БЛОК ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ТВЕРДОМ ПОЛИМЕРНОМ ЭЛЕКТРОЛИТЕ, БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЛОКА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2005 года по МПК H01M8/10 H01M8/24 

Область техники

Настоящее изобретение относится к блоку топливных элементов на твердом полимерном электролите, включающему в свой состав множество единичных топливных элементов, уложенных в штабель, причем каждый из единичных топливных элементов имеет рабочий элемент, образованный мембраной из твердого полимерного электролита, установленной между анодом и катодом, а также к батарее топливных элементов, полученной в результате укладки блоков топливных элементов на твердом полимерном электролите в штабель, и способу эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите.

Предшествующий уровень техники

В общем случае, топливный элемент на твердом полимерном электролите (PEFC) включает в свой состав единичный топливный элемент (единичный генератор электроэнергии), образованный в результате размещения анода и катода, каждый из которых выполнен в основном из углерода, по обе стороны от мембраны из электролита, представляющей собой полимерную ионообменную мембрану (катионообменную мембрану), образующих основной рабочий элемент (мембранно-электродный узел) и установки полученного рабочего элемента между разделителями (биполярными пластинами). Топливный элемент на твердом полимерном электролите, как правило, используется в качестве батареи топливных элементов, имеющей в своем составе определенное количество единичных топливных элементов.

В топливном элементе этого типа при подаче газообразного топлива, например газа, главным образом содержащего водород (в дальнейшем называемого "водородсодержащий газ"), к аноду водород в водородсодержащем газе ионизируется на катализаторном электроде и мигрирует к катоду через электролит, а электроны, полученные при такой электрохимической реакции, экстрагируются во внешнюю цепь и используются как электрическая энергия в форме постоянного электрического тока. В этом случае, поскольку газообразный окислитель, например газ, главным образом содержащий кислород или воздух (в дальнейшем называемый "кислородсодержащий газ") подается к катоду, то водородные ионы, электроны и кислород реагируют друг с другом и в результате на катоде образуется вода.

В тех случаях, когда батарея топливных элементов используется как источник электроэнергии на транспортном средстве, то от этой батареи топливных элементов требуется относительно большая выходная мощность. Для выполнения такого требования используется конструкция, позволяющая увеличить площадь плоскости реакции (плоскости, генерирующей электроэнергию) в единичном топливном элементе, или конструкция, обеспечивающая возможность укладки большого количества единичных топливных элементов в штабель.

Однако недостаток первой из указанных конструкций заключается в том, что при больших размерах каждого единичного топливного элемента габариты батареи топливных элементов также становятся большими и такая большая батарея топливных элементов является неподходящим источником электроэнергии для транспортного средства. Соответственно, большее распространение получила другая конструкция с возможностью укладки большого количества относительно компактных единичных топливных элементов в штабель. Однако при большом количестве уложенных в штабель единичных топливных элементов в направлении укладки возникает градиент температур, а также происходит ухудшение стока воды, являющейся продуктом электрохимической реакции, что не позволяет гарантировать требуемую характеристику выработки электроэнергии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является разрешение описанных выше проблем и создание блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, имеющего простую конструкцию и позволяющего достичь эффективного улучшения характеристики выработки электроэнергии каждого единичного топливного элемента и уменьшения размеров блока топливных элементов, а также батареи топливных элементов, полученной в результате укладки таких блоков топливных элементов в штабель.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, обеспечивающего эффективную выработку электроэнергии каждым единичным топливным элементом, улучшение дренажной характеристики и т.п.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается блок топливных элементов на твердом полимерном электролите, включающий в свой состав множество единичных топливных элементов, уложенных в штабель, каждый из которых имеет основной рабочий элемент, образованный мембраной из твердого полимерного электролита, установленной между анодом и катодом, отличающийся тем, что по меньшей мере два из множества единичных топливных элементов имеют конструктивные отличия. Такое конструктивное решение позволяет получить оптимальную конструкцию для протекания реакции в каждом единичном топливном элементе и, следовательно, эффективно увеличить выработку электроэнергии.

В описанном выше блоке топливных элементов по меньшей мере в двух из множества единичных топливных элементов могут быть выполнены группы каналы для химически активных газов, обеспечивающие возможность прохождения газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов, и площади поперечного сечения групп каналов для химически активных газов могут отличаться друг от друга. Такая конструкция обеспечивает возможность уравнивания реакции на плоскости реакции одного единичного топливного элемента с реакцией на плоскости реакции другого единичного топливного элемента даже в случае снижения количество химически активного газа вследствие электрохимической реакции.

Площади поперечного сечения разных групп каналов для химически активных газов могут отличаться друг от друга за счет различия глубины, ширины и/или количества самих каналов для химически активных газов одной из групп каналов. Такая конструкция в результате уменьшения глубины каналов обеспечивает возможность уменьшения толщины единичных топливных элементов и, следовательно, позволяет осуществить миниатюризацию блока топливных элементов в целом. Кроме того, уменьшение ширины каналов или количества самих каналов позволяет увеличить площадь контактной области между двумя соседними единичными топливными элементами и, следовательно, снизить контактное сопротивление.

Группы каналов для химически активных газов, обеспечивающих возможность прохождения газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов, могут быть выполнены по меньшей мере в двух из множества единичных топливных элементов и иметь взаимно различную длину. Такая конструкция позволяет снизить давление в единичном топливном элементе с более длинными каналами для химически активного газа и поэтому обеспечивает возможность улучшения стока воды, образующейся в единичном топливном элементе.

Группы каналов для химически активных газов, обеспечивающих возможность прохождения газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов, могут быть выполнены по меньшей мере в двух из множества единичных топливных элементов и иметь взаимно различную форму. Например, придание одной из групп каналов для химически активного газа формы прямых линий и придание другой из групп каналов для химически активного газа формы меандра позволяет получить оптимальную структуру для реакции в каждом единичном топливном элементе.

По меньшей мере два из множества единичных топливных элементов могут включать в свой состав различные рабочие элементы. Например, в составе по меньшей мере двух единичных топливных элементов один из рабочих элементов, размещенный ниже по направлению потока химически активного газа, протекающего по каналам для химически активного газа, может иметь более высокую термостойкость, чем другой, размещенный выше по направлению потока химически активного газа. Это обусловлено тем, что температура рабочего элемента, размещенного ниже по направлению потока химически активного газа, становится более высокой, чем температура рабочего элемента, размещенного выше по направлению потока химически активного газа. В частности, в составе по меньшей мере двух единичных топливных элементов один из рабочих элементов, размещенный со стороны относительно низкой температуры, может содержать мембрану на основе фтора, а другой, размещенный со стороны относительно высокой температуры, - мембрану на основе углеводорода. Поскольку рабочий элемент, размещенный ниже, имеющий более высокую температуру, чем рабочий элемент, размещенный выше, включает в свой состав мембрану на основе углеводорода, имеющую высокую термостойкость, то такая конструкция позволяет увеличить период нормальной эксплуатации этого рабочего элемента.

В блоке топливных элементов каналы для химически активных газов, обеспечивающие возможность протекания газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов во множестве единичных топливных элементов, выполнены так, что по меньшей мере некоторые из них соединены друг с другом последовательно. Здесь формулировка "по меньшей мере некоторые" означает по меньшей мере две или более группы из множества групп каналов для химически активного газа или по меньшей мере часть каналов из каждой группы каналов для химически активного газа.

Такая конструкция обеспечивает возможность уравнивания влажности в одном единичном топливном элементе с влажностью в другом единичном топливном элементе только за счет увеличения расхода химически активного газа, подаваемого в блок топливных элементов. Это позволяет достичь уравнивания распределений плотности тока во множестве единичных топливных элементов и, следовательно, снижения концентрационного перенапряжения. Кроме того, обеспечивается возможность эффективного стока воды, образующейся в каждом единичном топливном элементе, только за счет увеличения расхода химически активного газа, подаваемого в блок топливных элементов и, следовательно, возможность улучшения дренажной характеристики блока топливных элементов в целом.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается батарея топливных элементов, включающая в свой состав множество блоков топливных элементов, уложенных в штабель, отличающаяся тем, что каждый из множества блоков топливных элементов включает в свой состав множество единичных топливных элементов, уложенных в штабель, каждый из которых имеет рабочий элемент, образованный мембраной из твердого полимерного электролита, установленной между анодом и катодом, причем по меньшей мере два из множества единичных топливных элементов имеют конструктивные отличия друг от друга.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, отличающийся тем, что по меньшей мере два из множества блоков топливных элементов работают во взаимно различных условиях. В частности, что температура одного из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенного ниже по направлению потока химически активного газа) может быть задана более высокой, чем температура другого из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенного выше по направлению потока химически активного газа). Ниже по направлению потока химически активного газа образуется большое количество воды, однако в соответствии с такой конструкцией в результате повышения температуры единичного топливного элемента, размещенного ниже, обеспечивается возможность улучшения его дренажной характеристики.

Скорость потока химически активного газа, протекающего в одном из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенном ниже по направлению потока химически активного газа), может быть задана более высокой, чем скорость потока химически активного газа, протекающего в другом из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенном выше по направлению потока химически активного газа). Такая конструкция обеспечивает возможность гарантированного стока воды, образующейся в большом количестве ниже по направлению потока.

Влажность во впускном отверстии для химически активного газа одного из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенного ниже по направлению потока химически активного газа) может быть задана более низкой, чем влажность в выпускном отверстии для химически активного газа другого из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенного выше по направлению потока химически активного газа). Такая конструкция обеспечивает возможность беспрепятственного стока воды, образующейся ниже по направлению потока.

Коэффициент использования химически активного газа в одном из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенном ниже по направлению потока химически активного газа) может быть задан более высоким, чем коэффициент использования химически активного газа в другом из по меньшей мере двух единичных топливных элементов (размещенном выше по направлению потока химически активного газа). Такая конструкция обеспечивает возможность повышения коэффициента использования химически активного газа в блоке топливных элементов в целом.

Указанные выше цели, особенности и преимущества настоящего изобретения становятся более очевидными из следующего ниже описания, сопровождаемого ссылками на чертежи, на которых предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения иллюстрируются примерами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего первому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.2 - схематическое пространственное изображение батареи топливных элементов;

фиг.3 - вид основной части блока топливных элементов в разрезе;

фиг.4 - вид спереди первого разделителя в составе блока топливных элементов;

фиг.5 - изображение потоков газообразного окислителя, газообразного топлива и хладоносителя в блоке топливных элементов;

фиг.6 - вид каналов топливных элементов в разрезе, имеющих разные площади поперечного сечения за счет разной глубины;

фиг.7 - вид каналов топливного элемента в разрезе, имеющих разные площади поперечного сечения за счет разной ширины;

фиг.8 - вид каналов топливных элементов в разрезе, имеющих разные площади поперечного сечения за счет разного количества самих каналов;

фиг.9 - пространственное изображение блока топливных элементов с меняющейся длиной каналов в разобранном виде;

фиг.10 - график температуры катодов в первом и втором единичных топливных элементах;

фиг.11 - график относительной влажности катодов в первом и втором единичных топливных элементах;

фиг.12 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего второму примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.13 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего третьему примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.14 - вид спереди первого разделителя в составе блока топливных элементов;

фиг.15 - изображение потоков газообразного окислителя, газообразного топлива и хладоносителя в блоке топливных элементов, соответствующем третьему примеру осуществления;

фиг.16 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего четвертому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.17 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего пятому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде;

фиг.18 - изображение потоков газообразного окислителя, газообразного топлива и хладоносителя в блоке топливных элементов, соответствующем пятому примеру осуществления настоящего изобретения;

фиг.19 - пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, соответствующего шестому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде; и

фиг.20 - изображение потоков газообразного окислителя, газообразного топлива и хладоносителя в блоке топливных элементов, соответствующем третьему примеру осуществления настоящего изобретения;

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На Фиг.1 представлено пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите 10, соответствующего первому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде, а на Фиг.2 - схематическое пространственное изображение батареи топливных элементов 12, полученной в результате укладки множества групп блоков топливных элементов 10 в штабель.

Как показано на Фиг.1, блок топливных элементов 10 включает в свой состав первый единичный топливный элемент 14 и второй единичный топливный элемент 16, которые уложены в штабель. Первый единичный топливный элемент 14 имеет первый рабочий элемент 18, а второй единичный топливный элемент 16 - второй рабочий элемент 20.

Первый рабочий элемент 18 имеет катод 24а и анод 26а, между которыми размещена мембрана из твердого полимерного электролита 22а, а второй рабочий элемент 20 имеет катод 24b и анод 26b, между которыми размещена мембрана из твердого полимерного электролита 22b. Каждый из катодов 24а, 24b и анодов 26а, 26b получен в результате образования катализаторного электродного слоя из благородного металла на подложке, выполненной в основном из углерода, и последующего формирования пористого газодиффузионного слоя из пористой копировальной бумаги или т. п.

Как показано на Фиг.1 и 3, первый разделитель 28 установлен со стороны катода 24а первого рабочего элемента 18, а второй разделитель 30 - со стороны анода 26b второго рабочего элемента 20. Между первым и вторым рабочими элементами 18 и 20 размещен промежуточный разделитель 32. Со стороны внешней поверхности каждого из разделителей 28 и 30 (первого и второго) установлена тонкостенная пластина (перегородка) 34.

Как показано на Фиг.1, на одном краевом участке в направлении длинной стороны первый и второй рабочие элементы 18, 20, первый и второй разделители 28, 30, а также промежуточный разделитель 32 имеют впускное отверстие для газообразного окислителя 36а, выпускное отверстие для газообразного окислителя 36b и промежуточное соединительное отверстие для газообразного топлива 38. Впускное отверстие для газообразного окислителя 36а и выпускное отверстие для газообразного окислителя 36Ь обеспечивают возможность прохождения газообразного окислителя (химически активного газа), например кислородсодержащего газа или воздуха. Промежуточное соединительное отверстие для газообразного топлива 38 обеспечивает возможность прохождения газообразного топлива (химически активного газа), например водородсодержащего газа. Впускные отверстия для газообразного окислителя 36а (выпускные отверстия для газообразного окислителя 36b и промежуточные соединительные отверстия для газообразного топлива 38), выполненные в компонентах топливных элементов 18, 20, 28, 30 и 32, соединены друг с другом в направлении укладки (показанном стрелкой А) первого и второго единичных топливных элементов 14,16.

На другом краевом участке в направлении длинной стороны первый и второй рабочие элементы 18, 20, первый и второй разделители 28, 30, а также промежуточный разделитель 32 имеют промежуточное соединительное отверстие для газообразного окислителя 40, впускное отверстие для газообразного топлива 42а, выпускное отверстие для газообразного топлива 42b, впускное отверстие для хладоносителя 44а и выпускное отверстие для хладоносителя 44b. Промежуточное соединительное отверстие для газообразного окислителя 40 обеспечивает возможность прохождения газообразного окислителя. Впускное отверстие для газообразного топлива 42а и выпускное отверстие для газообразного топлива 42b обеспечивают возможность прохождения газообразного топлива. Впускное отверстие для хладоносителя 44а и выпускное отверстие для хладоносителя 44b обеспечивают возможность прохождения хладоносителя. Промежуточные соединительные отверстия для газообразного окислителя 40 (впускные отверстия для газообразного топлива 42а, выпускное отверстия для газообразного топлива 42b, впускные отверстия для хладоносителя 44а и выпускные отверстия для хладоносителя 44b), выполненные в компонентах топливных элементов 18, 20, 28, 30 и 32, соединены друг с другом в направлении А.

Первый разделитель 28 выполнен в виде металлического листа. Участок этого металлического листа, обращенный к плоскости реакции (плоскости, генерирующей электроэнергию) первого рабочего элемента 18, сформирован с выступами и впадинами, например в виде рифленой поверхности. В частности, как показано на Фиг.3 и 4, первый разделитель 28 имеет со стороны поверхности, обращенной к катоду 24а первого рабочего элемента 18, множество каналов для газообразного окислителя (каналов для химически активного газа) 46. Каналы для газообразного окислителя 46 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В). Одни концы каналов для газообразного окислителя 46 соединены с впускньм отверстием для газообразного окислителя 36а, а другие концы - с промежуточным соединительньм отверстием для газообразного окислителя 40.

Как показано на Фиг.1 и 3, первый разделитель 28 также имеет со стороны поверхности, обращенной к одной поверхности перегородки 34, множество каналов для хладоносителя 48. Каналы для хладоносителя 48 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанной стрелкой В). Одни концы каналов для хладоносителя 48 соединены с впускным отверстием для хладоносителя 44а, а другие концы - соединены с выпускным отверстием для хладоносителя 44b со стороны другой поверхности перегородки 34 через отверстие 50 в перегородке 34, используемое в качестве промежуточного возвратного отверстия, которое изготавливают в перегородке 34 или в другом элементе.

Второй разделитель 30 выполнен по существу подобным первому разделителю 28. Второй разделитель 30 имеет со стороны поверхности, обращенной к аноду 26b второго рабочего элемента 20, множество каналов для газообразного топлива (каналов для химически активного газа) 52. Каналы для газообразного топлива 52 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В). Одни концы каналов для газообразного топлива 52 соединены с промежуточным соединительным отверстием для газообразного топлива 38, а другие концы - с выпускным отверстием для газообразного топлива 42b. Второй разделитель 30 также имеет со стороны поверхности, обращенной к перегородке 34 соседнего блока топливных элементов 10, множество каналов для хладоносителя 54. Каналы для хладоносителя 54 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В), причем концы этих каналов соединены с выпускным отверстием для хладоносителя 44b.

Промежуточный разделитель 32 выполнен по существу подобным первому и второму разделителям 28, 30. Промежуточный разделитель 32 имеет со стороны поверхности, обращенной к аноду 26а первого рабочего элемента 18, множество каналов для газообразного топлива (каналов для химически активного газа) 56. Каналы для газообразного топлива 56 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В). Одни концы каналов для газообразного топлива 56 соединены с впускным отверстием для газообразного топлива 42а, а другие концы - с промежуточным соединительным отверстием для газообразного топлива 38.

Как показано на Фиг.3, промежуточный разделитель 32 также имеет со стороны поверхности, обращенной к катоду 24b второго рабочего элемента 20, множество каналов для газообразного окислителя (каналов для химически активного газа) 58. Каналы для газообразного окислителя 58 выполнены в форме прямых линий в направлении длинной стороны (показанном стрелкой В). Одни концы каналов для газообразного окислителя 58 соединены с промежуточным соединительным отверстием для газообразного окислителя 40, а другие концы - с выпускным отверстием для газообразного окислителя 36b.

Площади поперечного сечения каналов для газообразного окислителя 46 и 58, выполненных последовательно в первом и втором единичных топливных элементах 14, 16, отличаются друг от друга. Площади поперечного сечения каналов для газообразного топлива 56 и 52, выполненных последовательно в первом и втором единичных топливных элементах 14, 16, также отличаются друг от друга. Как показано на Фиг.3, площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного окислителя 58 со стороны выпускного отверстия меньше, чем площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного окислителя 46 со стороны впускного отверстия, а площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного топлива 52 со стороны выпускного отверстия меньше, чем площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного топлива 56 со стороны впускного отверстия.

Определенное количество секций из блоков топливных элементов 10, выполненных подобным образом, как показано на Фиг.2, уложено в направлении А в штабель, скрепленный с помощью фиксирующего устройства (не показанного). На обоих краях секций из блоков топливных элементов 10 в направлении А через собирающие электроды 60а и 60b установлены разнесенные концевые пластины 62а и 62b, стянутые с помощью анкерных болтов (не показанных) или аналогичных устройств. Таким образом получают батарею топливных элементов 12.

Концевая пластина 62а имеет на одном краевом участке в направлении длинной стороны отверстие для подачи газообразного окислителя 64а, соединяющееся с впускными отверстиями для газообразного окислителя 36a, и отверстие для сброса газообразного окислителя 64b, соединяющееся с выпускными отверстиями для газообразного окислителя 36b. На другом краевом участке концевой пластины 62а в направлении длинной стороны выполнены отверстие для подачи газообразного топлива 66а, соединяющееся с впускными отверстиями для газообразного топлива 42а, отверстие для сброса газообразного топлива 66b, соединяющееся с выпускными отверстиями для газообразного топлива 42b, отверстие для подачи хладоносителя 68а, соединяющееся с впускными отверстиями для хладоносителя 44а, и отверстие для сброса хладоносителя 68b, соединяющееся с выпускными отверстиями для хладоносителя 44b.

Описание работы батареи топливных элементов 12 и блока топливных элементов 10, имеющих описанную выше конструкцию, приводится ниже.

В батарею топливных элементов 12 газообразное топливо типа водородсодержащего газа подается из отверстия для подачи газообразного топлива 66а, газообразный окислитель типа воздуха или кислородсодержащего газа подается из отверстия для подачи газообразного окислителя 64а, а хладоноситель типа чистой воды, этиленгликоля или масла подается из отверстия для подачи хладоносителя 68а. Следовательно, газообразное топливо, газообразный окислитель и хладоноситель последовательно подаются во множество блоков топливных элементов 10, уложенных в направлении А в штабель.

Как показано на Фиг.5, газообразный окислитель, подаваемый во впускные отверстия для газообразного окислителя 36а, соединенные друг с другом в направлении А, вводится во множество каналов для газообразного окислителя 46, выполненных в первом разделителе 28, и перемещается вдоль катода 24а первого рабочего элемента 18. В то же время газообразное топливо, подаваемый во впускные отверстия для газообразного топлива 42а, соединенные друг с другом в направлении А, вводится во множество каналов для газообразного топлива 56, выполненных в промежуточном разделителе 32, и перемещается вдоль анода 26а первого рабочего элемента 18. Поэтому в первом рабочем элементе 18 газообразный окислитель, подаваемый к катоду 24а, и газообразное топливо, подаваемое к аноду 26а, расходуются вследствие электрохимической реакции в катализаторных слоях, в результате которой вырабатывается электроэнергия.

Газообразный окислитель, часть которого была израсходована в первом рабочем элементе 18, вводится из каналов для газообразного окислителя 46 в промежуточное соединительное отверстие для газообразного окислителя 40 первого рабочего элемента 18, перемещается в направлении А через промежуточные соединительные отверстия для газообразного окислителя 40 первого рабочего элемента 18 и промежуточного разделителя 32 и вводится в каналы для газообразного окислителя 58, выполненные в промежуточном разделителе 32. Этот газообразный окислитель, введенный в каналы для газообразного окислителя 58, далее перемещается вдоль катода 24b второго рабочего элемента 20.

Точно так же газообразное топливо, часть которого была израсходована на аноде 26а первого рабочего элемента 18, вводится в промежуточное соединительное отверстие для газообразного топлива 38 промежуточного разделителя 32, перемещается в направлении А через промежуточные соединительные отверстия для газообразного топлива 38 промежуточного разделителя 32 и второго рабочего элемента 20, вводится в каналы для газообразного топлива 52, выполненные во втором разделителе 30, и далее перемещается вдоль анода 26b второго рабочего элемента 20. Поэтому во втором рабочем элементе 20 газообразный окислитель и газообразное топливо расходуются вследствие электрохимической реакции в катализаторных слоях, в результате которой вырабатывается электроэнергия. Газообразный окислитель с израсходованным кислородом сбрасывается в выпускное отверстие для газообразного кислорода 36b второго разделителя 30, а газообразное топливо с израсходованным водородом сбрасывается в выпускное отверстие для газообразного топлива 42b второго разделителя 30.

С другой стороны, хладоноситель, подаваемый во впускное отверстие для хладоносителя 44а первого разделителя 28, перемещается по каналам для хладоносителя 48, выполненным в первом разделителе 28, возвращается из отверстия 50 в перегородке 34 и перемещается по каналам для хладоносителя 54, выполненным во втором разделителе 30 соседнего блока топливных элементов 10, и сбрасывается в выпускное отверстие для хладоносителя 44b второго разделителя 30.

В соответствии с первым примером осуществления площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного окислителя 46 отличается от площади поперечного сечения каждого канала для газообразного окислителя 58, а площадь поперечного сечения каждого канала для газообразного топлива 56 отличается от площади поперечного сечения каждого канала для газообразного топлива 52. В частности, как показано на Фиг.3, площадь поперечного сечения канала для газообразного окислителя 58 со стороны выпускного отверстия меньше, чем площадь поперечного сечения канала для газообразного окислителя 46 со стороны впускного отверстия, а площадь поперечного сечения канала для газообразного топлива 52 со стороны выпускного отверстия меньше, чем площадь поперечного сечения канала для газообразного топлива 56 со стороны впускного отверстия. В процессе перемещения окисляющего и топливного газов в сторону выпускных отверстий они расходуются вследствие электрохимической реакции и их количество уменьшается. Однако, в соответствии с первым примером осуществления, поскольку площади поперечного сечения каналов для газообразного окислителя 58 и каналов для газообразного топлива 52 со стороны выпускных отверстий меньше, чем площади поперечного сечения каналов для газообразного окислителя 46 и каналов для газообразного топлива 56 со стороны впускных отверстий, то может быть достигнуто уравнивание реакции на плоскости реакции второго рабочего элемента 20 с реакцией на плоскости реакции первого рабочего элемента 18.

Различие площадей поперечного сечения каналов для газообразного окислителя 46 и каналов для газообразного окислителя 58 может быть обеспечено за счет изменения глубины, ширины или количества самих каналов 46 и 58. Точно так же различие площадей поперечного сечения каналов для газообразного топлива 56 и каналов для газообразного топлива 52 может быть обеспечено за счет изменения глубины, ширины или количества самих каналов 56 и 52.

В примере, показанном на Фиг.6, глубина каждого канала для газообразного окислителя 58а, выполненного в промежуточном пластинчатом разделителе 32а, задана меньшей, чем глубина каждого канала для газообразного окислителя 46а, выполненного в первом пластинчатом разделителе 28а, а глубина каждого канала для газообразного топлива 52а, выполненного во втором пластинчатом разделителе 30а, задана меньшей, чем глубина каждого канала для газообразного топлива 56а, выполненного в промежуточном пластинчатом разделителе 32а. Такая конструкция обеспечивает возможность уменьшения толщины каждого из единичных топливных элементов 14 и 16 и, таким образом, позволяет без труда осуществить миниатюризацию блока топливных элементов 10 в целом.

В примере, показанном на Фиг.7, ширина каждого канала для газообразного топлива 52b, сформированного во втором пластинчатом разделителе 30b, со стороны выпускного отверстия меньше, чем ширина каждого канала для газообразного топлива 56b, сформированного в промежуточном разделителе 32b, со стороны впускного отверстия. Такая конструкция обеспечивает возможность увеличения площади контактной области между первым и вторым единичными топливными элементами 14, 16 и, таким образом, позволяет снизить контактное сопротивление. То же самое, хоть и не продемонстрировано, относится и к каналам для газообразного окислителя.

В примере, показанном на Фиг.8, количество каналов для газообразного окислителя 58с, выполненных в промежуточном пластинчатом разделителе 32с, со стороны выпускного отверстия меньше, чем количество каналов для газообразного окислителя 46с, выполненных в первом пластинчатом разделителе 28с, со стороны впускного отверстия, и точно так же количество каналов для газообразного топлива 52с, выполненных во втором пластинчатом разделителе 30с, со стороны выпускного отверстия меньше, чем количество каналов для газообразного топлива 56с, выполненных в промежуточном разделителе 32с, со стороны впускного отверстия. Такая конструкция, подобно примеру, показанному на Фиг.7, обеспечивает возможность эффективного увеличения площади контактной области между первым и вторым единичными топливными элементами 14, 16.

С целью улучшения дренажных характеристик первого и второго единичных топливных элементов 14, 16 длина газовых каналов во втором единичном топливном элементе 16 со стороны выпускного отверстия может быть задана большей, чем длина газовых каналов в первом единичном топливном элементе 14 со стороны впускного отверстия. Со стороны выпускного отверстия образуется большее количество воды, однако в соответствии с описанной выше конструкцией, так как длина газовых каналов со стороны выпускного отверстия больше, то в них со стороны выпускного отверстия происходит снижение давления. Таким образом обеспечивается улучшение стока образующейся воды.

В частности, как показано на Фиг.9, на промежуточном разделителе 32 выполнены каналы для газообразного топлива 56 в форме прямых линий, а на втором разделителе 30d выполнены каналы для газообразного топлива 52d в форме меандра. В результате, достигается эффективное увеличение длины каналов для газообразного топлива 52d со стороны выпускного отверстия по сравнению с длиной каналов для газообразного топлива 56 со стороны впускного отверстия. Вместо каналов для газообразного топлива 52d в форме меандра могут быть использованы каналы для газообразного топлива изогнутой или криволинейной формы.

В соответствии с первым примером осуществления блок топливных элементов 10 представляет собой самостоятельное изделие, полученное из множества единичных топливных элементов, например единичных топливных элементов 14 и 16, поэтому в результате использования блока топливных элементов 10 в качестве сборочной единицы обеспечивается возможность эффективного упрощения процесса сборки батареи топливных элементов 12 по сравнению с традиционным способом, при реализации которого в качестве сборочной единицы использовался единичный топливный элемент.

В соответствии с первым примером осуществления блок топливных элементов 10 выполнен как самостоятельное изделие из первого и второго единичных топливных элементов 14, 16. Кроме того, по меньшей мере некоторые из каналов для газообразного окислителя 46, сформированных в первом единичном топливном элементе 14, соединены последовательно по меньшей мере с некоторыми из каналов для газообразного окислителя 58, выполненных во втором единичном топливном элементе 16, через промежуточные соединительные отверстия для газообразного окислителя 40, и по меньшей мере некоторые из каналов для газообразного топлива 56, выполненных в первом единичном топливном элементе 14, соединены последовательно по меньшей мере с некоторыми из каналов для газообразного топлива 52, выполненных во втором единичном топливном элементе 16, через промежуточные соединительные отверстия для газообразного топлива 38.

Следовательно, в каналы для газообразного окислителя 46 со стороны впускного отверстия подается газообразный окислитель в количестве, требуемом для протекания реакции в первом и втором единичных топливных элементов 14, 16, а в каналы для газообразного топлива 56 со стороны впускного отверстия подается газообразное топливо в количестве, требуемом для протекания реакции в первом и втором единичных топливных элементах 14, 16. Другими словами, расход газообразного окислителя, подаваемого в каналы для газообразного окислителя 46 со стороны впускного отверстия, вдвое превышает расход газообразного окислителя, как правило, требуемого для реакции в одном единичном топливном элементе, а расход газообразного топлива, подаваемого в каналы для газообразного топлива 56 со стороны впускного отверстия, вдвое превышает расход газообразного топлива, как правило, требуемого для реакции в одном единичном топливном элементе.

Вследствие этого, в частности, могут быть улучшены дренажные характеристики каналов для газообразного окислителя 46 и 58, в которых образуется вода, и достигнуто уравнивание влажности в первом единичном топливном элементе 14 с влажностью во втором единичном топливном элементе 16. В результате, обеспечивается возможность уравнивания распределения плотности тока в первом единичном топливном элементе 14 с распределением плотности тока во втором единичном топливном элементе 16, и следовательно, может быть достигнуто снижение концентрационного перенапряжения.

Так как каналы для газообразного окислителя 46 в первом единичном топливном элементе 14 соединены последовательно с каналами для газообразного окислителя 58 во втором единичном топливном элементе 16, а каналы для газообразного топлива 56 в первом единичном топливном элементе 14 соединены последовательно с каналами для газообразного топлива 52 во втором единичном топливном элементе 16, то скорость потока газообразного окислителя, подаваемого во впускные отверстия для газообразного окислителя 36а, а также скорость потока газообразного топлива, подаваемого во впускные отверстия для газообразного топлива 42а, становятся более высокими, чем в традиционных единичных топливных элементах. В результате обеспечивается возможность эффективного стока воды, образующейся в первом и втором единичных топливных элементах 14, 16, и, следовательно, значительного улучшения дренажной характеристики блока топливных элементов 10 в целом.

Ниже приводится описание способа эксплуатации блока топливных элементов, соответствующего настоящему изобретению, с использованием блока топливных элементов 10 и батареи топливных элементов 12. Поскольку основные этапы способа эксплуатации совпадают с рассмотренными выше этапами эксплуатации блока топливных элементов 10 и батареи топливных элементов 12, то ниже приводится лишь краткое описание особенностей способа эксплуатации.

В соответствии со способом эксплуатации, являющимся объектом настоящего изобретения, первый и второй единичные топливные элементы 14, 16 эксплуатируются в различных условиях, в частности, предлагаются первый, второй, третий и четвертый способы реализации этих условий.

В соответствии с первым способом, являющимся предметом настоящего изобретения, температуру второго единичного топливного элемента 16, размещенного ниже по направлению потока, задают более высокой, чем температуру первого единичного топливного элемента 14, размещенного выше по направлению потока. Более подробное описание будет приведено на примере катода 24а в первом единичном топливном элементе 14 и катода 24b во втором единичном топливном элементе 16. В результате более высокой температуры в газовых каналах со стороны второго единичного топливного элемента 16 по сравнению с температурой в газовых каналах со стороны первого единичного топливного элемента 14, как показано на Фиг.10, наблюдается, как показано на Фиг.11, снижение относительной влажности в газовых каналах первого единичного топливного элемента 14 и относительной влажности в газовых каналах первого единичного топливного элемента 16. Причина заключается в следующем: со стороны первого единичного топливного элемента 14 изменение влажности уменьшается за счет того, что в первый единичный топливный элемент 14 подается газообразный окислитель в количестве, требуемом для протекания реакции в первом и втором единичных топливных элементов 14, 16, а со стороны второго единичного топливного элемента 16 относительная влажность снижается за счет того, что температура элемента является более высокой.

Такая конструкция обеспечивает возможность уравнивания относительной влажности в первом единичном топливном элементе 14 с относительной влажностью во втором единичном топливном элементе 16 и поэтому позволяет повысить ионную проводимость каждой из мембран из электролита 22а и 22b и, следовательно, снизить концентрационное перенапряжение.

В соответствии со вторым способом, являющимся предметом настоящего изобретения, скорость потока газообразного окислителя во втором единичном топливном элементе 16 задают более высокой, чем скорость потока газообразного окислителя в первом единичном топливном элементе 14. По мере приближения потока газообразного окислителя к выпускному отверстию количество образующейся воды увеличивается, поэтому задание высокой скорости потока газообразного окислителя во втором единичном топливном элементе 16, размещенном ниже по направлению потока, позволяет улучшить сток образующейся воды.

В соответствии с третьим способом, являющимся предметом настоящего изобретения, влажность во впускном отверстии для газообразного окислителя (во впускном отверстии для химически активного газа) 36а второго единичного топливного элемента 16 задают более низкой, чем влажность в промежуточном соединительном отверстии (в выпускном отверстии для химически активного газа) 40 первого единичного топливного элемента 14 (см. на сплошную линию на Фиг.11).

В соответствии с четвертым способом, являющимся предметом настоящего изобретения, коэффициент использования химически активного газа во втором единичном топливном элементе 16 задают более высоким, чем коэффициент использования химически активного газа в первом единичном топливном элементе 14. Поэтому обеспечивается возможность повышения КПД блока топливных элементов 10 в целом и, следовательно, эффективного снижения расхода химически активного газа.

На Фиг.12 представлено пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите 80, соответствующего второму примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде. В блоке топливных элементов 80 этого примера осуществления компоненты, совпадающие с компонентами в блоке топливных элементов 10, соответствующем первому примеру осуществления, обозначены теми же самыми позициями, и подробное описание этих компонентов опущено. То же самое относится и к следующим третьему и последующим примерам осуществления.

Блок топливных элементов 80 включает в свой состав первый рабочий элемент 82 и второй рабочий элемент 84. Первый рабочий элемент 82 имеет мембрану из электролита на основе фтора 86, а второй рабочий элемент 84 - мембрану из электролита на основе углеводорода 88.

В соответствии со вторым примером осуществления, как описано выше, из-за того, что температура второго рабочего элемента 84, размещенного ниже по направлению потока химически активного газа, выше, чем температура первого рабочего элемента 82, размещенного ниже по направлению потока химически активного газа, то второй рабочий элемент 84 снабжают мембраной из электролита на основе углеводорода 88, имеющей высокую термостойкость. Такая конструкция обеспечивает возможность увеличения периода нормальной эксплуатации второго рабочего элемента 84. Возможность использования второго рабочего элемента 84 в течение длительного периода времени позволяет улучшить экономические характеристики блока топливных элементов 80.

На Фиг.13 представлено пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите 100, соответствующего третьему примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде.

Блок топливных элементов 100 сформирован в результате укладки первого единичного топливного элемента 102 и второго единичного топливного элемента 104 в направлении А в штабель. Первый единичный топливный элемент 102 включает в свой состав первый рабочий элемент 106, а второй единичный топливный элемент 104 включает в свой состав второй рабочий элемент 108. Первый рабочий элемент 106 закреплен между первым разделителем 110 и промежуточным разделителем 114, а второй рабочий элемент 108 закреплен между промежуточным разделителем 114 и вторым разделителем 112.

Каждый из единичных топливных элементов 102 и 104 (первый и второй) имеет на одном краевом участке в направлении длинной стороны впускные отверстия для газообразного окислителя 36а, выпускные отверстия для газообразного топлива 42b и впускные отверстия для хладоносителя 44а, причем впускные отверстия для газообразного окислителя 36а (выпускные отверстия для газообразного топлива 42b и впускные отверстия для хладоносителя 44а) соединены друг с другом в направлении А. На другом краевом участке в направлении длинной стороны каждый из единичных топливных элементов 102 и 104 (первый и второй) имеет также выпускные отверстия для газообразного окислителя 36b, впускные отверстия для газообразного топлива 42а и выпускные отверстия для хладоносителя 44b, причем выпускные отверстия для газообразного окислителя 36b (впускные отверстия для газообразного топлива 42а и выпускные отверстия для хладоносителя 44b) соединены друг с другом в направлении А.

Первый разделитель 110 имеет со стороны одной поверхности множество каналов для хладоносителя 48. Каналы для хладоносителя 48 выполнены в форме прямых линий в направлении В, причем одни концы этих каналов соединены с впускным отверстием для хладоносителя 44а, а другие концы - с выпускным отверстием для хладоносителя 44b.

Со стороны другой поверхности, как показано на Фиг.14, первый разделитель 110 имеет множество каналов для газообразного топлива 56. Каналы для газообразного топлива 56 выполнены в форме прямых линий в направлении В, причем одни концы этих каналов соединены с впускным отверстием для газообразного топлива 42а, а другие концы - с выпускным отверстием для газообразного топлива 42b. В направлении приближения к выпускному отверстию для газообразного топлива 42b глубина каналов для газообразного топлива 56 уменьшается.

Второй разделитель 112 имеет со стороны поверхности, обращенной к катоду 24b второго рабочего элемента 108, множество каналов для газообразного окислителя 58, выполненных в форме прямых линий в направлении В. Одни концы каналов для газообразного окислителя 58 соединены с впускным отверстием для газообразного окислителя 36а, а другие концы соединены с выпускным отверстием для газообразного окислителя 36b.

Промежуточный разделитель 114 имеет со стороны поверхности, обращенной к катоду 24а первого рабочего элемента 106, каналы для газообразного окислителя 46, выполненные в форме прямых линий в направлении В. Одни концы каналов для газообразного окислителя 46 соединены с впускным отверстием для газообразного окислителя 36а, а другие концы соединены с выпускным отверстием для газообразного окислителя 36b. Участок соединения каналов для газообразного окислителя 46 с впускным отверстием для газообразного окислителя 36а подвергнут сужению с целью образования дросселя 116а. Участок соединения каналов для газообразного окислителя 46 с выпускным отверстием для газообразного окислителя 36b также подвергнут сужению и образует дроссель 116b. На поверхности, обращенной к аноду 26b второго рабочего элемента 108, подобно первому разделителю 110 промежуточный разделитель 14 имеет каналы для газообразного топлива 52 (см. Фиг.15).

В блоке топливных элементов 100 описанной выше конструкции каналы для хладоносителя 48 сформированы на втором разделителе 112 со стороны поверхности, противоположной поверхности, на которой выполнены каналы для газообразного окислителя 58. Поэтому каналы для газообразного окислителя 58, сформированные на втором разделителе 112, в результате охлаждения хладоносителем поддерживаются при низкой температуре. В то же время каналы для газообразного окислителя 46, выполненные на промежуточном разделителе 114, охлаждаются в меньшей степени и поддерживаются при высокой температуре. В результате возникает различие по температурным условиям между первым и вторым единичными топливными элементами 102, 104. В этом случае может наблюдаться образование воды в каналах для газообразного окислителя 58 во втором разделителе 112 со стороны низкой температуры, а также накапливание воды в каналах, газодиффузионных слоях или катализаторных слоях, и появляется вероятность закупорки каналов для газообразного окислителя 58.

Для преодоления этих возможных отрицательных эффектов в соответствии с третьим примером осуществления предлагается конструкция, обеспечивающая увеличение расхода газообразного окислителя в каналах для газообразного окислителя 58, выполненных на втором разделителе 112, и, следовательно, уравнивание влажности во втором единичном топливном элементе 104 с влажностью в первом единичном топливном элементе 102, а также улучшение стока образующейся воды. То есть на участках соединения каналов для газообразного окислителя 46, выполненных на промежуточном разделителе 114 со стороны высокой температуры, с впускным отверстием для газообразного окислителя 36а и выпускным отверстием для газообразного окислителя 36b сформированы соответственно дроссели 116а и 116b (см. Фиг.13). Следовательно, расход газообразного окислителя в каналах для газообразного окислителя 58, выполненных на втором разделителе 112, становится больше, чем расход газообразного окислителя в каналах для газообразного окислителя 46, сформированных на промежуточном разделителе 114.

В результате, в соответствии с третьим примером осуществления обеспечивается возможность гарантированного стока образующейся воды из второго разделителя 112 со стороны низкой температуры, а также уравнивания влажности во втором единичном топливном элементе 104 с влажностью в первом единичном топливном элементе 102. Кроме того, уменьшение расхода и снижение скорости потока газообразного окислителя, протекающего в промежуточном разделителе 114 со стороны высокой температуры, позволяет предотвратить высыхание первого рабочего элемента 106.

В соответствии с третьим примером осуществления на обоих концах каналов для газообразного окислителя 46 со стороны высокой температуры выполнены дроссели 116а и 116b, однако тот же самый эффект может быть без труда получен в результате уменьшения глубины каналов для газообразного окислителя 58 со стороны низкой температуры по сравнению с глубиной каналов для газообразного окислителя 46 со стороны высокой температуры.

На Фиг.16 представлено пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите 120, соответствующего четвертому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде.

В блоке топливных элементов 120 данного примера осуществления компоненты, совпадающие с компонентами в блоке топливных элементов 100, соответствующем третьему примеру осуществления, обозначены теми же самыми позициями, и подробное описание этих компонентов опущено.

Блок топливных элементов 120 сформирован в результате укладки первого единичного топливного элемента 122, второго единичного топливного элемента 124 и третьего единичного топливного элемента 126 в направлении А в штабель. Первый единичный топливный элемент 122 имеет первый рабочий элемент 106, второй единичный топливный элемент 124 имеет второй рабочий элемент 108, а третий единичный топливный элемент 126 имеет третий рабочий элемент 128. Первый рабочий элемент 106 закреплен между первым разделителем 110 и первым промежуточным разделителем 114а, второй рабочий элемент 108 закреплен между первым промежуточным разделителем 114а и вторым промежуточным разделителем 114b, а третий рабочий элемент 128 закреплен между вторым промежуточным разделителем 114b и вторым разделителем 112.

В блоке топливных элементов 120 наблюдается возникновение различия по температурным условиям между первым, вторым и третьим единичными топливными элементами 122, 124 и 126. В частности, температура второго рабочего элемента 108 становится выше, чем температура каждого из рабочих элементов 106 и 128 (первого и третьего).

Для преодоления этих возможных отрицательных эффектов в соответствии с третьим примером осуществления каждый из рабочих элементов 106 и 128 (первый и третий), у которых поддерживается относительно низкая температура, включает в свой состав мембрану из электролита на основе фтора 86, характеризующуюся стабильностью в диапазоне низких температур, а второй рабочий элемент 108, у которого поддерживается относительно высокая температура, включает в свой состав мембрану из электролита на основе углеводорода 88, способную выдерживать высокую температуру. Кроме того, так как в процессе эксплуатации влажность каждого из рабочих элементов 106 и 128 (первого и третьего) становится высокой, то в состав этих рабочих элементов включены катализаторный слой и газодиффузионный слой, каждый из которых отличается превосходной дренажной характеристикой. Второй же рабочий элемент 108 приобретает низкую влажность, и поэтому в его состав включены самоувлажняющаяся мембрана и газодиффузионный слой с высоким влагопоглощением.

В блоке топливных элементов 120 описанной выше конструкции в результате использования различных видов рабочих элементов 106, 108 и 128 (первого, второго и третьего) обеспечивается возможность улучшения характеристик в различных температурных условиях.

На Фиг.17 представлено пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите 140, соответствующего пятому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде.

Блок топливных элементов 140 получен в результате укладки первого единичного топливного элемента 142 и второго единичного топливного элемента 144 в штабель. Первый единичный топливный элемент 142 имеет первый рабочий элемент 146, а второй единичный топливный элемент 144 имеет второй рабочий элемент 148. Первый рабочий элемент 146 закреплен между первым разделителем 150 и первым промежуточным разделителем 154, а второй рабочий элемент 148 закреплен между вторым промежуточным разделителем 156 и вторым разделителем 152. Между первым и вторым промежуточными разделителями 154 и 156 установлена направляющая перегородка 158.

Блок топливных элементов 140 имеет со стороны одного края в направлении с длинной стороны впускные отверстия для газообразного топлива 42а, промежуточные соединительные отверстия для газообразного окислителя 40 и выпускные отверстия для газообразного топлива 42b, причем впускные отверстия для газообразного топлива 42а (промежуточные соединительные отверстия для газообразного окислителя 40 и выпускные отверстия для газообразного топлива 42b) соединены друг с другом в направлении А. Со стороны другого края в направлении длинной стороны блок топливных элементов 140 также имеет впускные отверстия для газообразного окислителя 36а, впускные отверстия для хладоносителя 44а, промежуточные соединительные отверстия для газообразного топлива 38, выпускные отверстия для хладоносителя 44b и выпускные отверстия для газообразного окислителя 36b, причем впускные отверстия для газообразного окислителя 36а (впускные отверстия для хладоносителя 44а, промежуточные соединительные отверстия для газообразного топлива 38, выпускные отверстия для хладоносителя 44b и выпускные отверстия для газообразного окислителя 36b) соединены друг с другом в направлении А.

Каждый из промежуточных разделителей 154 и 156 (первый и второй) имеют со стороны поверхности, обращенной к направляющей перегородке 158, каналы для хладоносителя 54, выполненные в форме прямых линий. Одни концы каналов для хладоносителя 54, сформированных в первом промежуточном разделителе 154, соединены с впускным отверстием для хладоносителя 44а в первом промежуточном разделителе 154, а другие концы загнуты за направляющую перегородку 158 и соединены с каналами для хладоносителя 54, сформированными во втором промежуточном разделителе 156.

Каналы для хладоносителя 54, сформированные во втором промежуточном разделителе 156, соединены с выпускным отверстием для хладоносителя 44Ь во втором промежуточном разделителе 156.

В блоке топливных элементов 140 описанной выше конструкции газообразный окислитель, газообразное топливо и хладоноситель подаются последовательно соответственно в первый и второй единичные топливные элементы 142, 144 по направлению потока, показанному на Фиг.18. В этом случае каналы для хладоносителя 54 сформированы между первым и вторым единичными топливными элементами 142, 144 через направляющую перегородку 158 и поэтому обеспечивается возможность гарантированного предотвращения чрезмерного повышения температуры, в частности внутри блока топливных элементов 140.

На Фиг.19 представлено пространственное изображение основной части блока топливных элементов на твердом полимерном электролите 160, соответствующего шестому примеру осуществления настоящего изобретения, в разобранном виде. В блоке топливных элементов 160 этого примера осуществления компоненты, совпадающие с компонентами в блоке топливных элементов 140, соответствующем пятому примеру осуществления, показанному на Фиг.17, обозначены теми же самыми позициями, и подробное описание этих компонентов опущено.

Блок топливных элементов 160 сформирован в результате укладки первого единичного топливного элемента 162 и второго единичного топливного элемента 164 в направлении А в штабель и не снабжен промежуточными соединительными отверстиями для газообразного окислителя 40, выполненными в пятом примере осуществления. Следовательно, в блоке топливных элементов 160, как показано на Фиг.20, газообразное топливо протекает вдоль каналов для газообразного топлива 56 и 52, которые выполнены в первом и втором единичных топливных элементах 162, 164 и соединены последовательно друг с другом. Протекание же газообразного окислителя в каналах для газообразного окислителя 46 и 58, выполненных в первом и втором единичных топливных элементах 162, 164, осуществляется для каждого из каналов по отдельности, то есть параллельно.

В соответствии с этим примером осуществления газообразное топливо, имеющие низкую вязкость, протекает вдоль каналов для газообразного топлива 56 и 52, соединенных последовательно друг с другом, что в результате увеличения общей длины каналов для газообразного топлива приводит к достаточно сильному снижению давления и появлению возможности эффективного стока образующейся воды из анодов 26а и 26b.

Выше были рассмотрены предпочтительные примеры осуществления настоящего изобретения. Однако понятно, что в приведенное выше подробное описание могут быть внесены различные изменения и дополнения, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного формулой изобретения.

Блок топливных элементов (10) образован в результате укладки первого единичного топливного элемента (14) и второго единичного топливного элемента (16) в штабель. Первый единичный топливный элемент (14) включает в свой состав первый рабочий элемент (18), а второй единичный топливный элемент (16) включает в свой состав второй рабочий элемент (20). В блоке топливных элементов (10) первый и второй единичные топливные элементы (14, 16) имеют конструктивные отличия. Техническим результатом изобретения является создание блока топливных элементов на твердом полимерном электролите, имеющего простую конструкцию и позволяющего достичь эффективного улучшения характеристики выработки электроэнергии каждого единичного топливного элемента и уменьшения размера блока топливных элементов, а также батареи топливных элементов. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите (10), содержащий множество единичных топливных элементов (14, 16), уложенных в штабель, каждый из которых имеет рабочий элемент, включающий в свой состав пластинчатые анод (26а, 26b), катод (24а, 24b) и мембрану из твердого полимерного электролита (22а, 22b), размещенную между указанным анодом (26а, 26b) и указанным катодом (24а, 24b), отличающийся тем, что по меньшей мере два из указанных единичных топливных элементов (14, 16) имеют конструктивные отличия друг от друга.2. Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере в двух из указанных единичных топливных элементов (14, 16) выполнены каналы для химически активных газов (52, 56, 46, 58), обеспечивающие возможность прохождения газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов, и площади поперечного сечения указанных каналов для химически активных газов (52, 56, 46, 58) отличаются друг от друга.3. Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.2, отличающийся тем, что площади поперечного сечения указанных каналов для химически активных газов (52, 56, 46, 58) отличаются друг от друга за счет различия глубины, ширины и/или количества самих каналов для химически активных газов, выполненных в одном из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов (14, 16), и глубины, ширины и/или количества самих каналов для химически активных газов, выполненных в другом из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов (14, 16).4. Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.1, отличающийся тем, что указанные каналы для химически активных газов (52, 56, 46, 58), выполненные в указанных по меньшей мере двух из указанных единичных топливных элементов (14, 16), имеют взаимно различную длину.5. Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.1, отличающийся тем, что указанные каналы для химически активных газов (52, 56, 46, 58), выполненные в указанных по меньшей мере двух из указанных единичных топливных элементов (14, 16), имеют взаимно различную форму.6. Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере два из указанных единичных топливных элементов (14, 16) включают в свой состав рабочие элементы (82, 84), отличающиеся друг от друга.7. Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.6, отличающийся тем, что один (84) из указанных рабочих элементов, размещенный ниже по направлению потока химически активного газа, имеет более высокую термостойкость, чем другой (82) из указанных рабочих элементов, размещенный выше по направлению потока химически активного газа.8. Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.7, отличающийся тем, что один (82) из указанных рабочих элементов, размещенный со стороны относительно низкой температуры, включает в свой состав мембрану на основе фтора, а другой (84) из указанных рабочих элементов, размещенный со стороны относительно высокой температуры, включает в свой состав мембрану на основе углеводорода.9. Блок топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.1, отличающийся тем, что в указанном блоке топливных элементов (10) каналы для химически активных газов (52, 56, 46, 58), обеспечивающие возможность прохождения газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов в указанных единичных топливных элементах (14, 16), выполнены так, что по меньшей мере некоторые из них соединены друг с другом последовательно.10. Батарея топливных элементов, содержащая множество блоков топливных элементов (10), уложенных в штабель, каждый из которых включает в свой состав множество единичных топливных элементов (14, 16), уложенных в штабель, отличающаяся тем, что каждый из множества единичных топливных элементов (14, 16) имеет рабочий элемент (18, 20), включающий в свой состав пластинчатые анод (26а, 26b), катод (24а, 24b) и мембрану из твердого полимерного электролита (22а, 22b), размещенную между указанным анодом (26а, 26b) и указанным катодом (24а, 24b), причем по меньшей мере два из указанных единичных топливных элементов (14, 16) имеют конструктивные отличия друг от друга.11. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10), содержащего множество единичных топливных элементов (14, 16), уложенных в штабель, каждый из которых имеет рабочий элемент (18, 20), включающий в свой состав пластинчатые анод (26а, 26b), катод (24а, 24b) и мембрану из твердого полимерного электролита (22а, 22b), размещенную между указанным анодом (26а, 26b) и указанным катодом (24а, 24b), отличающийся тем, что по меньшей мере два из указанных единичных топливных элементов (14, 16) эксплуатируются при условиях, отличающихся друг от друга.12. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.11, отличающийся тем, что температуру одного (16) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов задают более высокой, чем температуру другого (14) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов.13. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.11, отличающийся тем, что скорость потока химически активного газа в одном (16) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов задают более высокой, чем скорость потока химически активного газа в другом (14) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов.14. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.11, отличающийся тем, что влажность во впускном отверстии для химически активного газа одного (16) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов задают более низкой, чем влажность в выпускном отверстии для химически активного газа другого (14) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов.15. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.11, отличающийся тем, что коэффициент использования химически активного газа в одном (16) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов задают более высоким, чем коэффициент использования химически активного газа в другом (14) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов.16. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10), содержащего множество единичных топливных элементов (14, 16), уложенных в штабель, каждый из которых имеет рабочий элемент (18, 20), включающий в свой состав пластинчатые анод (26а, 26b), катод (24а, 24b) и мембрану из твердого полимерного электролита (22а, 22b), размещенную между указанным анодом (26а, 26b) и указанным катодом (24а, 24b), причем в указанном блоке топливных элементов (10) каналы для химически активных газов (52, 56, 46, 58), обеспечивающие возможность прохождения газообразного топлива и/или газообразного окислителя как химически активных газов в указанных топливных элементах (14, 16), выполнены так, что по меньшей мере некоторые из них соединены друг с другом последовательно, отличающийся тем, что по меньшей мере два из указанных единичных топливных элементов (14, 16) эксплуатируются в условиях, отличающихся друг от друга.17. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.16, отличающийся тем, что температуру одного (16) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов, который размещен ниже по направлению потока химически активного газа, задают более высокой, чем температура другого (14) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов, который размещен выше по направлению потока химически активного газа.18. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.16, отличающийся тем, что скорость потока химически активного газа в одном (16) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов, который размещен ниже по направлению потока химически активного газа, задают более высокой, чем скорость потока химически активного газа в другом (14) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов, который размещен выше по направлению потока химически активного газа.19. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.16, отличающийся тем, что влажность во впускном отверстии для химически активного газа одного (16) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов, который размещен ниже по направлению потока химически активного газа, задают более низкой, чем влажность в выпускном отверстии для химически активного газа другого (14) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов, который размещен выше по направлению потока химически активного газа.20. Способ эксплуатации блока топливных элементов на твердом полимерном электролите (10) по п.16, отличающийся тем, что коэффициент использования химически активного газа в одном (16) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов, который размещен ниже по направлению потока химически активного газа, задают более высоким, чем коэффициент использования химически активного газа в другом (14) из указанных по меньшей мере двух единичных топливных элементов, который размещен выше по направлению потока химически активного газа.