Что необходимо знать и иметь для сборки топливного элемента

Первым шагом в создании топливного элемента является определение требований к энергопотреблению, необходимых для питания конкретного устройства или приложения. Топливные элементы могут использоваться для питания чего угодно, включая телефоны, ноутбуки, автомобили, автобусы, дома, предприятия и даже космические шаттлы! Один топливный элемент может быть сконструирован таким образом, чтобы обеспечить любой ток, необходимый для конкретного применения, путем простого увеличения или уменьшения размера активной зоны электрода. Выходное напряжение одного элемента питания в реальных условиях эксплуатации составляет менее 1 В, но большинство разработчиков топливных элементов используют напряжение от 0.6 до 0.7 В при номинальной мощности. Однако системы топливных элементов могут быть рассчитаны на номинальное напряжение 0.8 В на элемент или выше, если правильно подобраны конструкция, материалы, условия эксплуатации, баланс оборудования и электроника. В большинстве случаев используется система топливных элементов, состоящая из множества отдельных элементов, соединенных последовательно. Количество ячеек в наборе определяется максимальным требуемым напряжением и желаемым рабочим напряжением.

Строение одноэлентного топливного элемента

Выходная мощность батареи топливных элементов может быть рассчитана путем расчета максимально возможной мощности и скачков напряжения, которые могут возникнуть во время работы устройства (в зависимости от нагрузки), а затем путем учета коэффициента запаса прочности при расчете проектной мощности. После оценки первоначальных требований к мощности можно приступить к подготовке деталей и материалов для топливного элемента. Основными компонентами топливного элемента, показанных на рисунках 1 и 2 являются:

 

 Рисунок 1. Иллюстрация одноэлементного топливного элемента. 

 

  1. Протонообменная мембрана, которая способствует протеканию химической реакции внутри топливного элемента, позволяя потоку протонов водорода проходить через мембрану;
  2. Газодиффузионный слой с высокой электронной проводимостью, который позволяют топливу и окислителю перемещаться к катализатору, собирая электроны, и отходить продукту электрохимической реакции, воде. Так же он снимает вырабатываемую энергию;
  3. Катализатор, который расщепляет топливо на протоны и электроны;
  4. Биполярные пластины, распределяющие газы и жидкости по всему топливному элементу;
  5. Изолирующие прокладки, которые предотвращают утечку топлива и помогают распределять давление в топливной трубке;
  6. Токосъемники, которые собирают электроны с биполярных пластин;
  7. Торцевые пластины, которые обеспечивают поддержку и сжатие компонентов;
  8. Крепежные элементы, который удерживает структурные элементы батарею вместе.

Конечно, существует множество вспомогательных компонентов, которые добавляются в коммерческие блоки топливных элементов для оптимизации и контроля производительности блока топливных элементов. Для систем больших размеров необходимы отдельные системы увлажнения и охлаждения, чтобы температура в системе оставалась достаточно низкой для того, чтобы перфторированная мембрана Nafion®/Fumapem® оставалась увлажненной и эффективно проводила протоны. При выборе подходящей конструкции топливного элемента необходимо учитывать несколько основных моментов:

  • Топливо и окислитель должны быть равномерно распределены по площади поверхности каждого элемента и равномерно распределены по всей батарее. Это обеспечит равномерное выделение электроэнергии и воды в батарее.
  • Температура должна быть одинаковой по всей батареи топливных элементов. Это становится сложной задачей по мере увеличения количества элементов и увеличения потребляемой мощности. Равномерная температура обеспечивает равномерное распределение электроэнергии, поскольку с повышением температуры становится все труднее управлять подачей воды.
  • При проектировании топливного элемента с полимерным электролитом мембрана не должна пересыхать или переувлажняться водой. Плохо организованный "менеджмент воды" значительно снижает производительность топливного элемента.
  • Потери на сопротивление должны быть сведены к минимуму. Одним из способов снижения этих потерь является обеспечение хорошего контакта между проводящими компонентами, что позволяет электронам проходить с минимальным сопротивлением.
  • Блок должен быть надлежащим образом герметизирован, чтобы исключить утечку газа. Прокладки должны быть соответствующего размера, чтобы обеспечить надежную герметизацию блока.
  • Стэк должен быть прочным и выдерживать необходимые условия окружающей среды.

 

how to build a fuel cell 2

 Рисунок 2. Отдельные части блока топливных элементов.

Требуемые материалы и вспомогательные элементы для сборки топливного элемента

Чтобы изготовить топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC), необходимы следующие основные материалы для изготовления вашего первого топливного элемента:

  1. Протонообменная мембрана, такая как Nafion®  или Fumapem®;
  2. Раствор Nafion®;
  3. Газодиффузионный слой: углеродная ткань или бумага;
  4. Катализатор, обычно платиновый;
  5. Графитовые или другие типы пластин для изготовления биполярных пластин;
  6. Изолирующие прокладки для герметизации газов в зоне каналов;
  7. Металл для изготовления токоотводов;
  8. Торцевые пластины;
  9. Комплект крепежных элементов, таких как гайки и болты;
  10. Генератор водорода;
  11. Инструменты для тестирования, такие как мультиметр, осциллограф или испытательные стенды для топливных элементов;
  12. Термопресс или другие инструменты для сборки мембранно-электродного блока.