 5 мОм/см² при давлении, прикладываемом к пластинам, 0,1 - 80,0 кг/ см².

21. Элемент по п. 19, отличающийся тем, что двухполюсные или торцевые пластины снабжены покрытием из электропроводящего материала, выбранного из группы, включающей хром, платиновую группу металлов и их окислы, проводящие полимеры.

22. Элемент по п.21, отличающийся тем, что проводящие полимеры выбраны из группы полимерных матриц, содержащих проводящие частицы, и собственно проводящих полимеров.

23. Элемент по п.1, отличающийся тем, что прокладки-рамы изготовлены из отливаемого эластомерного материала и содержат отверстия (9) для распределения и удаления реагентов и продуктов, уступ (13) для размещения электродов и ребра (12) для уплотнения и разделения реагентов и продуктов.

24. Элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды изготовлены из слоя пористого проводящего материала, снабженного поверхностью, содержащей катализатор, и поверхностью, содержащей гидрофобный материал.

25. Элемент по п.24, отличающийся тем, что материал слоя является гибкой углеродной тканью.

26. Элемент по п.24, отличающийся тем, что материал слоя является копировальной бумагой.

27. Элемент по п.24, отличающийся тем, что материал слоя является гибкой тканью из коррозионностойкого металла, выбранного из группы, включающей нержавеющие стали, высоколегированные стали и хромоникелевые сплавы.

28. Элемент по п.24, отличающийся тем, что электроды снабжены покрытием из полимера, обладающего ионообменными характеристиками, нанесенным на поверхность, содержащую катализатор.

29. Элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды не прикреплены к мембране до сборки химического источника тока.

30. Элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды прикреплены к мембране перед сборкой химического источника тока и образуют единую конструкцию.

31. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что двухполюсные или торцевые платины снабжены внешними соединениями или углублениями, пригодными для короткого замыкания.

32. Элемент по п.1, отличающийся тем, что химический источник тока является топливным элементом, предназначенным для снабжения газообразными реагентами, содержащими водород и кислород.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8