Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7171
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
H 01M 8/00
H 01M 8/04
(54) ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ИОНООБМЕННОЙ МЕМБРАНОЙ
И СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
(21) Номер заявки: u 20100781
(22) 2010.09.13
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Бела-
руси" (BY)
(72) Авторы: Филатов Сергей Александро-
вич (BY); Кучинский Георгий Стани-
славович (BY); Альюсеф, Юсеф Мо-
хаммед (SA); Филатова Ольга Сер-
геевна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт тепло-
и массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Белару-
си" (BY)
(57)
1. Топливный элемент, содержащий, по меньшей мере, элементарный элемент, огра-
ниченный двумя биполярными пластинами и включающий ионообменную мембрану, два
электрода, тесно контактирующие с указанной мембраной, причем биполярные пластины
Фиг. 1
BY7171U2011.04.30

2. BY 7171 U 2011.04.30
2
и мембраны снабжены отверстиями для подачи газов, содержащих водород и кислород, к
единичным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся воды, а так-
же систему охлаждения, отличающийся тем, что биполярные пластины выполнены сбор-
ными, каждая из которых включает пластину с газораспределительными каналами и
теплосъемную пластину, причем теплосъемная пластина снабжена тепловыми трубами,
связанными с внешним радиатором.
2. Топливный элемент, содержащий, по меньшей мере, элементарный элемент, огра-
ниченный двумя биполярными пластинами и включающий ионообменную мембрану, два
электрода, тесно контактирующие с указанной мембраной, причем биполярные пластины
и мембраны снабжены отверстиями для подачи газов, содержащих водород и кислород, к
единичным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся воды, а так-
же систему охлаждения, отличающийся тем, что биполярные пластины выполнены сбор-
ными, каждая из которых включает пластину с газораспределительными каналами и
теплосъемную пластину, причем теплосъемная пластина выполнена выступающей за га-
бариты электрода и снабжена встроенными каналами, в которых выполнены тепловые
трубы.
3. Топливный элемент, содержащий, по меньшей мере, элементарный элемент, огра-
ниченный двумя биполярными пластинами и включающий ионообменную мембрану, два
электрода, тесно контактирующие с указанной мембраной, причем биполярные пластины
и мембраны снабжены отверстиями для подачи газов, содержащих водород и кислород, к
единичным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся воды, а так-
же систему охлаждения, отличающийся тем, что биполярные пластины выполнены вы-
ступающими за габариты электрода и снабжены газораспределительными каналами, а
также встроенными каналами, в которых выполнены тепловые трубы.
(56)
1. Заявка РФ 98115001, МПК Н 01М 8/00, 2000.
Предлагаемый топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлажде-
ния (варианты) относится к области химических источников тока, в частности к топлив-
ным элементам с ионообменной мембраной, и может быть использован в качестве
электрохимического источника тока.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению (прототип)
является топливный элемент с ионообменной мембраной и периферийной системой охла-
ждения [1]. Указанное устройство содержит, по меньшей мере, элементарный элемент,
ограниченный двумя биполярными пластинами и включающий в себя ионообменную
мембрану, два электрода в тесном контакте с указанной мембраной и две прокладки,
снабженные распределительными каналами. Биполярные пластины изготовлены из плос-
кого листа, имеют отверстия для подачи газов, содержащих водород и кислород, к еди-
ничным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся воды.
Топливный элемент дополнительно снабжен продольными каналами для протекания
охлаждающей текучей среды. При этом протекание ее локализовано в периферийной об-
ласти биполярных пластин.
Топливный элемент с ионообменной мембраной и периферийной системой охлажде-
ния работает следующим образом. Газы, содержащие водород и кислород, через соответ-
ствующие отверстия, расположенные в биполярных пластинах, и далее по распреде-
лительным каналам прокладок подаются к электродам. Через газопроницаемые электроды
газы поступают, соответственно, к катодной и анодной сторонам мембраны. Поверхность
мембраны содержит частицы катализатора, например платины. Молекула газа топлива,
например водорода, в присутствии катализатора расщепляется, при этом протоны прохо-

3. BY 7171 U 2011.04.30
3
дят через мембрану, а электроны собираются электродом и с характерным для него сопро-
тивлением через биполярные пластины передаются во внешнюю электрическую цепь топ-
ливного элемента. Кислород поступает к поверхности контакта второго электрода и
мембраны, где происходит каталитическая реакция соединения окислителя с протоном,
прошедшим через мембрану, и электроном, пришедшим из внешней цепи. Перечисленные
процессы происходят с выделением тепловой энергии в пакете мембраны и электродов.
Благодаря теплопроводности тепловая энергия отводится биполярными пластинами в пе-
риферийную область, через которую проходят каналы для протекания охлаждающей сре-
ды. Однако такая конструкция топливного элемента обладает недостатками. Конечная
величина теплопроводности материала, а также конечная толщина биполярных пластин не
позволяют осуществить эффективный теплоотвод от электродов на периферию топливного
элемента и теплообмен с охлаждающей средой. Наличие канала для протекания охлаждаю-
щей среды, проходящего сквозь весь пакет топливного элемента, накладывает ограничения
на электрическую проводимость и химическую активность охлаждающей среды.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности
устройства за счет улучшения теплоотвода от электродов и мембраны по всей их рабочей
площади при повышении равномерности распределения температуры.
Задача решается следующим образом.
Известный топливный элемент содержит, по меньшей мере, элементарный элемент,
ограниченный двумя биполярными пластинами и включающий ионообменную мембрану,
два электрода, тесно контактирующие с указанной мембраной, причем биполярные пла-
стины и мембраны снабжены отверстиями для подачи газов, содержащих водород и кис-
лород, к единичным элементам и для удаления отработавших газов и образовавшейся
воды, а также систему охлаждения.
Согласно предлагаемому техническому решению по варианту 1, биполярные пласти-
ны выполнены сборными, каждая из которых включает пластину с газораспределитель-
ными каналами и теплосъемную пластину, причем теплосъемная пластина снабжена
тепловыми трубами, связанными с внешним радиатором. Это значительно повышает эф-
фективность устройства за счет улучшения теплоотвода из топливного элемента и сниже-
ния рабочей температуры электродов и мембраны по всей активной площади при
повышении равномерности распределения температуры.
Согласно предлагаемому техническому решению по варианту 2, биполярные пласти-
ны выполнены сборными, каждая из которых включает пластину с газораспределитель-
ными каналами и теплосъемную пластину, причем теплосъемная пластина выполнена
выступающей за габариты электрода и снабжена встроенными каналами, в которых вы-
полнены тепловые трубы. Вариант 2 топливного элемента позволяет повысить эффектив-
ность устройства за счет улучшения теплоотвода из топливного элемента, а также
снижение рабочей температуры электродов и мембраны по всей активной площади, при
этом значительно повышается технологичность сборки топливного элемента.
Согласно предлагаемому техническому решению по варианту 3, биполярные пласти-
ны выполнены выступающими за габариты электрода и снабжены газораспределительны-
ми каналами, а также встроенными каналами, в которых выполнены тепловые трубы.
Данный вариант топливного элемента позволяет повысить эффективность устройства за
счет улучшения теплоотвода из топливного элемента и снижения рабочей температуры
электродов и мембраны по всей активной площади при повышенной технологичности из-
готовления конструктивных элементов и сборке топливного элемента.
На фиг. 1 показан топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охла-
ждения по варианту 1.
На фиг. 2 показан топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охла-
ждения по варианту 2. Показана теплосъемная пластина со встроенным каналом, в кото-
ром выполнена тепловая труба.

4. BY 7171 U 2011.04.30
4
На фиг. 3 показан топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охла-
ждения по варианту 3. Показана биполярная пластина со встроенным каналом, в котором
выполнена тепловая труба.
Для наглядности каждый вариант топливного элемента изображен с разнесенными в
пространстве элементами конструкции.
По варианту 1 топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения
состоит из ионообменной мембраны 1, которая для обеспечения электрической проводи-
мости состоит в тесном контакте с двумя электродами 2. Электроды 2 с внешней стороны
своей поверхностью находятся в контакте соответственно с пластинами 3, снабженными
распределительными каналами 4, что обеспечивает электрический контакт и съем теп-
ловой энергии с электродов 2 и мембраны 1, а также равномерное распределение газов,
содержащих кислород и водород, по поверхности мембраны 1. Пластины 3 с распредели-
тельными каналами 4 внешними поверхностями контактируют с теплосъемными пласти-
нами 5, снабженными тепловыми трубами 6, конденсационная часть которых связана с
внешним радиатором 7, а испарительная часть тепловых труб 6 расположена на тепло-
съемных пластинах 5. Через отверстия 8 производится подача газов, содержащих водород
и кислород, к распределительным каналам 4.
По варианту 2 топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения
состоит из ионообменной мембраны 1, состоящей в тесном контакте с двумя электродами
2, которые с внешней стороны соответственно находятся в контакте с пластинами 3,
снабженными распределительными каналами 4. С внешними сторонами пластин 3 контак-
тируют теплосъемные пластины 5, содержащие один или более встроенных каналов 9, в
которых выполнены тепловые трубы 6 с конденсационной частью, вынесенной за контур
электродов 2.
По варианту 3 топливный элемент с ионообменной мембраной и системой охлаждения
состоит из ионообменной мембраны 1, состоящей в тесном контакте с двумя электродами
2, которые с внешней стороны находятся в контакте с областью распределительных кана-
лов 4 внутренних сторон биполярных пластин 10. Биполярные пластины содержат встро-
енные каналы 9, в которых выполнены тепловые трубы 6, конденсационная часть которых
вынесена за контур электродов 2.
Предлагаемый топливный элемент работает следующим образом.
По варианту 1 газы, содержащие водород и кислород, проходят через соответствую-
щие отверстия 8 в биполярных пластинах и по распределительным каналам 4 пластин 3
распределяются по поверхности электродов 2, расположенных с двух сторон в тесном
контакте с мембраной 1. Электроды 2 выполнены из электропроводных и проницаемых
для газов материалов. Газ, содержащий водород, поступает к анодной стороне мембраны
1. На поверхности мембраны 1 молекула газа топлива, например водорода, в присутствии
катализатора расщепляется, при этом протоны проходят через мембрану 1, а электроны
собираются электродом 2 и через сборные биполярные пластины передаются во внешнюю
электрическую цепь топливного элемента. Кислород поступает к поверхности контакта
второго электрода 2 и мембраны 1, где происходит каталитическая реакция соединения
окислителя с протоном, прошедшим через мембрану 1, и электроном, пришедшим через
вторую сборную биполярную пластину из внешней цепи. В результате реакции образуется
вода. Перечисленные процессы происходят с выделением тепловой энергии в пакете мем-
браны и электродов. Посредством теплового контакта тепловая энергия от электродов 2
передается пластинам 3 с распределительными каналами 4 и далее теплосъемным пласти-
нам 5. Пластины 3 с распределительными каналами 4 и теплосъемные пластины 5 выпол-
нены из электро- и теплопроводящих материалов. В теплосъемные пластины 5
испарительными участками вмонтированы тепловые трубы 6. Тепловыми трубами 6 теп-
ловая энергия передается радиаторам 7. Радиаторы 7 закреплены на конденсационных ча-
стях тепловых труб 6. При помощи конвекционного и радиационного теплообмена

5. BY 7171 U 2011.04.30
5
тепловая энергия отводится от радиатора 7. Так как тепловые трубы 6 обеспечивают на
своей длине минимальный перепад температуры, то на участке теплосъемных пластин 5,
где вмонтирован ее испарительный участок, обеспечивается съем тепловой энергии с ми-
нимальным градиентом температуры. Данная конструкция топливного элемента с ионо-
обменной мембраной и системой охлаждения с тепловыми трубами позволяет изменять
конфигурацию взаимного расположения энерговыделяющих и охлаждающих элементов
конструкции.
По варианту 2 элементарный топливный элемент с ионообменной мембраной и систе-
мой охлаждения работает следующим образом. Электрохимические процессы и тепловы-
деление происходит аналогично варианту 1. Тепловая энергия от мембраны и электродов
посредствам контакта передается пластинам 3 с распределительными каналами 4 и далее
теплосъемным пластинам 5. В контактной зоне теплосъемных пластин 5 тепловая энергия
поглощается испарительными участками тепловых труб 6, выполненных во встроенных
каналах 9. По тепловым трубам 6 и по материалу теплосъемных пластин 5 тепло перено-
сится к области теплосъемных пластин 5, выступающей за габарит электрода 2, выполня-
ющей роль радиатора. Основная часть тепловой энергии передается по тепловым трубам 6
ввиду малого их теплового сопротивления. Конструкция тепловых труб 6, выполненных
во встроенных каналах 9, исключает тепловое сопротивление на переходе теплосъемая
пластина 5 - внутренняя поверхность тепловой трубы 6, что обеспечивает на нем мини-
мальную разность температуры. Таким образом, конвекционным и радиационным тепло-
обменом с поверхности участков теплосъемных пластин 5, выступающих за габарит
электродов 2, производится эффективный теплообмен из внутреннего объема топливного
элемента. Вариант сборных биполярных пластин позволяет выполнять пластины 3 с рас-
пределительными каналами 4 и теплосъемные пластины 5 из материалов с оптимальными
параметрами по коррозионной стойкости и электропроводности.
По варианту 3 элементарный топливный элемент с ионообменной мембраной и систе-
мой охлаждения работает следующим образом. Электрохимические процессы и тепловы-
деление происходит аналогично варианту 1. Тепловая энергия от мембраны 1 и
электродов 2 посредством контакта передается биполярным пластинам 10 с распредели-
тельными каналами 4. По тепловым трубам 6, выполненным во встроенных каналах 9,
тепловая энергия передается к области биполярных пластин 10, выступающей за габарит
электрода и выполняющей роль радиатора. Данная конструкция позволяет повысить тех-
нологичность изготовления конструктивных элементов и упростить технологию сборки
топливного элемента.
Таким образом, за счет улучшения теплоотвода от электродов и мембраны по всей их
рабочей площади при повышении равномерности распределения температуры повышает-
ся эффективность работы топливного элемента.

6. BY 7171 U 2011.04.30
6
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.