ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КАРТА, МЕХАНИЗМ ПОДАЧИ ГАЗА ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА И ГЕНЕРАТОР, И ЕГО ПРОИЗВОДСТВО Российский патент 2005 года по МПК H01M8/02 H01M8/04 H01M8/10 

Область техники

Настоящее изобретение относится к топливному элементу, в котором используется пленка - проводник протонов или подобный элемент, к способу электропитания с использованием топливного элемента, к функциональной карте, в которой используется топливный элемент, к механизму подачи газа для топливного элемента и к генератору с использованием материала - проводника протонов или подобного элемента и к способу его производства.

Предпосылки изобретения

Топливные элементы обычно формируют так, чтобы они генерировали электроэнергию с помощью генератора при подаче в него газообразного топлива. Один из примеров такого топливного элемента включает генератор, содержащий пленку - проводник протонов, установленную между электродами, в котором требуемая электродвижущая сила получается при подаче газообразного топлива в генератор. Топливный элемент такого типа, в основном, разрабатывался в качестве источника питания для транспортных средств, например для электромобилей или гибридных автомобилей, и, кроме того, разработки в области структуры такого элемента были направлены на уменьшение его веса и размеров, причем исследования и разработки в области топливных элементов активно проводились не только для обеспечения возможности его использования в существующих областях применения в качестве сухих батарей или перезаряжаемых батарей, но также, например, для питания портативного оборудования.

Устройство топливного элемента с использованием пленки - проводника протонов будет кратко описано со ссылкой на фиг.34. Пленка - проводник 401 протонов установлена между электродом 402 на стороне водорода и электродом 403 на стороне кислорода. Протоны (Н⁺), диссоциированные из газообразного водорода, мигрируют в пленку - проводник 401 протонов вдоль направления, показанного на чертеже стрелкой, от электрода 402 на стороне водорода, на электрод 403 на стороне кислорода. Слой 402а катализатора сформирован между электродом 402 на стороне водорода и пленкой - проводником 401 протонов, и пленка 403а катализатора сформирована между электродом 403 на стороне кислорода и пленкой - проводником 401 протонов. При работе топливного элемента на электрод 402 на стороне водорода газообразный водород (Н₂) поступает в качестве газообразного топлива через входное отверстие 412 и выходит через выходное отверстие 413. В течение времени, когда газообразный водород проходит через канал 415 для газа, газообразный водород превращается в протоны, которые мигрируют на электрод 403 на стороне кислорода. Кислород (воздух), поступающий через входное отверстие 416 на электрод 403 на стороне кислорода, проходит к выходному отверстию 418 через канал 417 для газа. Протоны, поступающие на электрод 403 на стороне кислорода, реагируют с кислородом, протекающим в канале 417 для газа, генерируя, таким образом, требуемую электродвижущую силу.

В вышеописанном топливном элементе, если в качестве топлива применяется водород, на электроде на стороне водорода, который используется в качестве отрицательного электрода, происходит реакция (Н₂→2Н⁺+2е^-) на поверхности контакта катализатора и полимерного электролита (пленки - проводника протонов). Если в качестве окислителя применяется кислород, то на электроде на стороне кислорода, который используется в качестве положительного электрода, происходит реакция (¹/₂O₂+2Н⁺+2е^-=Н₂O), в результате которой образуется вода. Это означает, что протоны, поступающие от электрода 402 на стороне водорода, мигрируют на электрод 403 на стороне кислорода через пленку проводник 401 протонов для того, чтобы вступить в реакцию с кислородом, в результате которой образуется вода. Такой топливный элемент имеет преимущество простоты конструкции системы и малого веса, поскольку не требуется установка увлажнителя для подачи воды.

В вышеописанном топливном элементе, в котором используется пленка - проводник протонов, генератор содержит пленку - проводник протонов 401, электрод 402 на стороне водорода, а также электрод 403 на стороне кислорода, причем пленка - проводник 401 протонов установлена между электродами. Коллектор тока, предназначенный для съема электродвижущей силы, сформирован для каждого электрода 402 на стороне водорода и электрода 403 на стороне кислорода.

Один из примеров топливного элемента, известного из уровня техники, имеющий конструкцию, включающую коллектор тока, будет описан со ссылкой на фиг.35. На фиг.35 показан вид в перспективе с покомпонентным изображением деталей конструкции, известной из уровня техники. Пленка - проводник 431 протонов, через которую мигрируют протоны, полученные при диссоциированнии, установлена между электродом 432 на стороне водорода и электродом 433 на стороне кислорода. Коллектор 434 тока находится в плотном контакте с внешней поверхностью на стороне, противоположной пленке - проводнику 431 протонов электрода 432 на стороне водорода. Аналогично, коллектор 435 тока находится в плотном контакте с внешней поверхностью на стороне, противоположной пленке - проводнику 431 протонов электрода 433 на стороне кислорода. В топливном элементе такого типа внешние поверхности коллекторов 434 и 435 тока, по существу, выполнены плоскими для обеспечения возможности компоновки с наложением в виде пакета. Множество топливных элементов, каждый из которых имеет такую структуру, могут быть легко составлены в виде пакета и, следовательно, даже если площадь пленки 431 - проводника протонов каждого из множества топливных элементов будет небольшой, становится возможным получить значительную электродвижущую силу в целом.

Топливный элемент, имеющий такую закрытую структуру, является предпочтительным по причине того, что его можно легко соединять с наложением в виде пакета с другим топливным элементом, имеющим такую же структуру, и, таким образом, получать множество топливных элементов; однако, для того, чтобы составлять пакет из множества таких топливных элементов, требуется обеспечить подачу газов не только на сторону водорода, но также и на сторону кислорода для каждого топливного элемента. В частности, газ должен принудительно подаваться на сторону кислорода. А именно, сжатый кислород или сжатый воздух обычно принудительно подается с помощью средства подачи газа, такого как газовый баллон или насос. Например, в системе топливных элементов пакетного типа, описанной в выложенном японском патенте № Hei 9 - 213359, средство подачи газа (обозначенное ссылочным номером 7 на фиг.2 этого документа) установлено внутри части подачи газа. В результате, в такой системе топливных элементов средство подачи газа, такое как баллон с газом или насос, занимает дополнительное пространство, кроме деталей, функционирующих в качестве генератора, и, кроме того, должно быть установлено дополнительное оборудование для обеспечения работы средства подачи газа. Это создает проблему, связанную с ухудшением портативности системы топливного элемента.

Следует отметить, что портативное электронное устройство, такое как персональный компьютер типа ноутбук или портативный терминал, сконфигурировано таким образом, чтобы в разъем, сформированный в боковой панели устройства, можно было устанавливать карту типа PC Card (логотип платы, принадлежащий ассоциации PCMCIA (Международная ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров)), такую как запоминающее устройство в форме карты. Установка карты PC Card позволяет легко расширять функции персонального компьютера типа ноутбук или подобного устройства при сохранении его портативности. С другой стороны, устройство электропитания состоит из топливного элемента, интегрированного в виде съемного пакета. Например, в вышеуказанном документе, выложенном японском патенте № Hei 9 - 213359, описана система топливного элемента такого типа, в котором используется твердая полимерная пленка, при этом система топливного элемента установлена в корпусе оборудования, для которого требуется источник питания в виде элемента, например, в корпусе персонального компьютера. При такой конструкции множество топливных элементов могут быть установлены в виде пакета, и поэтому, даже если площадь каждой из пленок - проводников протонов топливных элементов будет мала, становится возможным получить значительную электродвижущую силу в целом.

Топливный элемент, имеющий такую конструкцию пакета, является предпочтительным благодаря тому, что его можно легко составлять в виде пакета с наложением на другой топливный элемент, имеющий такую же структуру, чтобы, таким образом, получить множество топливных элементов; однако, для того, чтобы составлять множество таких топливных элементов в виде пакета, как описано выше, требуется обеспечить подачу газа для каждого топливного элемента не только на сторону водорода, но также и на сторону кислорода. А именно, сжатый кислород или сжатый воздух обычно принудительно подают с помощью средства подачи газа, такого как баллон с газом или насос. Например, в системе топливного элемента пакетного типа, описанной в вышеуказанном документе, средство 7 подачи газа на фиг.2 этого документа установлено внутри, в секции подачи газа. В результате должно быть предусмотрено пространство для установки средства подачи газа, такого как баллон с газом или насос, в дополнение к деталям, функционирующим в качестве генератора, и, кроме того, должно быть установлено дополнительное оборудование для обеспечения работы средства подачи газа. Это создает проблему снижения портативности системы топливного элемента. Поскольку функциональная карта обычно должна иметь такие размеры, чтобы она удовлетворяла размерам, установленным в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA, становится особенно трудным устанавливать вышеописанное средство подачи газа, дополнительное оборудование и тому подобное в пространство, определяемое стандартной толщиной 3,3 мм или 5,0 мм.

Для эффективного улучшения выходных характеристик (величины тока) топливного элемента, включающего генератор, состоящий из пленки 401 - проводника протонов, и электрода 402 на стороне водорода и электрода 403 на стороне кислорода так, что пленка 401 - проводник протонов расположена между этими электродами, требуется увеличивать размеры генератора. Например, если площадь пленки 401 - проводника протонов будет вдвое большей, значение выходного тока топливного элемента, соответственно, станет вдвое большим.

При увеличенных размерах генератора, состоящего из пленки - проводника 401 протонов и электрода 402 на стороне водорода, и электрода 403 на стороне кислорода, так что пленка - проводник 401 протонов установлена между этими электродами, повышается вероятность возникновения неравномерностей, таких как изгибы или волнистость поверхностей плоского генератора. Это затрудняет обеспечение равномерного контакта между генератором и коллекторами тока. В результате, при использовании топливного элемента с большими размерами возникают проблемы, состоящие в том, что снижается эффективность отбора, то есть уменьшается отношение мощности, выделяемой генератором через коллекторы тока, к мощности, действительно генерируемой генератором. Для обеспечения равномерного контакта между генератором и коллекторами тока требуется прикладывать избыточную прижимающую силу со стороны коллектора тока к генератору и управлять распределением прижимающей силы. В действительности, обеспечение идеально равномерного контакта, может существенно усложнить структуру топливного элемента, и для реализации такой структуры требуется увеличивать его вес и размеры. В некоторых случаях такая большая, тяжелая и сложная структура, требуемая для реализации идеально равномерного контакта, может оказаться нежелательной для использования в конструкции топливного элемента.

Конструкция, известная из уровня техники, предназначенная для установки пленки - проводника протонов между электродом на стороне водорода и электродом на стороне кислорода, будет кратко описана со ссылкой на фиг.36. Как показано на чертеже, пленка - проводник 421 протонов выполнена несколько большей, чем каждый из электрода 422 на стороне водорода и электрода 423 на стороне кислорода. Пленка - проводник 421 протонов помещена между электродом 422 на стороне водорода и электродом 423 на стороне кислорода, элемент 424 из уплотнительного материала, выполненный из кремний-органического каучука, установлен по внешней кромке электрода 422 на стороне водорода и другой элемент 424 из уплотнительного материала установлен по внешней кромке электрода 423 на стороне кислорода таким образом, чтобы между ними удерживалась пленка - проводник 421 протонов. Пленка - проводник 421 протонов установлена между элементами 424 из уплотнительного материала, которые уложены по внешней кромке электрода 422 на стороне водорода и электрода 423 на стороне кислорода, что предотвращают утечку газов, таких как газообразный водород и газообразный кислород или воздух. Электрод 422 на стороне водорода установлен между элементом 424 из уплотнительного материала и коллектором 425 тока, который выполнен с множеством отверстий 426, через которые водород поступает на электрод 422 на стороне водорода. Аналогично, электрод 423 на стороне кислорода установлен между элементом 424 из уплотнительного материала и коллектором 425, который выполнен с множеством отверстий 426, через которые кислород поступает на электрод 423 на стороне кислорода.

В топливном элементе, имеющем такую структуру, пара эластичных элементов 424 из уплотнительного материала установлена как на стороне водорода, так и на стороне кислорода таким образом, что пленка - проводник 421 протонов удерживается между ними, и в соответствии с этим, если форма и материал каждого из элементов 424 из уплотнительного материала будут одинаковы, становится возможным обеспечить требуемое уплотнение для газа, поскольку пленка - проводник 421 протонов установлена между одинаковыми эластичными телами. С другой стороны, если возникнет изменение толщины или упругих характеристик элементов 424 из уплотнительного материала, выполненных из кремний-органического каучука, нагрузка, связанная с таким отклонением параметров будет приложена к пленке - проводнику 421 протонов, что затрудняет поддержание требуемого уровня герметизации газов вокруг пленки - проводника 421 протонов. В частности, когда оба элемента 424 из уплотнительного материала, установленные на электроде 422 на стороне водорода и на электроде 423 на стороне кислорода, будут иметь отклонения формы, вероятность возникновения утечки газов на пленке - проводнике 421 протонов, удерживаемой дефектными элементами 424 из уплотнительного материала, возрастает.

Учитывая описанные выше технические проблемы, настоящее изобретение направлено на создание топливной ячейки и функциональной карты, каждая из которых имеет конструкцию, позволяющую надежно подавать газ благодаря эффективному использованию ограниченного пространства при обеспечении портативности.

Другой целью настоящего изобретения является топливный элемент, позволяющий получать высокую электродвижущую силу, и просто обеспечивать равномерный контакт даже в случае использования генератора небольших размеров, и механизм подачи топлива, соответственно используемый для такого топливного элемента.

Дополнительной целью настоящего изобретения является генератор, имеющий конструкцию, позволяющую реализовать надежное уплотнение для газообразного топлива и подобных газов и облегчающую его сборку, топливный элемент с использованием такого генератора и способ производства такого генератора.

Описание изобретения

Для решения вышеуказанных технических проблем, в соответствии с настоящим изобретением, разработан топливный элемент, содержащий: корпус, имеющий приблизительно форму плоской пластины, включающий отверстие, сформированное в корпусе; генератор, имеющий приблизительно форму плоской пластины, установленный в корпусе, причем генератор включает электролитную пленку, расположенную между электродом на стороне топлива и электродом на стороне кислорода; и средство создания потока воздуха, предназначенное для создания потока воздуха вокруг средства создания потока воздуха, причем средство создания потока воздуха расположено внутри корпуса.

Поскольку отверстие сформировано в корпусе, в котором установлен генератор, имеющий приблизительно форму плоской пластины, в котором воздух поступает в корпус через отверстие, становится возможным просто обеспечить подачу воздуха на электрод на стороне кислорода генератора. Средство создания потока воздуха, предназначенное для создания потока воздуха вокруг средства создания потока воздуха, расположено внутри корпуса. Предпочтительно, средство создания потока воздуха установлено в той же плоскости, что и плоскость генератора, или в пределах плоскости, параллельной плоскости генератора, и более предпочтительно, средство создания потока воздуха установлено так, что его продольное направление проходит в пределах основной плоскости корпуса. В результате, становится возможным создавать поток воздуха без необходимости использования большого пространства.

Для решения вышеописанных технических проблем, в соответствии с настоящим изобретением, разработан топливный элемент, включающий: пленку - проводник протонов; плоский электрод на стороне водорода и плоский электрод на стороне кислорода, так что между этими электродами установлена пленка - проводник протонов; средство подачи топлива, предназначенное для подачи топлива на электрод на стороне водорода; и плоский коллектор тока, имеющий часть передачи газа, сформированную так, что электрод на стороне кислорода может соединяться через него с атмосферой, плоский коллектор тока расположен в плотном контакте с электродом на стороне кислорода.

При такой конфигурации, хотя плоский коллектор тока расположен в плотном контакте с электродом на стороне кислорода, часть передачи газа, через которую электрод на стороне кислорода сообщается с атмосферой, сформирована в плоском коллекторе тока. В результате, кислород под достаточным давлением может поступать через часть передачи газа, так что не требуется устанавливать средство подачи газа, такое как газовый баллон или насос. Это позволяет рационально использовать пространство внутри топливного элемента и устранить необходимость установки какого-либо дополнительного оборудования.

В соответствии с настоящим изобретением, также разработан топливный элемент, содержащий: пленку - проводник протонов; плоский электрод на стороне водорода и плоский электрод на стороне кислорода, так что пленка - проводник протонов расположена между этими электродами; средство подачи топлива, предназначенное для подачи топлива на электрод на стороне водорода; плоский коллектор тока, включающий часть передачи газа, сформированную таким образом, что через нее обеспечивается сообщение с атмосферой электрода на стороне кислорода, причем плоский коллектор тока расположен в плотном контакте с электродом на стороне кислорода; и корпус имеет входное отверстие для газа, сформированное за пределами коллектора тока на стороне кислорода таким образом, чтобы оно было соединено с частью передачи.

Для такой конфигурации, в дополнение к структуре топливного элемента, в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, предложен корпус, имеющий входное отверстие для газа. Поскольку входное отверстие для газа соединено с частью передачи газа, электрод на стороне кислорода может быть просто соединен с атмосферой через часть передачи газа, сформированную в коллекторе тока, и входное отверстие для газа, сформированное в корпусе. В соответствии с этим, кислород под достаточным давлением может поступать на электрод на стороне кислорода через часть передачи газа, соединенную с входным отверстием для газа. В результате, становится возможным обеспечить рациональное использование пространства внутри топливного элемента и устранить необходимость установки какого-либо дополнительного оборудования.

В соответствии с настоящим изобретением, также предложен топливный элемент, содержащий: корпус, имеющий приблизительно форму плоской пластины, включающий часть передней поверхности, имеющую входное отверстие для газа, и часть задней поверхности, имеющую входное отверстие для газа; пару генераторов, установленную в корпусе таким образом, что передняя поверхность одного генератора расположена напротив задней поверхности другого генератора; средство подачи топлива, предназначенное для подачи топлива в генераторы, причем средство подачи топлива установлено между парой генераторов; и плоские коллекторы тока на стороне кислорода, каждый из которых имеет часть передачи газа, соединенную с входным отверстием для газа для обеспечения возможности соединения с атмосферой каждого из генераторов, причем каждый из коллекторов тока на стороне кислорода расположен между частью передней поверхности и частью задней поверхности корпуса и одним из генераторов.

При такой конфигурации, поскольку часть передачи газа для соединения электрода на стороне кислорода с атмосферой сформирована в плоском коллекторе тока, кислород под достаточным давлением может поступать на электрод на стороне кислорода через часть передачи газа. Кроме того, поскольку сформирована пара плоских генераторов, их площадь становится в два раза большей, по сравнению со случаем использования только одного плоского генератора и в соответствии с этим, даже когда размер каждого генератора невелик, электродвижущая сила получается приблизительно в два раза большей.

В соответствии с настоящим изобретением, также предложена функциональная карта, устанавливаемая в гнездо для карты, предусмотренное в основном корпусе устройства и установленное в основном корпусе устройства, включающая: генератор, содержащий пленку - проводник протонов, электрод на стороне кислорода и электрод на стороне водорода, расположенные друг напротив друга, так что пленка - проводник протонов расположена межу ними, генератор установлен в корпусе функциональной карты, в которой электрическая энергия генерируется при отборе кислорода из входного отверстия для газа, сформированного в корпусе, на электрод на стороне кислорода, когда он соединен с атмосферой, и при подаче газообразного топлива или жидкого топлива на генератор.

При такой конфигурации генератор, включающий электрод на стороне кислорода и электрод на стороне водорода, расположенные друг напротив друга, так что пленка - проводник протонов установлена между ними, установлен в корпусе функциональной карты, и входное отверстие для газа, соединяющее с атмосферой электрод на стороне кислорода, сформировано в этом корпусе. В результате, кислород под достаточным давлением может поступать на электрод на стороне кислорода через входное отверстие для газа так, что не требуется устанавливать средство подачи газа, такое как газовый баллон или насос. Это позволяет рационально использовать пространство в топливном элементе и устранить необходимость установки какого-либо дополнительного оборудования.

В соответствии с настоящим изобретением также предложена функциональная карта, устанавливаемая в гнездо для карты, предусмотренное в периферийном устройстве, избирательно устанавливаемом на основном корпусе устройства, и устанавливаемая в периферийном устройстве, включающая: генератор, содержащий пленку - проводник протонов, электрод на стороне кислорода и электрод на стороне водорода, расположенные напротив друг друга так, что пленка - проводник протонов установлена между ними, генератор установлен в корпусе функциональной карты, в которой электроэнергия генерируется при отборе кислорода через входное отверстие для газа, сформированное в корпусе, на электрод на стороне кислорода, соединенный с атмосферой, и при подаче газообразного топлива или жидкого топлива в генератор.

Функциональная карта, в соответствии с предыдущим - пятым аспектом настоящего изобретения, используется таким образом, чтобы ее можно было непосредственно устанавливать в основной корпус, в то время как функциональная карта в соответствии с этим аспектом настоящего изобретения используется для установки в периферийное устройство, избирательно устанавливаемое на основном корпусе устройства. Если в качестве основного корпуса устройства используется персональный компьютер типа ноутбук, вышеуказанное периферийное устройство может, например, представлять собой устройство, обычно называемое "подключаемая панель".

В соответствии с настоящим изобретением также предложен топливный элемент, содержащий: корпус, имеющий форму, по существу, такую же, как и носитель записи, устанавливаемый с возможностью отсоединения в основной корпус устройства; и генератор, включающий пленку - проводник протонов, а также электрод на стороне кислорода и электрод на стороне водорода, расположенные друг напротив друга, так что пленка - проводник протонов расположена между ними, причем генератор установлен в корпусе топливного элемента, в котором электроэнергия генерируется путем отбора кислорода через входное отверстие для газа, сформированное в корпусе, и подачи его на электрод на стороне кислорода, который соединен с атмосферой, и при подаче газообразного топлива или жидкого топлива на генератор.

При такой конфигурации, поскольку корпус топливного элемента имеет, по существу, такую же форму, что и форма носителя записи, устанавливаемого с возможностью отсоединения в основной корпус устройства, топливный элемент может быть установлен в гнездо для носителя записи, сформированное в основном корпусе устройства, и использоваться в качестве источника питания основного корпуса устройства.

В соответствии с настоящим изобретением, также предложен топливный элемент, содержащий: пару плоских генераторов, установленных таким образом, что передняя поверхность одного из генераторов расположена напротив задней поверхности другого генератора; пару плоских коллекторов тока, установленных между генераторами, причем каждый из плоских коллекторов тока имеет плоскость, находящуюся в контакте с генераторами, что позволяет газу проходить через них; и изолирующую пленку, имеющую канал для потока, соединенный с генераторами, причем изолирующая пленка сформирована между парой коллекторов тока.

Поскольку при такой конфигурации используется пара плоских генераторов, установленных так, что передняя поверхность одного из генераторов расположена напротив задней поверхности другого генераторов, их суммарная площадь становится в два раза большей по сравнению со случаем использования только одного плоского генератора, и в соответствии с этим, даже когда площадь каждого из генераторов будет невелика, будет получена приблизительно в два раза большая электродвижущая сила. Пара плоских коллекторов тока, которые установлены в области, где передняя поверхность одного из генераторов расположена напротив задней поверхности другого генератора, должна обеспечить прохождение через них потока газообразного топлива, такого как газообразный водород, для чего между парой коллекторов тока установлена изолирующая пленка, служащая в качестве прокладки. В изолирующей пленке сформирован канал для газа, и газообразное топливо поступает на пару плоских генераторов через канал для газа. При этом, если изолирующая пленка изготовлена из синтетической смолы, она может функционировать как упругодеформируемый эластичный элемент, обеспечивающий равномерный контакт между парой генераторов и коллекторов тока. В результате, обеспечивается возможность создания равномерного прижимного контакта между генераторами и коллекторами тока.

В соответствии с настоящим изобретением, предложен также механизм подачи топлива для топливного элемента, содержащего: пару плоских коллекторов тока, каждый из которых выполнен с отверстиями; и изолирующую пленку, установленную между парой коллекторов тока; в котором топливо поступает в каждое из отверстий пары коллекторов тока через канал для топлива, сформированный в изолирующей пленке.

При такой конфигурации канал для газа сформирован в изолирующей пленке, и газообразное топливо поступает в канал для газа. Газообразное топливо, поступающее таким образом в канал для газа, затем подается на пару генераторов через отверстия, сформированные в плоских коллекторах тока. Поскольку канал для газа соединен с парой плоских коллекторов тока, обеспечивается возможность эффективно подавать газообразное топливо на пару генераторов. Также как и в топливном элементе, в соответствии с настоящим изобретением, изолирующая пленка также может функционировать как прокладка. Если изолирующая пленка изготовлена из синтетической смолы, она позволяет обеспечить равномерный прижимной контакт между генераторами и коллекторами тока.

В соответствии с настоящим изобретением, также предложен генератор, включающий: пленку - проводник протонов и пару плоских электродов так, что пленка - проводник протонов установлена между ними; в котором часть внешнего края пленки - проводника протонов открыта с внешней кромки одного из плоских электродов, когда один из плоских электродов наложен на пленку - проводник протонов, и элемент из уплотнительного материала установлен таким образом, чтобы он находился в плотном контакте с открытой частью внешнего края пленки - проводника протонов.

При такой конфигурации электродвижущая сила генерируется генератором, содержащим пленку - проводник протонов, установленную между парой плоских электродов, при подаче на него газообразного топлива. Один из плоских электродов выполнен несколько меньшим, чем пленка - проводник протонов, так что часть внешнего края пленки - проводника протонов открыта вдоль внешней кромки одного из плоских электродов. Другой плоский электрод имеет такие же размеры, что и пленка - проводник протонов. Элемент из уплотнительного материала установлен вдоль внешней кромки одного из плоских электродов таким образом, чтобы он находился в плотном контакте с пленкой - проводником протонов. В результате обеспечивается возможность создания хорошего уплотнения для газа. Поскольку часть внешнего края пленки - проводника протонов не удерживается одним из элементов из уплотнительного материала или между парой элементов из уплотнительного материала, становится возможным обеспечить равномерное уплотнение.

В соответствии с настоящим изобретением, также предложен топливный элемент, содержащий: пару плоских коллекторов тока на стороне водорода, между которыми установлена изолирующая пленка, выполненная с каналом для газа для топливного элемента; пару генераторов, каждый из которых содержит пленку - проводник протонов, пару плоских электродов, расположенных так, что пленка - проводник протонов установлена между ними, и элемент из уплотнительного материала, в котором один из плоских электродов каждого из генераторов находится в плотном контакте с поверхностью одного из плоских коллекторов тока на стороне водорода в состоянии, когда часть внешнего края пленки - проводника протонов открыта с внешней кромки одного из плоских электродов, и элемент из уплотнительного материала находится в плотном контакте с открытой частью внешнего края пленки - проводника протонов; и пара коллекторов тока на стороне воздуха находится в плотном контакте с другим плоским электродом каждого из генераторов.

При такой конфигурации канал для газа сформирован в изолирующей пленке, и газообразное топливо поступает в этот канал для газа. Газообразное топливо, поступающее таким образом в канал для газа, затем подается на пару генераторов через отверстия, сформированные в плоских коллекторах тока. Генератор содержит пленку - проводник протонов, установленную между парой плоских электродов. В частности, элемент из уплотнительного материала установлен по внешнему контуру одного из плоских электродов таким образом, чтобы он был в плотном контакте с пленкой - проводником протонов. В результате, становится возможным поддерживать хорошее уплотнение для газа и, следовательно, обеспечить равномерное уплотнение. Кроме того, поскольку сформирована пара плоских генераторов, суммарная их площадь становится в два раза большей по сравнению со случаем использования только одного плоского генератора и, соответственно, даже при небольшом размере каждого из генераторов будет получена приблизительно в два раза большая электродвижущая сила.

В соответствии с настоящим изобретением, также предложен способ изготовления генератора, включающий следующие этапы: формование пленки - проводника протонов и пары плоских электродов так, что пленка - проводник протонов установлена между ними таким образом, что часть внешнего края пленки - проводника протонов открыта с внешней кромки одного из плоских электродов, когда один из плоских электродов наложен на пленку - проводник протонов; и установку элемента из уплотнительного материала в плотном контакте с открытой частью внешнего края пленки - проводника протонов.

При такой конфигурации элемент из уплотнительного материала установлен по внешнему контуру одного из плоских электродов таким образом, чтобы он находился в плотном контакте с пленкой - проводником протонов. В соответствии с этим, поскольку часть внешнего края пленки - проводника протонов не удерживается одним из элементов из уплотнительного материала или между парой элементов из уплотнительного материала, становится возможным обеспечить равномерное уплотнение. Кроме того, только один элемент из уплотнительного материала расположен на одной стороне электрода каждого генератора. То есть, только один элемент из уплотнительного материала установлен в каждом генераторе. В результате, становится возможным уменьшить общее количество элементов из уплотнительного материала по сравнению со структурой известного уровня техники.

Краткое описание чертежей

На фиг.1А - 1G изображен вид в перспективе с покомпонентным представлением деталей карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения, где на фиг.1А показана верхняя часть корпуса, на фиг.1В показан верхний коллектор тока, на фиг.1C представлен генератор, на фиг.1D показана часть подачи водорода, на фиг.1Е представлен генератор, на фиг.1F показан нижний коллектор тока и на фиг.1G показана нижняя часть корпуса.

На фиг.2 показан вид в перспективе, изображающий состояние, когда карту топливного элемента, в соответствии с первым вариантом воплощения, устанавливают в персональный компьютер типа ноутбук.

На фиг.3 показан вид в перспективе карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения.

На фиг.4 - вид в разрезе карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения.

На фиг.5А - 5С изображен вид в перспективе с покомпонентным представлением деталей нижних существенных деталей карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения: на фиг.5А показан нижний коллектор тока, на фиг.5В изображена изолирующая пленка, на фиг.5С показана нижняя часть корпуса.

На фиг.6А - 6D показан вид в перспективе с покомпонентным представлением деталей генератора карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения: на фиг.6А представлен элемент из уплотнительного материала, на фиг.6В показан электрод на стороне водорода, на фиг.6С представлена пленка - проводник протонов, на фиг.6D показан электрод на стороне кислорода.

На фиг.7А - 7С показаны виды в перспективе с покомпонентным представлением деталей части подачи водорода карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения: на фиг.7А изображен коллектор тока на стороне водорода, на фиг.7В показаны изолирующие пленки и на фиг.7С представлен коллектор тока на стороне водорода.

На фиг.8А - 8С показаны виды в перспективе с покомпонентным представлением деталей верхних существенных деталей карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения: на фиг.8А изображена верхняя часть корпуса, на фиг.8В показана изолирующая пленка и на фиг.8С изображен верхний коллектор тока.

На фиг.9 изображен вид сверху, представляющий часть подачи водорода карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения.

На фиг.10 показан вид в разрезе части подачи водорода карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения.

На фиг.11 показан вид в перспективе части подачи водорода карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения.

На фиг.12 показан вид сверху генератора карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения.

На фиг.13 изображен вид в разрезе с увеличением генератора карты топливного элемента в соответствии с первым вариантом.

На фиг.14 изображен вид сверху, вид с левой стороны и вид снизу стержня запаса водорода, который устанавливают на топливном элементе в соответствии с первым вариантом воплощения.

На фиг.15 схематично показан вид в перспективе одной из модификаций топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.16 схематично показан вид в перспективе другой модификации топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.17 схематично показан вид в перспективе еще одной модификации топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.18А - 18Е показаны виды сверху, изображающие примеры формы изолирующих пленок, используемых в части подачи водорода топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.19А - 19С показаны виды сверху и со стороны, изображающие примеры структуры внешних частей изолирующих пленок, используемых для части подачи водорода топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.20 показан вид в перспективе, изображающий топливный элемент в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения.

На фиг.21А - 21C показаны виды в перспективе с покомпонентным представлением деталей топливного элемента в соответствии со вторым вариантом воплощения: на фиг.21А показана верхняя часть корпуса, на фиг.21В представлен генератор и подобные устройства и на фиг.21С показана нижняя часть корпуса.

На фиг.22 изображен вид сверху, с частичным разрезом, представляющий топливный элемент в соответствии со вторым вариантом воплощения.

На фиг.23 показан вид в разрезе по линии XXIII-XXIII, обозначенной на фиг.22, изображающий топливный элемент в соответствии со вторым вариантом воплощения.

На фиг.24 показан вид в разрезе по линии XXIV-XXIV, обозначенной на фиг.22, изображающий топливный элемент в соответствии со вторым вариантом воплощения.

На фиг.25 показан вид в разрезе по линии XXV-XXV, обозначенной на фиг.22, изображающий топливный элемент в соответствии со вторым вариантом воплощения.

На фиг.26 показан вид сбоку топливного элемента в соответствии со вторым вариантом воплощения, изображающий его сторону выходных выводов.

На фиг.27 изображен вид сбоку топливного элемента в соответствии со вторым вариантом воплощения, изображающий его со стороны картриджа запаса водорода.

На фиг.28 изображен вид в разрезе, представляющий модификацию топливного элемента в соответствии со вторым вариантом воплощения, в котором вентилятор содержит спиральные лопасти.

На фиг.29 показан вид в перспективе части топливного элемента в соответствии с третьим вариантом воплощения настоящего изобретения.

На фиг.30 показан типичный вид сверху, представляющий основные детали топливного элемента в соответствии с четвертым вариантом воплощения настоящего изобретения.

На фиг.31 показан вид в разрезе, изображающий основные детали топливного элемента в соответствии с четвертым вариантом воплощения.

На фиг.32 показан типичный вид сверху топливного элемента в соответствии с четвертым вариантом воплощения, изображающий состояние, когда заслонки закрыты.

На фиг.33 показан типичный вид сверху топливного элемента в соответствии с пятым вариантом воплощения настоящего изобретения.

На фиг.34 изображен типичный вид, представляющий один из примеров обычного топливного элемента с использованием пленки - проводника протонов.

На фиг.35 показан вид в перспективе с покомпонентным представлением деталей топливного элемента известного уровня техники.

На фиг.36 показан вид в разрезе, изображающий топливный элемент известного уровня техники другого типа.

Наилучшие варианты выполнения изобретения

Первый вариант воплощения

Первый вариант воплощения топливного элемента, в соответствии с настоящим изобретением, будет описан ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг.1А - 1G показаны виды в перспективе с покомпонентным представлением деталей карты топливного элемента в соответствии с одним из вариантов воплощения топливного элемента, согласно настоящему изобретению. Карта 10 топливного элемента, в соответствии с этим вариантом воплощения, сформирована в виде функциональной карты, имеющей размер карты PC card, при составлении семи основных пластинчатых элементов друг на друга. Семь основных элементов, расположенных последовательно сверху-вниз, представляют собой: верхнюю часть 14 корпуса, верхний коллектор 16 тока на стороне кислорода, пару верхних генераторов 11, расположенных над центром, часть 13 подачи водорода, расположенную в центре, предназначенную для подачи водорода (Н₂), используемого в качестве газообразного топлива, пару нижних генераторов 12, расположенных ниже центра, нижний коллектор 17 тока на стороне кислорода и нижнюю часть 15 корпуса. Верхняя часть 14 корпуса и нижняя часть 15 корпуса в паре формируют корпус карты 10 топливного элемента. Стержень 18 запаса водорода, позволяющий подавать водород в карту 10 топливного элемента, сформирован в форме пластины, имеющей толщину, приблизительно равную толщине карты 10 топливного элемента, и выполнен с возможностью подключения к карте 10 топливного элемента. Выступ 20 в форме штырька, через который водород поступает в карту 10 топливного элемента, сформирован на стороне подключения к карте 10 топливного элемента стержня 18 запаса водорода.

Как показано на фиг.2, карта 10 топливного элемента может быть установлена в гнездо 22 для установки карты основного корпуса устройства, например персонального компьютера 21 типа ноутбук в данном варианте воплощения. Гнездо 22, установленное в основном корпусе устройства, должно быть совместимым с картой 10 топливного элемента, при этом оно может быть разработано как гнездо, имеющее стандартный размер, соответствующий стандарту JEIDA/PCMCIA. А именно, в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA размеры гнезда для карты PC card определены следующим образом: продольный размер (длина) гнезда - в диапазоне 85,6 мм ± 0,2 мм и поперечный размер (ширина) гнезда - в диапазоне 54,0 мм ± 0,1 мм. Толщина карты PC card также задана в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA для каждой из Типа I и Типа II карт PC card следующим образом: для Типа I толщина соединительной части - в диапазоне 3,3 мм ± 0,1 мм и толщина части основания - в диапазоне 3,3 мм ± 0,2 мм, и для Типа II толщина соединительной части - в диапазоне 3,3 мм ± 0,1 мм, и толщина части основания - в диапазоне 5,0 мм или меньше и стандартная толщина части основания ± 0,2 мм.

Следует отметить, что в данном варианте воплощения, гнездо 22 установлено сбоку от клавиатуры основного корпуса персонального компьютера 21 типа ноутбук, который представляет собой основной корпус устройства; однако, гнездо 22 может быть установлено на подключаемой панели 23, показанной на фиг.2 пунктирной линией.

На фиг.3 показан вид в перспективе, представляющий карту 10 топливного элемента в собранном состоянии, и на фиг.4 показан вид в разрезе карты 10 топливного элемента. Учитывая портативность карты 10 топливного элемента, ее углы выполнены закругленными. Карту 10 топливного элемента собирают путем установки верхней части 14 корпуса, которая сформирована в форме плоской пластины, на нижней части 15 корпуса так, что другие элементы устанавливают между ними и закрепляют верхнюю часть 14 корпуса на нижней части 15 корпуса винтами, которые не показаны на фиг.3. Множество отверстий 31, представляющих собой входные отверстия для воздуха, через которые кислород поступает в корпус, сформированы в верхней части 14 корпуса. В соответствии с этим вариантом воплощения, отверстия 31 выполнены в виде по существу прямоугольных сквозных отверстий, и каждый из двух наборов отверстий содержит по 15 отверстий 31, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок, параллельной горизонтальной плоскости. В данном варианте воплощения, таким образом, всего 30 отверстий 31 сформированы в верхней части 14 корпуса. Благодаря наличию отверстий 31 электроды на стороне кислорода генераторов 11 (описаны ниже) связаны с атмосферой для обеспечения поступления эффективного количества кислорода без необходимости использования специального блока всасывания, а также для удаления избыточного количества воды, вырабатываемой при работе топливного элемента.

В данном варианте воплощения, поскольку каждый из коллекторов тока сформирован в виде решетки, отверстия 31 сформированы в виде такой же структуры, что и коллекторы тока; однако, они могут быть выполнены в виде любой другой структуры без отхода от объема настоящего изобретения. Форма каждого из отверстий 31 может быть различной, например круглой, эллиптической, они могут иметь форму полосок и многоугольников. Количество и компоновка отверстий 31 могут изменяться различным образом. Например, два набора, каждый из которых содержит 30 отверстий 31, расположенных в виде шести рядов/пяти колонок параллельно горизонтальной плоскости, и, таким образом, всего в верхней части 14 корпуса могут быть сформированы 60 отверстий 31. В этом варианте воплощения отверстия 31 сформированы вырезанием участков, соответствующих отверстиям 31, из верхнего корпуса 14, выполненного в форме пластины. Кроме того, на отверстия 31 может быть установлена сетка из нетканого материала с такой плотностью, чтобы она не создавала препятствия для связи с атмосферой электродов на стороне кислорода, предназначенная для предотвращения проникания или прилипания мусора и пыли. Как показано на фиг.4, в нижней части 15 корпуса сформированы отверстия 41, соответствующие отверстиям 31 верхней части 14 корпуса. Так же, как и отверстия 31 в верхней части 14 корпуса, форма отверстий 41 нижней части 15 корпуса может различной, а также может быть установлена сетка из нетканого материала, закрывающая отверстия 41.

Стержень 18 запаса водорода, позволяющий подавать водород, как подробно показано на фиг.3, подключен к карте 10 топливного элемента путем установки двух шпилек 19, сформированных на боковой поверхности стороны присоединения стержня 18 запаса водорода к карте 10 топливного элемента, в два установочных отверстия 33, сформированных на боковой поверхности стороны присоединения нижней части 15 корпуса. В это время выступающая часть 20, представляющая собой канал подачи водорода, стержня 18 запаса водорода устанавливается в прямоугольное установочное отверстие 32, сформированное на боковой поверхности стороны присоединения стержня 18 запаса водорода к нижней части 15 корпуса, и соединяется с концом трубки подачи водорода (не показана) части 13 подачи водорода, проходящей в части корпуса, до установочного отверстия 32. При этом стержень 18 запаса водорода устанавливается с возможностью отсоединения на карту 10 топливного элемента. Когда, например, остаточное количество водорода в стержне 18 запаса водорода уменьшится до определенного уровня или станет ниже его, стержень 18 запаса водорода отсоединяют от карты 10 топливного элемента и заменяют новым стержнем с достаточным количеством водорода или восстанавливают его для обеспечения возможности повторного использования путем накачки водорода в отсоединенный стержень 18 запаса водорода. Следует отметить, что в этом варианте воплощения стержень 18 запаса водорода устанавливают на карте 10 топливного элемента путем установки шпилек 19 стержня 18 запаса водорода в установочные отверстия 33; однако, может быть предусмотрена возможность установки стержня 18 запаса водорода на карте 10 топливного элемента с использованием другого соединительного элемента, например с использованием ключевых канавок, в которые должны входить шпильки 19, или с использованием фиксирующего элемента или магнита, скользящего с преодолением силы смещения пружины.

Каждый из элементов карты 10 топливного элемента будет поочередно описан ниже. На фиг.5А - 5С изображены виды в перспективе, представляющие нижний коллектор 17 тока на стороне кислорода, изолирующую пленку 50 и нижнюю часть 15 корпуса, соответственно. Нижняя часть 15 корпуса может быть изготовлена из металла, например из нержавеющей стали, железа, алюминия, титана или магния, или из смолы, обладающей исключительными свойствами теплостойкости и устойчивости к химическим реагентам, например из эпоксидной смолы, смолы ABS (сополимер акрилонитрила бутадиена и стирола), полистирола, PET (полиэтилентерефталат) или поликарбоната. В качестве альтернативы, нижняя часть 15 корпуса может быть изготовлена из композитного материала, такого как смола, армированная волокнами. Так же, как отверстия 31 верхней части 14 корпуса, два набора вышеописанных отверстий 41 в форме прямоугольных сквозных отверстий сформированы на нижней части 15 корпуса в форме плоской пластины, так что каждый из наборов отверстий 41 расположен в виде сетки из пяти рядов/трех колонок. Отверстия 41 выполнены в виде прямоугольных сквозных отверстий, имеющих, по существу, такую же форму, что и отверстия 31 верхней части 14 корпуса.

Внутренняя сторона нижней части 15 корпуса, в общем, разделена на три части корпуса: две части установки генератора, предназначенные для установки пары генераторов 11 и пары генераторов 12, и часть 46 установки трубки, предназначенную для установки трубки для водорода для части 13 подачи водорода (описана ниже). Части корпуса отделены друг от друга с помощью выступающих ребер 42, проходящих от донной поверхности нижней части 15 корпуса, и боковых стенок, проходящих вдоль внешней кромки нижней части 15 корпуса. Верхние конечные поверхности выступающих ребер 42 и боковых стенок должны входить в непосредственный контакт с обратной поверхностью верхней части 14 корпуса, и поэтому они сформированы в приданием им приблизительно плоских поверхностей. Множество отверстий 44 для винтов сформированы в верхних поверхностях выступающих ребер 42 и в поверхностях боковых стенок. Выступающие ребра 42 сформированы в виде установочного элемента для установки верхнего коллектора 16 тока на стороне кислорода, пары генераторов 11 и пары генераторов 12, части 13 подачи водорода и нижнего коллектора 17 тока на стороне кислорода, причем каждая из этих деталей будет подробно описана ниже.

Как описано выше, боковая поверхность 43 стороны присоединения стержня 18 запаса водорода к нижней части 15 корпуса содержит пару установочных отверстий 33, а также имеет стенку боковой поверхности и стенку нижней поверхности, с помощью которых сформировано установочное отверстие 32, которое должно соединяться с концом трубки подачи водорода. В боковой стенке, противоположной боковой поверхности 43 нижней части 15 корпуса, сформирована пара канавок 48 и 49 выводов электродов. Выводы 64 и 114 электродов коллекторов 16 и 17 тока на стороне кислорода (описаны ниже), соединенных с электродами на стороне кислорода, устанавливаются в канавки 48 выводов электродов. Тем временем, выводы 94 электродов коллекторов 81 и 82 тока на стороне водорода в части 13 подачи водорода (будут описаны ниже), соединенных с электродами 11 и 12 на стороне водорода генераторов, устанавливаются в канавки 49 выводов электродов. Две соединительные выемки 45, предназначенные для подачи газообразного водорода через трубку подачи водорода в часть 13 подачи водорода, расположенную между парами генераторов 11 и 12, сформированы в одном из выступающих ребер 42 между частью 46 установки трубки подачи водорода и частями установки пары генераторов 11 и 12. Соединительная выемка 47 сформирована в одном из выступающих ребер 42, расположенном между парой частей установки генераторов, расположенных параллельно горизонтальной плоскости. В соединительной выемке 47 могут быть установлены соединение 112 коллектора 16 тока и соединение 62 коллектора 17 тока.

Изолирующая пленка 50 расположена между нижней частью 15 корпуса и нижним коллектором 17 тока на стороне кислорода. Изолирующая пленка 50 изготовлена из поликарбоната и имеет толщину приблизительно 0,3 мм. В изолирующей пленке 50 сформирована пара решетчатых областей. Два набора отверстий 51, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок, сформированы в паре решетчатых областей изолирующей пленки 50 таким образом, чтобы они совмещались по вертикали с двумя наборами отверстий 41, расположенных в виде сетки из пяти рядов/пяти колонок, нижней части 15 корпуса. Вышеописанное соединение 52, устанавливаемое в соединительную выемку 47 нижней части 15 корпуса, расположено приблизительно в центральной части изолирующей пленки 50.

Нижний коллектор 17 тока на стороне кислорода обычно сформирован в виде металлической пластины с позолоченными поверхностями. Нижний коллектор 17 тока на стороне кислорода должен находиться в контакте с электродами на стороне кислорода генераторов 12 (которые будут описаны ниже) для подачи кислорода через два набора отверстий 61 (каждый из наборов отверстий 61 расположен в виде сетки из пяти рядов/трех колонок), сформированных в нижнем коллекторе 17 тока на стороне кислорода. Каждое из в значительной степени открытых отверстий 61 функционирует как часть передачи газа коллектора 17 тока. Поскольку два набора отверстий 61, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок, совмещены в вертикальном направлении с двумя наборами отверстий 51, расположенных в виде двух наборов в виде сетки из пяти рядов/трех колонок изолирующей пленки 50, и двух наборов отверстий 41, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок нижней части 15 корпуса, электроды на стороне кислорода генераторов 12 связаны с атмосферой, обеспечивая, таким образом, подачу кислорода на генераторы 12, без снижения давления, то есть парциального давления кислорода воздуха. С другой стороны, при генерировании электродвижущей силы на поверхностях электродов на стороне кислорода генераторов 12 образуется влага; однако, такая влага, предпочтительно, может удаляться, поскольку электроды на стороне кислорода открыты атмосфере через большие отверстия 61. Вышеописанный вывод 64 электрода, который должен быть расположен таким образом, чтобы он выступал из канавки 48 вывода электрода, сформирован как прямоугольная деталь, выступающая в продольном направлении карты 10 топливного элемента, на нижнем коллекторе 17 тока на стороне кислорода в месте, соответствующем месту канавки 48 вывода электрода. Выступающая часть 63, предназначенная для установки и фиксации нижнего коллектора 17 тока на стороне кислорода, сформирована на боковой кромке нижнего коллектора 17 тока на стороне кислорода, эффективно используя незадействованное пространство в дальней части трубки подачи водорода. Следует отметить, что нет необходимости использовать все силовые выводы 64, 94 и 114 и выступающие части 63, 93 и 113. Например, если выступающая часть 93-2 будет электрически соединена с выступающей частью 113 и силовые выводы 64 и 94 будут использоваться в качестве внешних выходных выводов, другие силовые выводы части съема энергии могут не использоваться. Следует отметить, что нижний коллектор 17 тока на стороне кислорода может быть изготовлен из электропроводного пластика, содержащего углерод, или из металлической пленки, сформированной на элементе держателя.

Ниже будет описана структура каждого из генераторов 11 и 12 со ссылкой на фиг.6А - 6D, 12 и 13. Генераторы 11 и 12, которые имеют одинаковую структуру, отличаются друг от друга только тем, что генератор 11 расположен на верхней стороне корпуса таким образом, что электрод 73 на стороне водорода направлен вниз (по направлению к центру корпуса), а электрод 71 на стороне кислорода направлен вверх (по направлению к внешней стороне корпуса), в то время, как генератор 12 расположен на нижней стороне корпуса так, что электрод 73 на стороне водорода направлен вверх (по к направлению центру корпуса), а электрод 71 на стороне кислорода направлен вверх (по направлению к внешней стороне корпуса). Другими словами, генераторы 11 и 12, имеющие одинаковую конструкцию, установлены в перевернутом по вертикали положении по отношению друг к другу.

Пленка - проводник 72 протонов, представляющая собой твердую полимерную пленку, которая сформирована с приданием ей приблизительно прямоугольной формы, близкой к квадратной форме, установлена в каждом из генераторов 11 и 12. Во время генерирования электроэнергии полученные диссоциированием протоны мигрируют в пленку - проводник 72 протонов. Электрод 71 на стороне кислорода находится в плотном контакте с одной поверхностью пленки - проводника 72 протонов, и электрод 73 на стороне водорода находится в плотном контакте с другой поверхностью пленки - проводника 72 протонов, в результате чего пленка - проводник 72 протонов установлена между электродом 71 на стороне кислорода и электродом 73 на стороне водорода. Электрод 71, на стороне кислорода сформированный с приданием ему приблизительно прямоугольной формы, близкой к форме квадрата, имеет, по существу такие же размеры, как и пленка - проводник 72 протонов, в то время как электрод 73 на стороне водорода сформирован с приданием ему приблизительно прямоугольной формы, близкой к форме квадрата, и имеет меньший размер, чем электрод 71 на стороне кислорода и пленка 72 - проводник 72 протонов. В соответствии с этим, в состоянии, когда электрод 73 на стороне водорода установлен на пленку - проводник 72 протонов, часть внешней кромки шириной приблизительно 2 мм пленки - проводника 72 протонов остается открытой. Как показано на фиг.12, в соответствии с этим вариантом воплощения, элемент 74 уплотнительного материала, в частности, в форме прокладки, установлен таким образом, чтобы он находился в плотном контакте с внешней частью пленки - проводника 72 протонов, открытой в состоянии, когда электрод 73 на стороне водорода наложен на пленку - проводник 72 протонов. В этом варианте воплощения для элемента 74 из уплотнительного материала, выполненного в форме прокладки, используется материал, имеющий высокую эластичность и воздухонепроницаемость, например кремнийорганический каучук. Большое отверстие 75, сформированное в элементе 74 из уплотнительного материала, соответствует внешней кромке электрода 73 на стороне водорода, который выполнен меньшим, чем пленка - проводник 72 протонов. С другой стороны, где электрод 71 на стороне кислорода, в основном, открыт для атмосферы через большие отверстия, сформированные в коллекторе тока и части корпуса, уплотнение для газа с использованием такой прокладки не требуется. В результате, становится возможным уменьшить количество деталей и количество этапов сборки. Толщина элемента 74 из уплотнительного материала в форме прокладки установлена приблизительно равной или превышающей толщину электрода 73 на стороне водорода. Например, толщина электрода 73 на стороне водорода может быть установлена равной 0,2 мм, а толщина элемента 74 из уплотнительного материала может быть установлена равной 0,3 мм. Когда коллектор тока прижат к генератору 11 или 12, элемент 74 уплотнительного материала упруго сжимается в направлении толщины приблизительно на 0,1 мм для обеспечения равномерного контакта между коллектором тока, элементом 74 из уплотнительного материала и электродом 73 на стороне водорода, который расположен внутри элемента 74 из уплотнительного материала, улучшая, таким образом, электрические характеристики топливного элемента. Кроме того, поскольку элемент из уплотнительного материала не установлен на электроде 71 на стороне кислорода, по сравнению со структурой известного уровня техники, в которой элементы из уплотнительного материала расположены с обеих сторон пленки - проводника протонов, обеспечивается более высокая жесткость краевой части пленки - проводника 72 протонов независимо от изменения характеристик элементов из уплотнительного материала и, таким образом, это существенно улучшает воздухонепроницаемость. Кроме того, зона контакта электрода 73 на стороне водорода, который имеет меньшие размеры, чем пленка - проводник 72 протонов с элементом 74 из уплотнительного материала, может быть сформирована в вертикальной плоскости; однако, плоскость контакта электрода 73 на стороне водорода, предпочтительно, сформирована как плоскость обратной клиновидности. В этом случае плоскость стенки отверстия 75 элемента 74 из уплотнительного материала может быть сформирована как плоскость прямой клиновидности. При такой конфигурации становится возможным улучшить сцепление между элементом 74 из уплотнительного материала и пленкой - проводником 72 протонов.

Что касается количества генераторов 11 и 12, как описано выше, в корпусе карты 10 топливного элемента пара генераторов 11 расположена горизонтально и параллельно на верхней стороне, и пара генераторов 12 расположена горизонтально параллельно на нижней стороне. Электроэнергия снимается с этих генераторов 11 и 12 через общие коллекторы 16 и 17 тока и подобные устройства. В результате, цепь подключения генераторов 11 и 12 эквивалентна цепи, в которой два элемента включены параллельно. Четыре генератора 11 и 12 могут быть включены параллельно при коротком замыкании двух коллекторов тока на стороне водорода (будут описаны ниже), а также при коротком замыкании коллекторов 16 и 17 тока на стороне кислорода. Четыре генератора 11 и 12 также могут быть включены последовательно при разрыве соединения между коллекторами тока, состоящими из двух коллекторов тока на стороне водорода и двух коллекторов тока 16 и 17 на стороне кислорода в месте вышеописанной соединительной выемки 47 нижней части 15 корпуса, и с последующим электрическим соединением коллекторов тока на стороне водорода с коллекторами тока на стороне кислорода с помощью провода или кусочков провода, соединяя, таким образом, генераторы 11 на верхней стороне с генераторами 12 на нижней стороне.

Структура части 13 подачи водорода будет описана ниже со ссылкой на фиг.7А - 7С, 9, 10 и 11. Часть 13 подачи водорода представляет собой элемент, расположенный в центре карты 10 топливного элемента по вертикали, и выполняет функцию подачи водорода, который используется в качестве газообразного топлива, в пространство между генераторами 11 и 12, а также выполняет функцию силовых выводов коллекторов тока на стороне водорода части 13 подачи водорода. Часть 13 подачи водорода включает пару коллекторов тока 82 и 81 на стороне водорода, два набора изолирующих пленок 83 и 84, установленных между коллекторами 82 и 81 тока на стороне водорода, которые функционируют в качестве каналов подачи газа, проходящих к генераторам 11 и 12, и трубку 91 подачи водорода, предназначенную для подачи водорода, используемого в качестве газообразного топлива к генераторам 11 и 12 через коллекторы 82 и 81 тока.

Коллектор 81 тока на стороне водорода представляет собой элемент, находящийся в плоскостном контакте с электродами 73 на стороне водорода, которые сформированы на передних поверхностях пары генераторов 12 нижней стороны. Плоскость контакта с генераторами 12 выполнена так, чтобы через нее мог проходить газообразный водород. Коллектор 81 тока на стороне водорода сформирован в виде позолоченной металлической пластины. Сторона задней поверхности коллектора 81 тока на стороне водорода, как показано на фиг.7А - 7С, находится в контакте с электродами 73 на стороне водорода генераторов 12. Коллектор 81 тока на стороне водорода имеет два набора отверстий 87, причем каждый из наборов отверстий 87 расположен в виде сетки из пяти рядов/трех колонок. Водород поступает с коллектора 81 тока на стороне водорода на электроды 73 на стороне водорода генераторов 12 через части отверстия 87. Поскольку отверстия 87 сформированы в плоскости контакта коллектора 81 тока на стороне водорода с генераторами 12, обеспечивается возможность подавать газообразный водород на генераторы 12, имеющие форму плоской пластины на всю их поверхность. Соединение 97, которое должно быть установлено в вышеописанную соединительную выемку 47 в нижней части 15 корпуса, расположено приблизительно в центре электрода 81 на стороне водорода.

Коллектор 82 тока на стороне водорода представляет собой элемент, находящийся в плоскостном контакте с электродами 73 на стороне водорода, установленный на задних поверхностях пары генераторов 11 верхней стороны. Плоскость контакта с генераторами 11 сконфигурирована так, чтобы обеспечивалась возможность пропускания через нее газообразного водорода. Так же как и коллектор 81 тока на стороне водорода, коллектор 82 тока на стороне водорода сформирован в виде металлической пластины с позолоченными поверхностями. Сторона передней поверхности коллектора 82 тока на стороне водорода на фиг.7А - 7С находится в контакте с электродами 73 на стороне водорода генераторов 11. Коллектор 82 тока на стороне водорода имеет два набора отверстий 88, причем каждый из наборов отверстий 88 расположен в виде сетки из пяти рядов/трех колонок. Водород поступает со стороны коллектора 82 тока на стороне водорода на электроды 73 на стороне водорода генераторов 11 через отверстия 88. Поскольку отверстия 88 сформированы в плоскости контакта коллектора 82 тока на стороне водорода с генераторами 11, обеспечивается возможность подавать газообразный водород на генераторы 11, выполненные с приданием им плоской формы, по всей их поверхности. Соединение 97, которое должно быть установлено в вышеописанную соединительную выемку 47 на нижней стороне нижней части 15 корпуса, расположено приблизительно в центре электрода 82 на стороне водорода.

Коллекторы 81 и 82 тока на стороне водорода расположены таким образом, что задняя поверхность коллектора 82 тока на верхней стороне располагается напротив передней стороны коллектора 81 тока нижней стороны, и два набора изолирующих пленок 83 и 84 установлены в качестве прокладки между ними. Каждая пара изолирующих пленок 83 и 84 сформирована из смолы, такой как поликарбонат, с приданием им приблизительно U-образной формы высеканием с использованием матриц. Изолирующие пленки 83 и 84 установлены в виде пары так, что их U-образные выемки обращены друг к другу для формирования в их центральной части приблизительно прямоугольного пространства, работающего как канал для газа. Приблизительно прямоугольный канал для газа практически соответствует области одного набора отверстий 87, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок на коллекторе 81 тока на стороне водорода, и также соответствует области набора отверстий 88, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок на коллекторе 82 тока на стороне водорода. Входное отверстие 86 на стороне водорода, соединенное с полой трубкой 91 подачи водорода, сформировано в боковой кромке на стороне трубки 91 подачи водорода комбинированной детали из пары изолирующих пленок 83 и 84, и отверстие 85 утечки сформировано на кромке другой стороны, расположенной напротив входного отверстия 86 на стороне водорода комбинированной детали из пары изолирующих пленок 83 и 84. Отверстие 85 утечки может быть заменено открывающимся/закрывающимся клапаном и в некоторых случаях отверстие 85 утечки может не быть сформировано. Высота двух наборов изолирующих пленок 83 и 84 определяет пространство между коллекторами 81 и 82 тока на стороне водорода, расположенными таким образом, что передняя поверхность коллектора 81 тока расположена напротив задней поверхности коллектора 82 тока так, что между ними установлены изолирующие пленки 83 и 84. Другими словами, толщина части 13 подачи водорода по высоте определяется высотой двух наборов изолирующих пленок 83 и 84.

Трубка 91 подачи водорода представляет собой трубчатый элемент, имеющий прямоугольное поперечное сечение, проходящий в продольном направлении карты 10 топливного элемента. Посадочное отверстие 96, в которое устанавливается выступающая часть 20 стержня 18 запаса водорода, сформировано на конечной части стороны соединения со стержнем 18 запаса водорода трубки 91 подачи водорода. Трубка 91 подачи водорода выполнена полой, так что через нее может проходить водород. В трубке 91 подачи водорода может быть установлен элемент ввода запаса водорода. Трубка 91 подачи водорода соединена с коллекторами 81 и 82 тока на стороне водорода путем установки ведущих концов выступающих частей 89 и 90 электродов 81 и 82 на стороне водорода в два горизонтально удлиненных порта 92 установки, сформированных на боковой поверхности трубки 91 подачи водорода. Выступающие части 89 и 90, которые выступают на боковых концевых частях электродов 81 и 82 на стороне водорода вдоль плоскостей электродов 81 и 82 на стороне водорода, будучи установленными в порты 92 установки трубки 91 подачи водорода, стабильно фиксируются, поддерживаясь по горизонтали боковыми конечными частями электродов 81 и 82 на стороне водорода. В электродах 82 и 81 на стороне водорода вышеописанные выводы 94 электродов, которые должны быть расположены так, чтобы они выступали из канавки 49 выводов электродов в нижней части 15 корпуса, соответственно, сформированы как прямоугольные детали, проходящие в продольном направлении карты 10 топливного элемента в положении, соответствующем канавке 49 выводов электродов. Вышеописанные выступающие части 93, предназначенные для установки и фиксирования электродов 82 и 81 на стороне водорода соответственно, сформированы на боковых краях электродов 82 и 81 на стороне водорода благодаря эффективному использованию незадействованного пространства на дальней стороне трубки 91 подачи водорода. Топливо может поступать в генераторы, расположенные с левой стороны, из порта 92 установки с левой стороны, а также топливо может поступать на генераторы, расположенные с правой стороны, из порта 92 установки с правой стороны. В качестве альтернативы топливо может поступать из одного из портов 92 установки на генераторы по каналу, соединяющему генераторы, расположенные с левой стороны, и генераторы, расположенные с правой стороны.

На фиг.8А - 8С показаны виды в перспективе, представляющие верхнюю часть 14 корпуса, изолирующую пленку 100 и верхний коллектор 16 тока на стороне кислорода, расположенный под верхней частью 14 корпуса, соответственно. Аналогично нижней части 15 корпуса, верхняя часть 14 корпуса может быть изготовлена из металла, например из нержавеющей стали, железа, алюминия, титана или магния, или из материала на основе смолы, обладающего исключительными свойствами стойкости к воздействию тепла и химических реагентов, например из эпоксидной смолы, смолы ABS (сополимер акрилонитрила бутадиена и стирола), полистирола, PET (полиэтилентерефталат) или поликарбоната. В качестве альтернативы верхняя часть 14 корпуса может быть изготовлена из композитного материала, такого как смола, армированная волокнами. Два набора вышеописанных отверстий 31 выполнены в форме прямоугольных сквозных отверстий, причем каждый из наборов отверстий 31 расположен в виде сетки из пяти рядов/трех колонок, сформированных в верхней части 14 корпуса.

Изолирующая пленка 100 расположена между верхней частью 14 корпуса и верхним коллектором 16 на стороне кислорода. Изолирующая пленка 100 выполнена из поликарбоната и имеет толщину приблизительно 0,3 мм. Пара решетчатых областей сформирована в изолирующей пленке 100. Два набора отверстий 101, причем каждый из наборов отверстий 101 расположен в виде сетки из пяти рядов/трех колонок, сформированы в решетчатых областях изолирующей пленки 100 таким образом, чтобы они были совмещены по вертикали с двумя наборами отверстий 31, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок в верхней части 14 корпуса. Вышеописанные соединения 102, которые должны быть установлены в соединительную выемку 47 в нижней части 15 корпуса, расположены приблизительно по центру изолирующей пленки 100.

Верхний коллектор 16 тока на стороне кислорода обычно сформирован из позолоченной металлической пластины. Верхний коллектор 16 тока на стороне кислорода, который должен находиться в контакте с электродами 71 на стороне кислорода верхних генераторов 11 для подачи кислорода через два набора отверстий 111 (каждый набор отверстий 111 расположен в виде сетки из пяти рядов/трех колонок), сформирован в верхнем коллекторе 16 тока на стороне кислорода. Каждое из отверстий 111, которые имеют широкий раскрыв, функционирует как часть передачи газа для коллектора 16 тока. Поскольку два набора отверстий 11, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок, совмещены по вертикали с двумя наборами отверстий 101, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок, изолирующей пленки 100 и двумя наборами отверстий 31, расположенных в виде сетки из пяти рядов/трех колонок, верхней части 14 корпуса, электроды 71 на стороне кислорода генераторов 11 соединены с атмосферой для подачи, таким образом, кислорода на генераторы 11, без снижения давления, то есть парциального давления кислорода воздуха. С другой стороны, на поверхностях электродов 71 на стороне кислорода генераторов 11 при генерировании электродвижущей силы образуется влага; однако, такая влага может, предпочтительно, удаляться, поскольку электроды на стороне кислорода соединены с атмосферой через большие отверстия 111. Вышеописанные выводы 114 электродов, которые должны быть расположены так, чтобы они выступали из канавки 48 выводов электродов в нижней части 15 корпуса, сформированы как прямоугольные детали, проходящие в продольном направлении карты 10 топливного элемента на верхнем коллекторе 16 тока на стороне кислорода в месте, соответствующем канавке 48 выводов электродов. Выступающая часть 113, предназначенная для установки и фиксирования верхнего коллектора 16 тока на стороне кислорода, сформирована на боковой кромке верхнего коллектора 16 тока на стороне кислорода, что позволяет эффективно использовать незадействованное пространство на дальней стороне трубки подачи водорода. Следует отметить, что верхний коллектор тока 16 на стороне кислорода может быть изготовлен из электропроводной пластмассы, содержащей углерод, металлической пленки, сформированной на элементе держателя.

Вышеописанная карта 10 топливного элемента, в соответствии с данным вариантом воплощения, действует следующим образом:

Часть 13 подачи водорода, содержащая коллекторы 82 и 81 тока на стороне водорода, расположена так, что задняя поверхность коллектора 82 тока на стороне водорода и передняя поверхность коллектора 81 тока на стороне водорода устанавливаются напротив друг друга, и генераторы 11 и 12 расположены так, что они укладываются на передней поверхности коллектора 82 тока на стороне водорода и задней поверхности коллектора 81 тока на стороне водорода, соответственно. В соответствии с этим генераторы 11 и 12 составлены сверху и снизу на общей части подачи газа, то есть части 13 подачи водорода, в результате чего площадь генерирования электроэнергии генераторов 11 и 12 может быть увеличена. Кроме того, поскольку два набора изолирующих пленок 83 и 84 установлены в качестве прокладки между коллекторами 82 и 81 тока на стороне водорода, водород, используемый в качестве газообразного топлива, может надежно подаваться через отверстие, сформированное в прокладке, к генераторам 11 и 12, имеющим форму плоской пластины, которые установлены на внешних сторонах коллекторов 82 и 81 тока на стороне водорода, соответственно. В частности, если каждая из изолирующих пленок 83 и 84 будет изготовлена из синтетической смолы, такой как поликарбонат, такая изолирующая пленка может функционировать как эластичный элемент, который упруго деформируется для обеспечения равномерного контакта между парой генераторов 11 и 12, имеющих форму плоской пластины, и коллекторами 82 и 81 тока, когда генераторы 11 и 12 находятся в прижимном контакте с коллекторами 82 и 81 тока на стороне водорода, соответственно. В результате, становится возможным легко обеспечить состояние равномерного прижимного контакта между генераторами 11 и верхним коллектором 82 тока на стороне водорода и между генераторами 12 и нижним коллектором 81 тока на стороне водорода.

В каждом из генераторов 11 и 12 большое отверстие 75, сформированное в элементе 74 из уплотнительного материала, располагается вдоль внешней кромки электрода 73 на стороне водорода, который выполнен меньшим, чем пленка - проводник 72 протонов, и сторона электрода 71 на стороне кислорода, в основном, соединена с атмосферой через большие отверстия коллектора тока на стороне кислорода, который установлен на электроде 71 на стороне кислорода, и поэтому не требуется использовать какой-либо уплотнитель для газа. Это является предпочтительным для уменьшения количества частей и количества этапов сборки. Кроме того, поскольку элемент 74 из уплотнительного материала, обладающий упругостью, сжат в направлении толщины, когда коллектор тока прижат к генератору, обеспечивается равномерный контакт между коллектором тока и как элементом 74 из уплотнительного материала, так и электродом 73 на стороне водорода, внутри элемента 74 из уплотнительного материала, что улучшает электрические характеристики топливного элемента. Кроме того, поскольку элемент из уплотнительного материала отсутствует со стороны 71 электрода на стороне кислорода, может быть обеспечена жесткость электрода 71 на стороне кислорода, поскольку на электрод 71 на стороне кислорода не влияют характеристики материала уплотнителя. В результате, становится возможным существенно улучшить непроницаемость для газа генератора.

В карте 10 топливного элемента, в соответствии с данным вариантом воплощения, поскольку электроды на стороне кислорода генераторов 11 и 12 связаны с атмосферой, кислород может поступать в генераторы 11 и 12, без снижения давления, то есть парциального давления кислорода в воздухе. Хотя на поверхностях электродов на стороне кислорода генераторов 11 и 12 во время генерирования электродвижущей силы образуется влага, такая влага, предпочтительно, может удаляться, поскольку электроды на стороне кислорода открыты в атмосферу через большие отверстия коллекторов тока, установленных на электродах на стороне кислорода.

Как показано на фиг.2, карта 10 топливного элемента, в соответствии с данным вариантом воплощения, может быть установлена в гнездо 22 установки карты персонального компьютера 21 типа ноутбук, в качестве основного корпуса устройства. В частности, благодаря использованию карты 10 топливного элемента, имеющей такие же размеры, что и стандартная карта PC card, используемая для портативного оборудования, становится возможным увеличить время работы портативного оборудования. В этом случае, хотя множество генераторов 11 и 12 расположены в корпусе карты, кислород может поступать на электроды 71 на стороне кислорода генераторов под достаточным давлением благодаря тому, что электроды 71 на стороне кислорода открыты в атмосферу, в результате чего не требуется устанавливать какое-либо средство подачи газа, такое как газовый баллон или насос. В результате, становится возможным обеспечить рациональное использование пространства в топливном элементе и устранить необходимость установки дополнительного вспомогательного устройства.

На фиг.15-17 показаны модификации карты топливного элемента в соответствии с данным вариантом воплощения. В системе карты топливного элемента, показанной на фиг.15, которая представляет собой модификацию системы, карта 151 топливного элемента имеет размер (толщина 3,3 мм), находящийся в пределах вышеописанного диапазона размера для карты Типа I в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA, карта 151 топливного элемента имеет такую же внутреннюю структуру, как и вышеописанная карта 10 топливного элемента. Карта 151 топливного элемента может быть подключена к части запаса водорода типа карты, которая состоит из комбинации элемента 153 в форме пластины и прямоугольного элемента 152. Когда карта 151 топливного элемента соединена с частью запаса водорода типа карты, общая толщины карты 151 топливного элемента и элемента 153 в форме пластины типа карты части запаса водорода типа карты определяется таким образом, чтобы она находилась в пределах диапазона (приблизительно 5 мм или меньше) для карты Типа II в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA. Карта 151 топливного элемента, выполненная, как описано выше, может быть установлена в различного рода персональные компьютеры типа ноутбук. Часть запаса водорода типа карты, которая имеет большой объем запаса газообразного водорода по отношению к общему объему элемента 153 в виде пластины и прямоугольного элемента 152, позволяет обеспечить большое время работы карты 151 топливного элемента.

На фиг.16 показана система карты топливного элемента типа карты PC card в соответствии с другой модификацией. Карта 161 топливного элемента может быть присоединена к части 162 запаса водорода, имеющей больший размер по толщине. Карта 161 топливного элемента имеет такую же внутреннюю структуру, что и вышеописанная карта 10 топливного элемента. Часть 162 запаса водорода может быть установлена с возможностью отсоединения на карту 161 топливного элемента. Поскольку часть 162 запаса водорода выполнена более толстой, чем стержень 18 запаса водорода, описанный в предыдущем варианте воплощения, она обеспечивает более длительный срок службы карты 161 топливного элемента.

На фиг.17 показан топливный элемент 171 в дополнительной модификации, в которой он имеет такой же размер, как и корпус, например съемного диска. Стержень 172 запаса водорода может быть установлен в гнездо 173, сформированное с одной торцевой стороны топливного элемента 171. Выходной вывод 174, предназначенный для отвода электродвижущей силы от топливного элемента 171, сформирован на передней кромке топливного элемента 171, и разъем 175 подачи электропитания, проходящий от выходного вывода 174, может быть подключен к основному корпусу устройства, такого как персональный компьютер, для обеспечения работы основного корпуса устройства при использовании топливного элемента 171.

Формы изолирующих пленок 83 и 84 каждого из генераторов 11 и 12 в предыдущем варианте воплощения могут быть модифицированы так, как показано на фиг.18А - 18Е. На фиг.18А показан пример изолирующей пленки, имеющей такую же форму, что и комбинированная форма изолирующих пленок 83 и 84 в предыдущем варианте воплощения. Этот пример включает изолирующую пленку 180, изготовленную из поликарбоната, в которой сформирован приблизительно прямоугольный канал 181 для топлива. На фиг.18В показан другой пример изолирующей пленки, состоящей из изолирующей пленки 182, которая отличается от изолирующей пленки 180, показанной на фиг.18А тем, что два левых выступа 184 и два правых выступа 184 сформированы в канале 183 для топлива таким образом, чтобы они проходили в направлении, перпендикулярном направлению потока кислорода, от входного отверстия топлива. При такой конфигурации, поскольку расположенные друг напротив друга электроды на стороне водорода, установленные с обеих сторон изолирующей пленки 182, могут быть установлены не только на внешней части изолирующей пленки 184, но также на выступах 184, становится возможным улучшить изоляцию между парой расположенных друг напротив друга электродов на стороне водорода, имеющих форму плоской пластины, при формировании канала 183 для топлива. На фиг.18С показан другой пример изолирующей пленки, состоящей из изолирующей пленки 185, которая отличается от изолирующей пленки 182, показанной на фиг.18В тем, что два левых выступа 187 и два правых выступа 187 сформированы в канале 186 для топлива таким образом, чтобы они проходили в направлении, параллельном направлению потока кислорода из входного отверстия топлива. Даже при такой конфигурации, поскольку расположенные друг напротив друга электроды на стороне водорода с обеих сторон изолирующей пленки 185, могут быть установлены не только на внешней части изолирующей пленки 185, но также и на выступах 187, становится возможным улучшить изоляцию между парой расположенных друг напротив друга электродов на стороне водорода, имеющих форму плоской пластины, при обеспечении канала 186 для топлива.

На фиг.18D показан другой пример изолирующей пленки, состоящей из изолирующей пленки 188, проходящей в форме замкнутой прямоугольной полоски и круглой изолирующей части 190, сформированной приблизительно в центральной части канала 189 для топлива, сформированного изолирующей пленкой 188 в виде прямоугольной полоски. При такой конфигурации, поскольку топливо, такое как газообразный водород или метанол, диффундирует в канале 189 для топлива вдоль круглой изолирующей части 190, становится возможным увеличить электродвижущую силу топливного элемента. На фиг.18Е показан другой пример изолирующей пленки, состоящей из изолирующей пленки 191, проходящей в форме замкнутой прямоугольной полоски, и множества (в данном примере пять) круглых изолирующих частей 193, сформированных приблизительно в центральной части канала 192 для топлива, ограниченного изолирующей пленкой 191 в форме прямоугольной полоски. При такой конфигурации топливо, такое как газообразный водород или метанол, может предпочтительно диффундировать в канал для топлива вдоль круглых изолирующих частей 193.

Конфигурация канала потока изолирующих пленок 83 и 84 каждого из генераторов 11 и 12, в соответствии с предыдущим вариантом воплощения, может быть модифицирована с применением конфигураций, показанных на фиг.19А - 19С. На фиг.19А показан пример изолирующей пленки, имеющей такую же форму, что и комбинированная форма изолирующих пленок 83 и 84, описанных в предыдущем варианте воплощения. Этот пример включает изолирующую пленку 195, изготовленную из поликарбоната, в центральной части которой сформирован приблизительно прямоугольный канал для топлива, имеющий входное отверстие 195е и выходное отверстие 195f. Избыточное топливо может выходить через выходное отверстие 195f. На фиг.19В показан другой пример изолирующей пленки, не имеющей отверстия утечки, такого как выходное отверстие 195f, показанное на фиг.19А. Этот пример содержит изолирующую пленку 196, проходящую в форме прямоугольной замкнутой полоски, в центральной части которой сформирован приблизительно прямоугольный канал потока, имеющий только входное отверстие 196е. На фиг.19С показан дополнительный пример изолирующей пленки, включающий изолирующую пленку 197, изготовленную из поликарбоната. Изолирующая пленка 197 проходит в форме приблизительно прямоугольной замкнутой полоски, в центральной части которой содержится приблизительно прямоугольный канал для потока, имеющий входное отверстие 197е и выходное отверстие 197f, в котором сформирован клапан 198 на стороне выхода потока выходного отверстия 197f. Когда внутреннее давление топлива, такого как водород, становится избыточно высоким, клапан 198 открывается для снижения внутреннего давления и, когда внутреннее давление топлива находится в пределах оптимального диапазона, клапан 198 удерживается закрытым для предотвращения утечки топлива.

Второй вариант воплощения

Второй вариант воплощения топливного элемента типа карты, имеющего приблизительно форму плоской пластины, в соответствии с настоящим изобретением, будет описан ниже со ссылкой на фиг.20-27. Топливный элемент типа карты, в соответствии с данным вариантом воплощения, главным образом, отличается тем, что в нем установлены вентиляторы с приводом от двигателей, используемые в качестве средства создания потока с обеих сторон топливного элемента типа карты, и внутри корпуса сформировано множество канавок, используемых в качестве каналов для воздуха, предназначенных для направления воздуха, который поступает благодаря вентиляторам на поверхности генераторов, в качестве топлива на стороне кислорода.

Как показано на фиг.21А - 21C, корпус топливного элемента типа карты, в соответствии с этим вариантом воплощения, включает верхнюю часть 211 корпуса и нижнюю часть 212 корпуса, каждая из которых сформирована из синтетической смолы, имеющей определенную жесткость, теплостойкость и стойкость к воздействию кислот. Верхняя часть 211 корпуса наложена на нижнюю часть 212 корпуса для формирования корпуса, имеющего приблизительно форму карты в виде плоской пластины. Корпус топливного элемента типа карты может, например, иметь размеры, удовлетворяющие стандартным размерам корпуса карты PC card, выполненной в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA. Стандартизированный размер корпуса в соответствии со стандартом JBIDA/PCMCIA определяется таким образом, что продольный размер (длинная сторона) корпуса находится в диапазоне 85,6 мм ± 0,2 мм и поперечный размер (короткая сторона) корпуса находится в диапазоне 54,0 мм ± 0,1 мм. Толщина карты также стандартизирована в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA для каждой карты Типа I и Типа II следующим образом: а именно, для Типа I, толщина соединительной части карты находится в диапазоне 3,3 мм ± 0,1 мм и толщина части основания карты находится в диапазоне 3,3 мм ± 0,2 мм, а для Типа II толщина соединительной части карты находится в диапазоне 3,3 мм ± 0,1 мм и толщина части основания карты находится в диапазоне 5,0 мм или меньше и стандартная толщина части основания ± 0,2 мм. В соответствии с этим вариантом воплощения, размер основного корпуса элемента, который сформирован путем наложения верхней части 211 корпуса на нижнюю часть 212 корпуса, без установки какого-либо дополнительного элемента на основной корпус элемента, может быть задан таким образом, чтобы он удовлетворял размеру в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA, или может быть задано, чтобы размер корпуса основного элемента при подключенном картридже 202 запаса водорода к основному корпусу элемента, как будет описано ниже, удовлетворял размеру в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA. В качестве альтернативы, в соответствии с данным вариантом воплощения, может быть задано, чтобы размер основного корпуса элемента после того, как адаптер или подобный элемент будет скомбинирован с основным корпусом элемента, удовлетворял размеру в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA.

Ряд отверстий 222 и ряд отверстий 223 сформированы на стороне, проходящей вдоль одной длинной стороны прямоугольной верхней части 211 корпуса. Отверстия 222 и 223 представляют собой сквозные отверстия, проходящие через верхнюю часть 211 корпуса, по толщине, и используются как входные отверстия для воздуха и выходные отверстия для воздуха для всасывания воздуха в корпус или выпуска воздуха из него. В данном варианте воплощения отверстия 222 и 223 сформированы так, что им придана круглая форма; однако, они могут иметь эллиптическую форму, прямоугольную форму или форму многоугольника. Множество канавок 224, которые должны использоваться как средство захвата, когда пользователь берет корпус рукой, сформированы на внешней поверхности верхней части 211 корпуса.

Как показано на фиг.24, множество канавок 241 сформированы так, что они проходят параллельно друг другу на внутренней поверхности верхней части 211 корпуса таким образом, что они располагаются приблизительно вдоль продольного направления верхней части 211 корпуса, более конкретно от места положения вентиляторов 233, расположенных вдоль одной длинной стороны приблизительно прямоугольной верхней части 211 корпуса, к месту положения вентиляторов 231, расположенных вдоль другой длинной стороны верхней части 211 корпуса. Вентиляторы 233 и 231 составляют средство создания потока воздуха, и канавки 241 составляют каналы для воздуха. Каждая из канавок 241 сформирована с приданием ей приблизительно U-образной формы в поперечном сечении. В верхней части 211 корпуса канавки 241 выполнены непрерывными до части 237, сформированной так, что она окружает вентиляторы 233. Часть 237 пространства вентилятора сформирована с приданием ей приблизительно прямоугольной формы, проходящей по длине верхней части 211 корпуса, и приблизительно цилиндрические вентиляторы 233 установлены в части 237 пространства вентилятора с определенным зазором, между ними. Кроме части 237 пространства для вентилятора на стороне 233 вентилятора, часть 237 пространства вентилятора на стороне 231 сформирована с приданием ей приблизительно прямоугольной формы, проходящей вдоль длинной стороны верхней части 211 корпуса, и приблизительно цилиндрические вентиляторы 231 установлены в части 237 пространства вентилятора с установкой определенного зазора между ними. В верхней части 211 корпуса часть 237 пространства вентилятора на стороне 231 вентилятора расположена непосредственно под отверстиями 222 на внешней стороне, которые сформированы в верхней части 211 корпуса, в которых воздух, поступающий из отверстий 222 с управляемым потоком, направляется с помощью вентиляторов 231 в канавки (описаны ниже), сформированные внутри корпуса. В данном варианте воплощения воздух, поступающий из отверстий 222, направляется в канавки 238, сформированные в нижней части 212 корпуса с помощью вентиляторов 231. Тем временем, воздух, проходящий через канавки, сформированные в верхней части 211 корпуса, поступает с помощью вентилятора 233 через отверстия 239, которые сформированы вблизи к кромке длинной стороны нижней части 212 корпуса таким образом, что они выходят в атмосферу.

Нижняя часть 212 корпуса представляет собой элемент, составляющий пару с верхней частью 211 корпуса, для формирования корпуса в форме карты. Аналогично верхней части 211 корпуса, как показано на фиг.21А - 21С, множество вышеописанных канавок 238 сформированы параллельно на внутренней поверхности нижней части 212 корпуса таким образом, чтобы они проходили приблизительно вдоль продольного направления нижней части 212 корпуса от места положения части 237 пространства для установки вентиляторов 231, проходящих вдоль длинной стороны приблизительно прямоугольной нижней части 212 корпуса, к месту положения части 237 пространства для вентилятора для установки вентилятора 233, проходящего вдоль другой длинной стороны нижней части 21 корпуса. Каждая из канавок 238 сформирована с приданием ей приблизительно U-образной формы в поперечном сечении. В нижней части 212 корпуса канавки 238 выполнены непрерывными до части 237 пространства вентилятора на стороне вентилятора 231. Канавки 238 заканчиваются вблизи к вентиляторам 233, расположенным напротив вентиляторов 231, и соединены с наружным пространством корпуса через отверстия 240, расположенные в местах окончания канавок 238. В нижней части 212 корпуса часть 237 пространства для вентилятора на стороне 233 расположена непосредственно над вышеописанными отверстиями 239, сформированными в нижней части 212 корпуса таким образом, чтобы они выходили в атмосферу, в которой воздух, поступающий из отверстий 239, направляется так, чтобы он с помощью вентиляторов 233 проходил через канавки 241, сформированные на внутренней поверхности верхней части 211 корпуса.

Канавки сформированы на внутренних поверхностях верхней и нижней частей 211 и 212 корпуса таким образом, чтобы они проходили перпендикулярно длинным сторонам частей 211 и 212 корпуса, как описано выше, и пара генераторов 251 и 252 и другая пара генераторов 251 и 252 расположены рядом друг с другом внутри частей 211 и 212 корпуса, находясь в контакте с внутренними поверхностями (на которых сформированы канавки) частей 211 и 212 корпуса. В данном варианте воплощения пара генераторов 251 и 252 скомбинирована с формированием одного узла следующим образом: генератор 251 верхней стороны установлен поверх генератора 252 нижней стороны так, чтобы пара электродов на стороне водорода (или общий электрод на стороне водорода) на внутренних сторонах генераторов 251 и 252 была установлена между электродами на стороне кислорода, на внешних сторонах генераторов 251 и 252. Поскольку электроды на стороне водорода генераторов 251 и 252 расположены в центре комбинированного узла пары генераторов 251 и 252, газообразное топливо, такое как топливо на основе водорода, топливо на основе метанола или топливо на основе борогидрида, или жидкое топливо могло бы непосредственно поступать на электроды на стороне водорода комбинированного узла пары генераторов 251 и 252. Кроме того, поскольку электроды на стороне водорода расположены на центральной стороне комбинированного узла пары генераторов 251 и 252, электроды на стороне кислорода расположены на передней и задней поверхностях комбинированного узла пары генераторов 251 и 252. Другими словами, комбинированный узел пары генераторов 251 и 252, сформированный приблизительно в форме плоской пластины, окружен электродами на стороне кислорода. В соответствии с этим, становится возможным увеличить полезную площадь генерирования энергии топливного элемента.

Механизм генерирования энергии каждого из пары генераторов 251 и 252 будет описан ниже. Генератор включает пленку - проводник протонов в качестве электролитной пленки, электрод на стороне водорода, сформированный на одной стороне пленки - проводника протонов, и электрод на стороне кислорода, сформированный на другой стороне пленки - проводника протонов. Топливная текучая среда, такая как газообразный водород, поступает от внешнего источника на электрод на стороне водорода. Топливная текучая среда проходит через поры в электроде на стороне водорода, поступая в область реакции. В области реакции газообразный водород впитывается в катализатор, содержащийся в электроде на стороне водорода для преобразования в активные атомы водорода. Активные атомы водорода становятся ионами водорода, которые мигрируют к электроду на стороне кислорода, который используются в качестве противоположного электрода, и одновременно, электроны, генерируемые при ионизации, передаются на электрод на стороне водорода. Эти электроны проходят через цепь, подключенную к внешним выводам, чтобы попасть на электрод на стороне кислорода, вырабатывая, таким образом, электродвижущую силу.

Каждый из электродов на стороне кислорода и электрода на стороне водорода генератора сформирован в виде металлической пластины или пластины, изготовленной из пористого металлического материала или электропроводного материала, такого как углеродсодержащий материал. Коллекторы тока подключены к этому электроду на стороне кислорода и электроду на стороне водорода. Коллектор тока представляет собой материал электрода, предназначенный для возникновения на нем электродвижущей силы, генерируемой электродами, и изготовлен из металлического материала, углеродсодержащего материала или нетканого материала, обладающего электропроводностью. Каждый из генераторов 251 и 252 имеет такую структуру, в которой электролитная пленка установлена между электродом на стороне кислорода и электродом на стороне водорода, называемую "МЕА" (узел мембраны и электрода). В частности, в соответствии с данным вариантом воплощения, пара генераторов 251 и 252 скомбинирована в одном корпусе таким образом, что они наложены друг на друга так, что электроды на стороне водорода направлены внутрь (расположены внутри), и вследствие этого, электроды на стороне кислорода расположены на передней и задней поверхностях комбинированного узла пары генераторов 251 и 252. В этом варианте воплощения каждый из генераторов 251 и 252 сформирован с приданием ему приблизительно прямоугольной форме, имеющей большую длину в направлении вдоль длинных сторон 211 и 212 корпуса в форме карты. Размер короткой стороны каждого из генераторов 251 и 252 установлен равным значению, получаемому при вычитании размера периферийных элементов, таких как вентиляторы 231 и 233, используемых в качестве средства создания потока воздуха, приблизительно из половины размера короткой стороны каждого из корпусов 211 и 212 в форме карты. В соответствии с этим, в топливном элементе, в соответствии с данным вариантом воплощения, размещены два комбинированных узла, каждый из которых содержит пару генераторов 251 и 252, расположенных параллельно горизонтальной плоскости. Благодаря соединению таких четырех генераторов 251 и 252 последовательно, может быть получено высокое значение электродвижущей силы, и при соединении таких четырех генераторов 251 и 252 параллельно, может быть увеличено время работы топливного элемента.

В топливном элементе, в соответствии с данным вариантом воплощения, каждый генератор сформирован в виде формы, эквивалентной одной из разделенных на двое частей корпуса в форме карты, по ширине корпуса; однако, он также может быть выполнен в форме, эквивалентной одной из разделенных надвое частей корпуса в форме карты, по длине корпуса. Количество генераторов не ограничивается четырьмя и может использоваться шесть, восемь или больше генераторов. Кроме того, в соответствии с данным вариантом воплощения, форма генераторов установлена идентичной друг другу. Это является предпочтительным для упрощения производства генераторов, благодаря установке одинаковых генераторов. Однако в соответствии с данным вариантом воплощения могут быть скомбинированы генераторы, имеющие различную форму. Например, генератор, имеющий большой размер, и генератор, имеющий небольшой размер, могут быть расположены в одной плоскости, или генератор, имеющий большую толщину, и генератор, имеющий малую толщину, могут быть расположены тоже в той же плоскости. В качестве альтернативы, генераторы с различными рабочими характеристикам, такими как мощность или эффективность, могут быть скомбинированы и установлены в корпус. В этом варианте воплощения каждый из генераторов 251 и 252 установлен так, что он имеет определенную жесткость; однако они могут быть установлены так, что будут иметь определенную степень гибкости. В этом случае корпус может быть изготовлен из гибкого материала. Кроме того, генераторы могут представлять собой генераторы типа сменных картриджей или могут быть генераторами сменного типа, в которых генератор устанавливается в корпус, так что изменяется форма соединения между генераторами.

Ниже будут описаны вентиляторы 231 и 233, используемые в качестве средства создания потока воздуха. В соответствии с данным вариантом воплощения, пара вентиляторов 231 имеет цилиндрическую ось 260 вращения, расположенную по центру, и, аналогично, пара вентиляторов 233 имеет цилиндрическую ось 260 вращения, расположенную по центру. В каждом из вентиляторов 231 и 233 на оси 260 вращения установлены восемь лопастей 261 таким образом, чтобы они проходили от нее радиально и на некотором расстоянии друг от друга через определенные интервалы в направлении внешней окружности. Каждая из лопастей 261 сформирована с приданием ей прямоугольной формы с большей длиной в осевом направлении оси 260 вращения.

Передняя кромка лопасти 261 отделена от внутренней стенки части 237 пространства для вентилятора, сформированной вырезами в верхней и нижней частях 211 и 212 корпуса, небольшим зазором между ними. Как показано на фиг.21А - 21С, вентиляторы 231 расположены на передней стороне чертежа, вблизи к боковым кромкам частей 211 и 212 корпуса таким образом, что они проходят по длине частей 211 и 212 корпуса, и вентиляторы 233 расположены на дальней стороне чертежа, вблизи к боковым кромкам частей 211 и 212 корпуса таким образом, что они проходят вдоль длинных сторон частей 211 и 212 корпуса. При таком расположении вентиляторов 231 и 233 становится возможным обеспечить большую площадь каждого из электродов генераторов. Пара вентиляторов 231 расположена на передней стороне, как показано на чертеже, вдоль длинных сторон частей 211 и 212 корпуса, и пара вентиляторов 233 расположена на стороне глубины по данному чертежу, вдоль длинных сторон частей 211 и 212 корпуса. В соответствии с этим, в топливном элементе установлены вентиляторы 231 и 233, составляющие всего четыре детали. Пара вентиляторов 231 приводится во вращение с помощью двух независимых двигателей 235, соответственно, и пара вентиляторов 233 приводится во вращение с помощью двух независимых двигателей 236, соответственно. Пара вентиляторов 231 установлена коаксиально друг к другу, и ось 260 вращения вентиляторов 231 установлена на общем подшипнике 232. Каждый из двигателей 235 и 236 сформирован как микродвигатель постоянного тока, диаметр которого приблизительно равен диаметру вентиляторов 231 и 233. Каждый из двигателей 235 и 236 жестко установлен в концевой части 237 пространства для вентилятора, которая выполнена в виде цилиндрического выреза. Ток поступает на каждый из двигателей 235 и 236 по проводам (не показаны); однако, часть электродвижущей силы, генерируемой топливным элементом, может использоваться для вращения каждого из двигателей 235 и 236. Цепь привода для двигателей 235 и 236 выполнена как электронная часть 272, такая как интегральная схема, установленная на монтажной плате 271, размещенной в частях 211 и 212 корпуса.

Вентиляторы 231 и 233, выполненные как описано выше, могут вращаться благодаря подаче энергии на двигатели 235 и 236. Часть электродвижущей силы, генерируемой в топливном элементе, то есть от генераторов 251 и 252, может использоваться в качестве энергии, подаваемой на двигатели 235 и 236. Когда вентиляторы 231 или 233 вращаются вокруг своих осей, воздух вокруг лопастей 261 в части 237 пространства для вентилятора протекает вдоль направления вращения вентиляторов 231 или 233. Часть 237 пространства для вентилятора на стороне вентилятора 231, как описано выше, выполнена непрерывной с множеством канавок 238, сформированных на внутренней поверхности нижней части 212 корпуса, так что при вращении вентиляторов 231 воздух из части 237 пространства для вентилятора выталкивается в канавки 238 в нижней части 212 корпуса. С другой стороны, часть 237 пространства для вентилятора на стороне 233 вентилятора выполнена, как описано выше, непрерывной с множеством канавок 241, проходящих на внутренней поверхности верхней части 211 корпуса, так что при вращении вентиляторов 233 воздух в части 237 пространства для вентилятора выталкивается в канавки 241 в верхней части 211 корпуса. Вместе с выталкиванием воздуха в канавки из части 237 пространства для вентиляторов происходит всасывание воздуха в каждую из частей 237 пространства для вентилятора. А именно, в часть 237 пространства для вентилятора на стороне 231 вентилятора воздух всасывается из отверстий 222, сформированных в верхней части 211 корпуса, и в части 237 пространства для вентилятора на стороне 233 вентилятора воздух всасывается из частей 239 отверстий, сформированных в нижней части 212 корпуса.

Воздух поступает в канавки 241, сформированные в верхней части 211 корпуса таким образом, что он проходит в направлении, перпендикулярном боковым поверхностям верхней части 211 корпуса. Аналогично воздух поступает в канавки 238, сформированные в нижней части 212 корпуса так, что он проходит в направлении, перпендикулярном боковым поверхностям нижней части 212 корпуса. Три стороны поперечного сечения каждой канавки 241 окружены верхней частью 211 корпуса, но остающаяся нижняя их сторона ориентирована по направлению вниз. Верхняя поверхность генератора 251 верхней стороны, таким образом, непосредственно открыта по направлению к открытым, таким образом, нижним сторонам канавок 241. Поскольку воздух протекает в канавках 241 под действием вентиляторов 233, вода, которая может оставаться на электроде на стороне кислорода, на верхней поверхности генератора 251 верхней стороны, может удаляться благодаря испарению под действием воздуха, протекающего на электроде на стороне кислорода под действием вентиляторов 233. Аналогично, три стороны поперечного сечения каждой из канавок 238 окружены частью 212 нижнего корпуса, но остальная верхняя ее сторона открыта по направлению вверх. Нижняя поверхность генератора 252 нижней стороны, таким образом, непосредственно открыта к открытым, таким образом, верхним сторонам канавок 238. В результате, поскольку воздух протекает в канавках 238 под действием вентиляторов 231, вода, остающаяся на электроде на стороне кислорода, на нижней поверхности генератора 252 нижней стороны, может удаляться благодаря испарению под действием воздуха, протекающего вдоль электрода на стороне кислорода, под действием вентиляторов 231. Воздух, проходящий через канавки 241, выходит из корпуса через отверстия 223, сформированные на концах канавок 241, и воздух, прошедший через канавки 238, выходит из корпуса через отверстия 240, сформированные на концах канавок 238. Влага, образующаяся на поверхностях генераторов 251 и 252, одновременно с этим выводится наружу топливного элемента. В соответствии с этим, влага, образующаяся во время генерирования электроэнергии топливным элементом, может эффективно удаляться из топливного элемента.

В соответствии с данным вариантом воплощения, канавки 238 и 241, функционирующие как каналы для воздуха, сформированы в виде множества параллельных линейных форм; однако, им может быть придана волнистая форма, такая как синусоидальная форма или форма прямоугольных волн, или спиральная или U-образная форма. Хотя в данном варианте воплощения используется множество канавок, может использоваться только одна канавка. Канавки не обязательно должны быть одинаковыми по размеру и длине. Канавки могут иметь такую форму, чтобы скорость потока воздуха в тех местах, где имеется тенденция образования влаги, была повышенной. Канавки могут быть выполнены полностью полыми, как описано в данном варианте воплощения, или в части канавки может быть установлен элемент поглощения воды. В данном варианте воплощения одна часть отверстий используется как входное отверстие для воздуха или выходное отверстие для воздуха, сформированное для каждой из канавки; однако, множество частей отверстий, используемых в качестве входных отверстий для воздуха или выходных отверстий для воздуха, могут быть сформированы для каждой из канавок. Механизм сетки или заслонки для предотвращения проникания в корпус пыли или подобных загрязнений, может быть установлен в отверстиях канавок. В данном варианте воплощения канавки 238 или 241 расположены на внутренней поверхности части корпуса; однако, между генератором и частью корпуса может быть установлен отдельный элемент, включающий канавки. Кроме того, каналы для воздуха могут быть расположены на стороне генератора. Каналы для воздуха могут быть сформированы с помощью установки элемента, изготовленного из волоконного материала или нетканого материала, обладающего проницаемостью, или пористого материала.

В дополнение к вышеописанным генераторам 251 и 252, вентиляторам 231 и 233 и двигателям 235 и 236, в топливном элементе 201 в соответствии с данным вариантом воплощения установлена часть 281 регулировки скорости потока топлива. Часть 281 регулировки скорости потока топлива функционирует как часть интерфейса с картриджем 202 запаса водорода топливной ячейки 201 в форме карты и имеет механизм эффективной подачи потока топлива из картриджа 202 запаса водорода на генераторы 251 и 252 при регулировке количества топлива до требуемого значения. Более конкретно, часть 281 регулировки скорости потока топлива имеет соединительную часть 283, соединяемую с выходным отверстием 282 для топлива картриджа 202 запаса водорода. Корпус клапана (не показан), который выполнен как продолжение соединительной части, установлен в части 281 регулировки скорости потока топлива для подачи топлива под определенным давлением в пространство между генераторами 251 и 252. Часть 281 регулировки скорости потока топлива может включать часть отслеживания, предназначенную для отслеживания состояния соединения между выходным отверстием 282 топлива картриджа 202 запаса водорода и соединительной частью 283, часть измерения давления, предназначенную для измерения давления топлива, поступающего из картриджа 202 запаса водорода, часть определения температуры, предназначенную для определения температуры топливного элемента 201 и картриджа 202 запаса водорода, и часть механизма предотвращения утечки топлива. Например, если на основе данных измерения давления будет определено, что давление будет чрезмерно высоким, клапан может управляться таким образом, чтобы он закрылся, и если на основе данных измерения давления будет принято решение, что давление чрезмерно низкое, часть клапана может управляться так, чтобы он открылся. Такое управление может выполняться путем отслеживания состояния картриджа 202 запаса водорода через часть 285 входа-выхода. Часть 285 входа-выхода расположена вблизи к части 286 установки для подключения к части 284 выступающего соединения картриджа 202 запаса водорода. Часть 285 входа-выхода обеспечивает передачу данных, аналогичную части входа-выхода картриджа 202 запаса водорода. Аналогичная часть 275 входа-выхода также установлена на выходной стороне для определения состояния потребления выходной энергии топливного элемента 201, управляя, таким образом, выходной энергией. Например, если потребление энергии устройства на стороне потребления выходной энергии изменится в зависимости от активного режима работы, режима ожидания, состояния программного отключения и состояния дежурного режима устройства, управление выходом топливного элемента может осуществляться на основе уровня потребления энергии устройством.

В топливном элементе 201, в соответствии с данным вариантом воплощения, установлена монтажная плата 271, как описано выше. Скорость вращения и включение/выключение каждого из двигателей 235 и 236 может управляться, а также выходное напряжение топливного элемента 201 может регулироваться с помощью электронной части 272 или подобного элемента, установленного на монтажной плате 271. Энергия может подаваться на устройство, подключенное к топливному элементу 201, путем вывода электродвижущей силы с выводов, сформированных на выступающих частях 273 и 274 монтажной платы 271.

Картридж 202 запаса водорода, соединенный с частью 281 регулировки скорости потока топлива, представляет собой элемент, содержащий сплав хранения водорода. Картридж 202 запаса водорода установлен с возможностью отсоединения к корпусу топливного элемента 201. Когда картридж 202 запаса водорода установлен на корпусе топливного элемента 201, поток текучий среды топлива формируется при подключении выходного отверстия 282 топлива к соединительной части 283. При этом, когда картридж 202 запаса водорода отсоединен от корпуса топливного элемента 201, утечка текучей среды топлива из картриджа 202 запаса водорода прекращается. Картридж 202 запаса водорода имеет толщину, приблизительно равную толщине топливного элемента 201, выполненного в форме карты, и имеет размер короткой стороны, приблизительно равный топливному элементу 201, выполненному в форме карты. В результате, когда картридж присоединен к топливному элементу 201, они формируют целую часть карты, проходящую в продольном направлении. Такая целая часть карты обеспечивает простоту обращения с ней. В данном варианте воплощения, картридж 202 запаса водорода имеет толщину, приблизительно равную толщине топливного элемента 201, выполненного в форме карты, и размер его ширины приблизительно равен размеру топливного элемента 201 в форме карты, однако, настоящее изобретение не ограничивается этим. Картридж 202 запаса водорода может иметь форму, отличающуюся от описанной выше, например, может иметь большую толщину, чем описано выше. Множество картриджей запаса водорода может быть подключено к топливному элементу. Кроме того, может быть установлено множество соединительных частей и в этом случае средство передачи сигнала или подобное средство может быть установлено в соединительных частях или рядом с ними.

Топливный элемент 201, в соответствии с данным вариантом воплощения, действует следующим образом:

Канавки 238 и 241 сформированы в частях 212 и 211 корпуса и используются в качестве каналов для воздуха таким образом, что они обращены к поверхностям электродов на стороне кислорода генераторов 251 и 252. В соответствии с этим, влага, образующаяся на электродах на стороне кислорода, испаряется под действием воздуха, поступающего в канавки 238 и 241 благодаря вентиляторам 231 и 233. Испаряемая влага захватывается воздухом и затем выводится наружу корпуса через отверстия 223 и 240. В результате, становится возможным управлять количеством влажности, образующейся в топливном элементе, до приемлемого значения и, следовательно, обеспечивать эффективное генерирование электроэнергии. В случае, когда испаряющаяся влага, образующаяся на электродах на стороне кислорода, выносится воздухом естественным путем, протекающим через топливный элемент, возникает проблема, связанная с тем, что скорость испарения влаги будет существенно зависеть от состояния естественной конвекции, температуры внешнего воздуха, влажности, размеров отверстий и т.п. Однако в топливном элементе 201 в соответствии с данным вариантом воплощения воздух, проходящий вдоль поверхностей электродов на стороне кислорода принудительно направляется вентиляторами 231 и 233 для обеспечения стабильного испарения влаги по сравнению со случаем испарения влаги под действием воздуха, протекающего естественным путем через ячейку топливного элемента без использования какого-либо средства создания потока воздуха.

В соответствии с данным вариантом воплощения вентиляторы 231 и 233 расположены вблизи к кромкам длинных сторон частей 211 и 212 корпуса таким образом, что они проходят вдоль длинных сторон частей 211 и 212 корпуса; однако, настоящее изобретение не ограничивается этим. Например, вентиляторы 231 и 233 могут быть расположены вблизи к кромкам коротких сторон частей 211 и 212 корпуса таким образом, что они будут проходить вдоль коротких сторон тел 211 и 212 корпуса. Также, средство создания потока воздуха, которое в данном примере было выполнено в виде вентиляторов, может быть сформировано таким образом, что оно будет быть расположено между двумя из множества генераторов, выполненных в форме плоской пластины, расположенных параллельно горизонтальной плоскости. Каждая из частей 211 и 212 корпуса в форме карты, которая выполнена из определенной синтетической смолы, металла, стекла, керамики или синтетической смолы, армированной волокнами, не обязательно должна быть сформирована как недеформируемая часть, но может быть сформирована как часть с возможностью изгиба, и кроме того, может быть сконфигурирована так, чтобы часть элементов, составляющих часть корпуса, можно было устанавливать в нем с возможностью извлечения.

На фиг.28 показан вид в разрезе модификации вентилятора. В этом варианте воплощения пара вентиляторов 291 расположена в корпусе 295, имеющем приблизительно форму плоской пластины, который соединен с картриджем 296 запаса водорода, таким образом, что их оси 290 вращения совмещены в линию. Для каждого вентилятора 291 сформирована спиральная лопасть 292 вокруг оси 290 вращения. Вентилятор 291 расположен коаксиально с двигателем 293 и вращается вокруг своей оси благодаря вращению двигателя 293 так, что подает поток воздуха в осевом направлении. Пара вентиляторов 291 может управляться таким образом, чтобы они вращались в одном направлении. Кроме того, входные отверстия каналов для воздуха, таких как канавки, могут быть сформированы в части общего подшипника для направления потока воздуха в противоположных направлениях.

Третий вариант воплощения

Ниже будет описан третий вариант воплощения топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением. В данном варианте воплощения средство создания потока воздуха с использованием вентилятора сформировано с одной стороны поверхности. На фиг.29 показан корпус 301, имеющий форму приблизительно прямоугольной карты, в котором установлен блок 303 генерирования электроэнергии. Корпус 301 топливного элемента типа карты может, например, иметь такие размеры, которые удовлетворяют стандартизированному размеру корпуса карты PC card, в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA. Стандартизованный размер корпуса в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA определен таким образом, что продольный размер (длина) корпуса находится в диапазоне 85,6 мм ± 0,2 мм и поперечный размер (ширина) корпуса находится в диапазоне 54,0 мм ± 0,1 мм. Толщина карты также стандартизирована в соответствии со стандартом JEIDA/PCMCIA для каждой карты Типа I и карты Типа II следующим образом: для Типа I толщина соединительной части карты находится в диапазоне 3,3 мм ± 0,1 мм и толщина части основания карты находится в диапазоне 3,3 мм ± 0,2 мм, и для Типа II толщина соединительной части карты находится в диапазоне 3,3 мм ± 0,1 мм и толщина части основания карты находится в диапазоне 5,0 мм или меньше и стандартная толщина части основания ± 0,2 мм. Как описано в предыдущих вариантах воплощения, корпус 301 в форме карты может быть сформирован путем наложения друг на друга верхней части корпуса на нижнюю часть корпуса.

Картридж 302 запаса водорода имеет такие размеры, что конечные плоскости в направлении, перпендикулярном продольному направлению корпуса 301 в форме карты, имеют размер, приблизительно равный размеру соответствующей конечной панели корпуса 301 в форме карты, и поэтому картридж 302 запаса водорода может быть присоединен так, что он будет составлять продолжение корпуса 301 в форме карты. Часть запаса водорода располагается в картридже 302 запаса водорода. Картридж 302 запаса водорода установлен с возможностью отсоединения на корпусе 301 топливного элемента. Когда картридж 302 запаса водорода присоединен к корпусу 301 топливного элемента, выходное отверстие топлива картриджа 302 запаса водорода соединено с соединительной частью для обеспечения выпуска топлива. С другой стороны, когда картридж 302 запаса водорода отсоединен от корпуса 301, выпуск топлива из картриджа 302 запаса водорода прекращается.

Корпус 301 в форме карты содержит внутри блок 303 генерирования электроэнергии, состоящий из комбинации из четырех генераторов, соединительной части 304, предназначенной для подачи топлива от картриджа 302 запаса водорода в корпус 301 в форме карты, соединительную часть 305 на стороне генерирования электроэнергии, в которую должна быть плотно установлена соединительная часть 304, часть 307 регулирования скорости потока, соединенную с соединительной частью 305 на стороне генерирования электроэнергии через трубку 306, трубку 308 для соединения части 307 регулирования скорости потока с блоком 303 генерирования электроэнергии, и часть 309 цепи управления, состоящей из электронных частей 310, установленных на монтажной плате 311, предназначенную для управления выходом. Пара вентиляторов 312 и 313, используемых в качестве средства создания потока воздуха, установлена в корпусе 301 в форме карты таким образом, что они проходят вдоль одной боковой поверхности корпуса 301. Вентиляторы 312 и 313 вращаются с помощью двигателей 314 и 315, соответственно. Вентиляторы 312 и 313 расположены параллельно друг другу, и в частности, в этом варианте воплощения вентиляторы 312 и 313 расположены на верхней и нижней сторонах для подачи воздуха к генераторам верхней стороны и генераторам нижней стороны, соответственно.

Каждый из вентиляторов 312 и 313 имеет такую структуру, в которой лопасти расположены вокруг цилиндрической оси вращения. Части лопастей, каждая из которых проходит по прямой линии в осевом направлении оси вращения, проходит радиально от оси вращения. В соответствии с этим, вентиляторы 312 и 313 вращаются вокруг осей вращения с приводом от двигателей 314 и 315 так, чтобы подавать воздух в пространство внутри корпуса в направлении, перпендикулярном осям вращения вдоль канавок (не показаны). Как будет описано ниже, вентиляторы 312 и 313 могут использоваться для испарения влаги, образующейся на электродах на стороне кислорода, и для отбора тепла с потоком воздуха, создаваемым вентиляторами 312 и 313. В данном варианте воплощения вентиляторы 312 и 313 соединены с двигателями 314 и 315 через соединители 316 и 317, соответственно; однако, они могут быть непосредственно соединены с двигателями 314 и 315, соответственно.

Блок 303 генерирования электроэнергии состоит из этих четырех генераторов, соединенных друг с другом. Каждый из генераторов имеет структуру, в которой электролитная пленка, такая как пленка - проводник протонов, установлена между электродом на стороне водорода и электродом на стороне кислорода. Каждый из электрода на стороне кислорода и электрода на стороне водорода сформирован из металлической пластины или из пластины, изготовленной из пористого металлического материала или электропроводного материала, такого как углеродсодержащий материал. Коллекторы тока подключены к электроду на стороне кислорода и электроду на стороне водорода. Коллектор тока представляет собой электропроводный материал, предназначенный для вывода электродвижущей силы, генерируемой на электродах, и изготовлен из металлического материала, углеродсодержащего материала или из нетканого материала, обладающего свойством электропроводности. Четыре генератора расположены таким образом, что пара генераторов установлена друг над другом и другая пара генераторов установлена друг над другом и расположена параллельно в корпусе.

Верхний и нижний генераторы, установленные попарно друг с другом, расположены друг над другом так, что их электроды на стороне водорода расположены друг напротив друга. При такой конфигурации топливо может непосредственно подаваться на электроды на стороне водорода путем подачи топлива в пространство между электродами на стороне водорода, расположенными напротив друг друга, что позволяет активировать электроды. Кроме того, для комбинированного узла из пары генераторов электроды на стороне кислорода расположены на передней и задней поверхностях комбинированного узла пары генераторов.

Соединительная часть 305 на стороне генерирования электроэнергии представляет собой часть механизма, которая соединена с соединительной частью 304 картриджа 302 запаса водорода для подвода текучей среды топлива в топливный элемент при поддержании непроницаемости для газа картриджа 302 запаса водорода. Более конкретно, ведущий конец соединительной части 304 устанавливают в соединительную часть 305 со стороны генерирования электроэнергии и в этом случае, когда ведущий конец соединительной части 304 дополнительно проталкивают в соединительную часть 305 на стороне генерирования электроэнергии, он соединяется с соединительной частью 305 на стороне генерирования электроэнергии. В результате, при выполнении такой операции установки, предотвращается утечка газа. В случае жидкой текучей среды, в качестве которой непосредственно используется метанол, то есть метанол вместо газообразного водорода, вместо картриджа 302 запаса водорода может использоваться устанавливаемый с возможностью отсоединения резервуар с запасом жидкого топлива.

Механический механизм регулирования скорости потока может быть установлен в соединительной части 305 на стороне генерирования электроэнергии; однако, в соответствии с топливным элементом в данном варианте воплощения, часть 307 регулирования скорости потока расположена между соединительной частью 305 на стороне генерирования электроэнергии и блоком 303 генерирования электроэнергии. Часть 307 регулирования скорости потока установлена таким образом, чтобы она электронным способом или механическим способом поддерживала скорость потока текучей среды топлива на постоянном значении, например, путем управления давлением топлива с помощью клапана или подобного устройства.

Часть 309 цепи управления представляет собой цепь, предназначенную для управления электродвижущей силой на выходе блока 303 генерирования электроэнергии 303. Часть 309 цепи управления также позволяет отслеживать состояние соединения между стороной топливного элемента и картриджем 302 запаса водорода на стороне подачи топлива и регулировать выход при определении состояния нагрузки, подключенной к выходу, например, путем регулирования выходного напряжения в зависимости от режима (активный режим, дежурный режим или режим ожидания) устройства, с использованием электродвижущей силы, подаваемой на выход топливного элемента. Схема управления двигателями 314 и 315 привода вентиляторов 312 и 313 может быть установлена в части 309 цепи управления. В качестве энергии, используемой для части 309 цепи управления, может использоваться часть энергии, генерируемой блоком 303 генерирования электроэнергии. Пара выходных выводов 318 и 319 выходит из части 309 цепи управления, при этом ведущие концы выходных выводов 318 и 319 выступают наружу из корпуса 301 в форме карты.

Топливный элемент, в соответствии с данным вариантом воплощения, который выполнен, как описано выше, действует следующим образом:

Вентиляторы 312 и 313, предназначенные для подачи кислорода в топливный элемент, а также для обеспечения испарения влаги, образующейся на поверхностях электродов на стороне кислорода, расположены на одной боковой поверхности корпуса в форме карты. Когда вентиляторы 312 и 313 вращаются, воздух направляется на поверхность электродов на стороне кислорода через канавки (не показаны). В соответствии с этим, становится возможным эффективно удалять влагу, образующуюся на поверхностях электродов на стороне кислорода, и, следовательно, предотвращать снижение выходного напряжения.

В соответствии с топливным элементом по данному варианту воплощения, поскольку в топливном элементе установлена часть 309 цепи управления, топливный элемент позволяет легко осуществлять оптимизацию выходного напряжения и управлять выходным напряжением в зависимости от условий окружающей среды. В результате, топливный элемент, в соответствии с данным вариантом воплощения, используется, не только как простое устройство генерирования электроэнергии, но также как и элемент, включающий функцию обработки информации. Кроме того, поскольку предотвращается утечка текучей среды топлива, такого как газообразное топливо, в соединительной части между топливным элементом и картриджем запаса топлива, становится возможным надежно обеспечить безопасность системы топливного элемента.

Четвертый вариант воплощения

Ниже будет описан четвертый вариант воплощения топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением. В данном варианте воплощения, как показано на фиг.30-32, часть из множества канавок используется для испарения влаги, образующейся на электродах на стороне кислорода, и другая их часть используется для обеспечения отбора тепла от электродов.

На фиг.30 показаны канавки 371 и 372, проходящие вдоль поверхности генератора, в которых канавки 371 и 372 используются для испарения влаги и для отвода тепла, соответственно. Как показано на этих чертежах, канавки 372, используемые для отвода тепла, и канавки 371, используемые для испарения влаги, поочередно расположены в части 370 корпуса. Канавки 371 и 372 проходят, по существу, вдоль коротких сторон генератора между двумя длинными боковыми кромками генераторов. Каждая из канавок 371 и 372 сформирована с приданием ей приблизительно прямоугольной формы в поперечном сечении; однако, она может быть сформирована с приданием любой другой формы, например полукруглой формы или V-образной формы.

Вентилятор 351 расположен вблизи к концам дальней стороны канавок 371 и 372, и вентилятор 353 расположен вблизи к концам передней стороны канавок 371 и 372. Каждый из вентиляторов 351 и 353 имеет структуру, в которой части лопастей сформированы вокруг цилиндрической вращающейся оси. Вентиляторы 351 и 353 приводятся в движение двигателями 352 и 354, соответственно, для подачи воздуха в протяженном направлении канавок 371 и 372. Роли вентиляторов 351 и 353 отличаются друг от друга. Вентилятор 351 непрерывно подает воздух в канавки 371 для испарения влаги, образующейся на части поверхности вблизи к коллектору тока генератора. С другой стороны, вентилятор 353 непрерывно подает воздух в канавки 372 для отвода тепла, для управления температурой генератора, через сепаратор так, что не происходит избыточного повышения температуры. Выходные отверстия 373 для воздуха сформированы на концах, на стороне, противоположной стороне вентилятора 351 канавок 371, и предназначены для выпуска воздуха, который прошел через канавки 371. Аналогично, выходные отверстия 374 для воздуха сформированы на концах, на стороне, противоположной стороне вентилятора 353 канавок 372, и предназначены для выпуска воздуха, прошедшего через канавки 372.

На фиг.31 схематично показан вид в разрезе генератора топливного элемента в соответствии с настоящим вариантом воплощения. Как показано на этом чертеже, генератор имеет структуру, в которой пластина 381 коллектора тока, электрод 382 на стороне водорода, пленка 383 электролита, используемая в качестве пленки - проводника протонов, электрод 384 на стороне кислорода, пластина 385 коллектора тока и сепаратор 386 расположены в виде пакета сложенными друг на друга, в указанном порядке, начиная с нижней стороны. Сепаратор 386 представляет собой пленку для электрической изоляции генератора и имеет части 375 отверстия, связанные с канавкам 371. В соответствии с этим, воздух, прошедший через канавки 371, не задерживается сепаратором 386 и поступает в непосредственную близость к пластине 385 коллектора тока и электрода 384 на стороне кислорода, через части 375 отверстий сепаратора 386, для испарения влаги, образующейся на них, и для удаления испаряемой влаги. С другой стороны, поскольку части 375 отверстия сепаратора 386 не связаны с канавками 372 для отвода тепла, воздух, прошедший через канавки 372, задерживается сепаратором 386, и поэтому не поступает в область, расположенную в непосредственной близости к пластине 385 коллектора тока и к электроду 384 на стороне кислорода. Воздух, задержанный сепаратором 386, используется для обеспечения отбора тепла, передаваемого через сепаратор 386. Следует отметить, что отверстия 375, сформированные в сепараторе 386, могут использоваться не только для испарения влаги, но также и для подачи кислорода.

Топливный элемент, сконфигурированный, как описано выше, действует следующим образом:

Благодаря вращению вентилятора 351 может быть увеличено поступающее количество воздуха. В этом случае подаваемое количество кислорода на топливный элемент может быть повышено, и влага, образующаяся на электроде 384 на стороне кислорода, может быть удалена путем испарения для повышения выходных характеристик топливного элемента. Тем временем, благодаря вращению вентилятора 353, расположенного напротив вентилятора 351, поступающее количество воздуха от вентилятора 353 может быть увеличено. В этом случае может быть улучшен отбор тепла с поверхности сепаратора 386. В соответствии с этим, становится возможным управлять выходом топливного элемента, обеспечивая его стабильное значение.

Кроме того, в соответствии с топливным элементом по данному варианту воплощения, на канавках 371 для испарения влаги установлена заслонка 355, и заслонка 359 установлена на канавках 372 для отбора тепла. Заслонка 355 соединена с приводом 357 открывания/закрывания через соединительные части 358 и 363. Заслонка 355 может смещаться в направлении, перпендикулярном канавкам 371, при включении привода 357. Аналогично, заслонка 359 соединена с приводом 361 открывания/закрывания через соединительные части 362 и 364. Заслонка 355 может смещаться в направлении, перпендикулярном канавкам 371 при включении привода 357. На фиг.32 показано состояние, когда заслонки 355 и 359 закрыты, при включении приводов 357 и 361. Более конкретно, в закрытом состоянии положения частей 356 открывания заслонки 355 смещены от положений канавок 371, и положения частей 360 открывания заслонки 359 смещены от положений канавок 372. Когда заслонки 355 и 359 закрыты, воздух, подаваемый вентиляторами 351 и 353, не протекает через канавки 371 и 372 для подавления величины испарения влаги и отбора тепла по сравнению с состоянием, когда заслонки 355 и 359 открыты.

В этом варианте воплощения заслонки 355 и 359 закрыты, благодаря включению приводов 357 и 361; однако, может управляться только одна из заслонок 355 и 359 путем включения соответствующего одного из приводов 357 и 361. Кроме того, вместо использования механизма заслонок может быть остановлена работа каждого из вентиляторов и может регулироваться скорость вращения каждого из вентиляторов.

Топливный элемент, в соответствии с данным вариантом воплощения, является предпочтительным в том, что могут осуществляться не только подача кислорода, но также отбор тепла и удаление влаги и возможно реализовать высокие и стабильные выходные параметры топливного элемента, и поскольку испарение влаги и отбор тепла могут независимо управляться механизмом заслонки, становится возможным дополнительно улучшить характеристики управляемости топливного элемента.

Пятый вариант воплощения

Ниже будет описан пятый вариант воплощения топливного элемента, в соответствии с настоящим изобретением. В данном варианте воплощения отбор тепла и испарение влаги реализованы с помощью одного вентилятора. Как показано на фиг.33, канавки 398, используемые для отбора тепла, и канавки 399, используемые для испарения влаги, поочередно расположены в корпусе 400. Канавки 398 и 399 проходят, по существу, в направлении вдоль коротких сторон генератора между обеими длинными боковыми кромками генераторов. Каждая из канавок 398 и 399 сформирована в виде приблизительно прямоугольной формы в поперечном сечении; однако, они могут быть сформированы с приданием любой другой формы, например полукруглой формы или V-образной формы. Канавки 398, используемые для отбора тепла, проходят на сепаратор генератора и канавки 399, используемые для испарения влаги, проходят над частями отверстий, сформированными в сепараторе генератора.

Вентилятор 390, используемый в качестве средства создания потока воздуха, установлен на краях передней стороны канавок 398 и 399 на фиг.33. Следует отметить отсутствие какого-либо средства создания потока воздуха, такого как вентилятор, на краях дальней стороны канавок 398 и 399 на фиг.33. Вентилятор 390 имеет структуру, в которой спиральные лопасти 389 сформированы вокруг цилиндрической оси вращения. При вращении двигателя 391 воздух протекает вдоль осевого направления вращающейся оси. Благодаря изменению направления вращения двигателя 391 между нормальным направлением и обратным направлением, направление потока воздуха может изменяться между направлением от конца, на стороне двигателя вентилятора 390 и направлением от конца, на стороне, противоположной стороне двигателя вентилятора 390.

Множество канавок 399, предназначенных для испарения влаги, могут быть соединены вместе канавкой 397, содержащей соединительную часть 396. Канавка 387 соединена с концом, противоположным двигателю 391, вентилятора 390 через трубку 395. В соответствии с этим, когда двигатель 391 вращается, чтобы подавать воздух с конца, противоположного двигателю 391 вентилятора 390 (см. стрелку на фиг.33), воздух поступает во множество канавок 399 для испарения влаги через трубку 395 и канавку 397 для обеспечения испарения влаги с поверхности генератора. Множество канавок 398, предназначенных для отвода тепла, соединены с канавкой 394, сформированной в соединительной части 393. Канавка 394 соединена с концом на стороне двигателя вентилятора 390 через трубку 392. В соответствии с этим, когда двигатель 391 вращается так, что подает воздух с конца, расположенного вблизи к двигателю 391 вентилятора 390 (см. стрелку на фиг.33), воздух поступает в множество канавок 398 для отбора тепла через трубку 392 и канавку 394 для обеспечения отбора тепла с поверхности генератора. Для предотвращения потока воздуха в обратном направлении на пути каждой из трубок 392 и 395 может быть установлена заслонка или клапан.

Топливный элемент, в соответствии с данным вариантом воплощения, который выполнен, как описано выше, действует следующим образом:

Поскольку отбор тепла и испарение влаги могут контролироваться при использовании одного вентилятора, становится возможным уменьшить количество деталей и, следовательно, увеличить эффективность генерирования электроэнергии при уменьшении стоимости топливного элемента.

В данном варианте воплощения средство создания потока воздуха представляет собой, например, вентилятор; однако, оно может быть выполнено как насос, создающий разность давления между одной и другой частями воздуха, благодаря чему воздух будет протекать в определенном направлении.

Хотя в вариантах воплощения было приведено описание на примере персонального компьютера типа ноутбук, используемого в качестве устройства, в котором установлен топливный элемент или карта топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением, настоящее изобретение не ограничивается этим, но также может использоваться для портативных принтеров или факсимильных аппаратов, периферийного оборудования, используемого для персональных компьютеров, телефонов, телевизионных приемников, оборудования связи, портативных терминалов, часов, камер, аудио-видео оборудования, электрических вентиляторов, холодильников, утюгов, очистителей, рисоварок, электромагнитных кухонных устройств, осветительных устройств, игрушек, таких как игровые машины или радиоуправляемые автомобили, электрического инструмента, медицинского оборудования, измерительных устройств, оборудования, устанавливаемого на борту транспортного средства, в бизнес-машинах, инструментах поддержания здоровья/красоты, в роботах с электронным управлением, в электронном оборудовании такого типа, который носят на одежде, и в сборочных линиях.

Хотя в данном варианте воплощения было приведено описание со ссылкой на пример, в котором в качестве топлива, главным образом, используется газообразный водород, спирт (жидкость), такой как метанол, пригодный для использования в качестве так называемого метанола прямого типа, также может использоваться в качестве топлива.

В топливном элементе, в соответствии с настоящим изобретением, поскольку в корпусе топливного элемента установлено средство создания потока воздуха, даже если влага остается на электродах на стороне кислорода, такая влага может надежно удаляться с помощью потока воздуха, протекающего вдоль электродов на стороне кислорода, создаваемого с использованием средства создания потока воздуха. Поскольку в корпусе топливного элемента установлены генераторы, имеющие форму приблизительно плоской пластины, и в этом корпусе сформированы отверстия, становится возможным обеспечить надежную подачу воздуха на электроды на стороне кислорода генераторов через отверстия, сформированные в корпусе. Средство создания потока воздуха, которое позволяет создавать поток воздуха вокруг средства создания потока воздуха, расположено в корпусе в местах, соответствующих отверстиям, сформированным в корпусе. При этом возможно создавать поток воздуха без необходимости использования большого пространства.

В топливном элементе, в соответствии с настоящим изобретением, поскольку электроды на стороне кислорода генераторов могут быть связаны с атмосферой, становится возможным подавать кислород на генераторы, без снижения давления, то есть парциального давления кислорода воздуха. Хотя при генерировании электродвижущей силы на поверхностях электродов на стороне кислорода генераторов образуется влага, такая влага может, предпочтительно, удаляться, поскольку электроды на стороне кислорода соединены с атмосферой через крупные отверстия, сформированные в корпусе.

В функциональной карте топливного элемента, в соответствии с настоящим изобретением, карта топливного элемента может быть установлена в гнездо установки карты персонального компьютера типа ноутбук, который используется в качестве основного корпуса устройства. В частности, благодаря использованию карты топливного элемента, имеющей такой же размер, что и стандартная карта PC card для портативного оборудования, становится возможным увеличить время работы портативного оборудования. Хотя в корпусе PC карты расположено множество генераторов, кислород может поступать на электроды на стороне кислорода под достаточным давлением, поскольку электроды на стороне кислорода соединены с атмосферой, что позволяет не устанавливать какое-либо средство подачи газа, такое как баллон с газом или насос. В результате, становится возможным реализовать экономию пространства в топливном элементе и устранить необходимость использования дополнительного вспомогательного устройства.

В топливном элементе и с механизмом подачи топлива для топливного элемента, в соответствии с настоящим изобретением, с частью запаса водорода, верхний и нижний коллекторы тока на стороне водорода которого установлены таким образом, что задняя поверхность верхнего коллектора тока на стороне водорода и передняя поверхность нижнего коллектора тока на стороне водорода расположены напротив друг друга, и генераторы расположены таким образом, что они установлены друг над другом на передней поверхности верхнего коллектора тока на стороне водорода и на задней поверхности нижнего коллектора тока на стороне водорода. В соответствии с этим, генераторы установлены друг над другом сверху и снизу на общей части подачи газа, то есть на части подачи водорода, что приводит к тому, что область генерирования электроэнергии генераторов может быть увеличена. Поскольку изолирующая пленка установлена как прокладка между коллекторами тока на стороне водорода, водород в качестве газообразного топлива может надежно подаваться в такой набор из генераторов, выполненных в плоской форме, сверху и снизу, на внешние стороны коллекторов тока на стороне водорода через отверстия, сформированные в прокладке. В частности, если каждая из изолирующих пленок выполнена из синтетической смолы, такой как поликарбонат, такая изолирующая пленка может функционировать как эластичный элемент, который упруго деформируется для обеспечения равномерного контакта между парой генераторов, которым придана плоская форма, и коллекторов тока, когда генераторы введены в прижимной контакт с коллекторами тока на стороне водорода. В результате, становится возможным легко получить состояние равномерного прижимного контакта между генераторами и коллекторами тока на стороне водорода.

В топливном генераторе, в соответствии с настоящим изобретением, большое отверстие, сформированное в материале уплотнения, сформировано на внешней кромке электрода на стороне водорода, который выполнен меньшим, чем пленка - проводник протонов, и сторона электрода на стороне кислорода, в принципе, связана с атмосферой через часть большого отверстия коллектора тока на стороне кислорода, который установлен на электроде на стороне кислорода, и поэтому не требуется использовать какой-либо уплотнитель для газа. Это является предпочтительным для уменьшения количества деталей и количества этапов сборки. Кроме того, поскольку элемент из уплотнительного материала, обладающий упругостью, сжимается в направлении толщины, когда коллектор тока прижимают к генератору, для обеспечения равномерного контакта между коллектором тока и одновременно с материалом уплотнителя и электродом на стороне водорода внутри материала уплотнителя, благодаря этому улучшаются электрические характеристики топливного элемента. Кроме того, поскольку со стороны электрода на стороне кислорода отсутствует какой-либо уплотнительный материал, может быть обеспечена жесткость электрода на стороне кислорода благодаря тому, что на электрод на стороне кислорода не воздействуют характеристики материала уплотнителя, в результате чего, становится возможным существенно улучшить характеристики газонепроницаемости генератора.

Предлагается топливный элемент, имеющий структуру, позволяющую надежно подавать газ благодаря эффективному использованию ограниченного пространства, при обеспечении портативности топливного элемента. Топливный элемент, в соответствии с настоящим изобретением, отличается тем, что он включает пленку - проводник протонов, плоский электрод на стороне водорода и плоский электрод на стороне кислорода, расположенные таким образом, что пленка-проводник протонов установлена между ними, средство (13) подачи топлива, предназначенное для подачи топлива на электрод на стороне водорода, и плоские коллекторы (16) и (17) тока, установленные в плотном контакте с электродами на стороне кислорода, и содержащие части передачи газа, такие как части отверстий, позволяющие электродам на стороне кислорода соединяться с атмосферой. Поскольку электрод на стороне кислорода соединен с атмосферой, кислород может поступать на генераторы (11) и (12) без снижения парциального давления кислорода в воздухе. Техническим результатом изобретения является возможность создания потока воздуха без использования большого пространства. 4 н. и 37 з.п. ф-лы, 59 ил.

1. Топливный элемент, содержащий корпус, имеющий приблизительно форму плоской пластины, включающий часть отверстия, сформированную в части корпуса; генератор, имеющий приблизительно форму плоской пластины, расположенный в указанном корпусе, причем указанный генератор содержит электролитную пленку, расположенную между электродом на стороне топлива и электродом на стороне кислорода; и средство создания потока воздуха, предназначенное для создания потока воздуха вокруг указанного средства создания потока воздуха, причем средство создания потока расположено в части отверстия на внутренней стороне корпуса.2. Топливный элемент, содержащий корпус, имеющий приблизительно форму плоской пластины, имеющий часть отверстия, сформированную в части корпуса; генератор, имеющий приблизительно форму плоской пластины, расположенный в указанном корпусе, причем указанный генератор содержит электролитную пленку, расположенную между электродом на стороне топлива и электродом на стороне кислорода; средство создания потока воздуха, предназначенное для создания потока воздуха вокруг указанного средства создания потока воздуха, причем указанное средство создания потока расположено в указанной части отверстия на внутренней стороне указанного корпуса; и канал для воздуха, предназначенный для направления воздуха, который подводится снаружи от указанного корпуса с помощью указанного средства создания потока воздуха, вдоль плоскости указанного электрода на стороне кислорода указанного генератора.3. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что средство создания потока воздуха представляет собой ротатор.4. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что ось вращения ротатора проходит в плоскости генератора, имеющего приблизительно форму плоской пластины.5. Топливный элемент по п.3, отличающийся тем, что основанная плоскость генератора имеет приблизительно прямоугольную форму, и ротатор расположен приблизительно вдоль линейной концевой части приблизительно прямоугольного генератора.6. Топливный элемент по п.4, отличающийся тем, что ротатор имеет лопасти, расположенные вокруг внешнего контура ротатора.7. Топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что лопасти проходят, по существу, радиально от стороны оси вращения.8. Топливный элемент по п.5, отличающийся тем, что лопасти расположены, по существу, спирально вокруг оси вращения.9. Топливный элемент по п.3, отличающийся тем, что ротатор приводится в движение с помощью двигателя.10. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что средство создания потока воздуха представляет собой насос, предназначенный для создания разности давления воздуха между одной и другой частями, создавая, таким образом, поток воздуха между ними.11. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что средство создания потока воздуха расположено так, что его продольное направление проходит в основной плоскости корпуса, имеющего приблизительно форму плоской пластины.12. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что корпус сформирован с приданием ему приблизительно прямоугольной формы, и средство создания потока воздуха установлено вдоль поверхности внутренней стороны приблизительно прямоугольного корпуса.13. Топливный элемент по п.12, отличающийся тем, что средство создания потока воздуха проходит вдоль продольного направления корпуса.14. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что канал для воздуха представляет собой канавку, сформированную внутри корпуса таким образом, что она проходит вдоль плоскости электрода на стороне кислорода.15. Топливный элемент по п.14, отличающийся тем, что канавка состоит из множества канавок, проходящих, по существу, параллельно друг другу.16. Топливный элемент, содержащий корпус, имеющий приблизительно форму плоской, пластины, содержащий часть отверстия, сформированную в части указанного корпуса; два генератора, имеющих приблизительно форму плоской пластины, расположенные в корпусе, причем каждый из указанных генераторов содержит электролитную пленку, расположенную между электродом на стороне топлива и электродом на стороне кислорода; средство создания потока воздуха, предназначенное для создания потока воздуха вокруг средства создания потока воздуха, причем средство создания потока воздуха расположено внутри корпуса; канал для воздуха, предназначенный для направления воздуха, который подводится внутрь указанного корпуса с помощью указанного средства создания потока воздуха, вдоль плоскостей электродов на стороне кислорода генераторов; и канал для топлива, предназначенный для подачи топлива к электродам на стороне топлива генераторов; в котором два генератора расположены таким образом, что канал для топлива расположен между электродами на стороне топлива генераторов.17. Топливный элемент по п.16, отличающийся тем, что средство создания потока воздуха представляет собой вращающееся тело.18. Топливный элемент по п.17, отличающийся тем, что ось вращения указанного вращающегося тела проходит в плоскости генератора, имеющего приблизительно форму плоской пластины.19. Топливный элемент по п.17, отличающийся тем, что основная плоскость генератора имеет приблизительно прямоугольную форму, и вращающееся тело расположено приблизительно вдоль линейной концевой части приблизительно прямоугольного генератора.20. Топливный элемент по п.17, отличающийся тем, что вращающееся тело состоит, по меньшей мере, из двух ротаторов, расположенных на противоположных концевых сторонах прямоугольного генератора таким образом, что один из ротаторов предназначен для направления воздуха к одному из электродов на стороне кислорода, и другой из ротаторов выполнен с возможностью направлять воздух на другой из электродов на стороне кислорода.21. Топливный элемент по п.17, отличающийся тем, что ротатор включает лопасти, расположенные вокруг внешнего контура ротатора.22. Топливный элемент по п.21, отличающийся тем, что лопасти проходят, по существу, радиально от стороны оси вращения.23. Топливный элемент по п.21, отличающийся тем, что лопасти расположены, по существу, спирально вокруг оси вращения.24. Топливный элемент по п.21, отличающийся тем, что ротатор приводится в движение с помощью двигателя.25. Топливный элемент по п.16, отличающийся тем, что средство создания потока воздуха представляет собой насос, предназначенный для генерирования разности давления воздуха между одной и другой частями, благодаря чему создается поток воздуха между ними.26. Топливный элемент по п.16, отличающийся тем, что канал воздуха состоит из канавок, каждая из которых сформирована внутри корпуса таким образом, что она проходит вдоль плоскости каждого из электродов на стороне кислорода генераторов.27. Топливный элемент по п.26, отличающийся тем, что каждая из канавок состоит из множества канавок, проходящих параллельно друг другу.28. Топливный элемент по п.16, отличающийся тем, что корпус сформирован с приданием ему приблизительно прямоугольной формы, и средство создания потока воздуха проходит вдоль поверхности внутренней стороны корпуса, имеющего приблизительно прямоугольную форму.29. Топливный элемент по п.28, отличающийся тем, что средство создания потока воздуха расположено вдоль продольного направления элемента корпуса.30. Топливный элемент по п.16, отличающийся тем, что основная плоскость генератора имеет приблизительно прямоугольную форму, и средство создания потока воздуха состоит из частей создания потока воздуха, расположенных на противоположных концевых сторонах генератора, имеющего приблизительно прямоугольную форму, таким образом, что одна из частей создания потока воздуха выполнена с возможностью направлять воздух к одному из электродов на стороне кислорода, и другая из частей создания потока воздуха выполнена с возможностью направлять воздух на другой из электродов на стороне кислорода; канал для воздуха состоит из канавок, каждая из которых сформирована внутри корпуса таким образом, что она проходит вдоль плоскости каждого из пары электродов на стороне кислорода генераторов; и каждая из канавок соединена с соответствующей одной из частей создания потока воздуха.31. Топливный элемент по п.30, отличающийся тем, что каждая из указанных частей создания потока воздуха представляет собой ротор.32. Топливный элемент по п.31, отличающийся тем, что ось вращения ротатора проходит в плоскости генератора, имеющего приблизительно форму плоской пластины.33. Топливный элемент по п.31, отличающийся тем, что ротатор содержит лопасти, расположенные вокруг внешнего контура ротатора.34. Топливный элемент по п.33, отличающийся тем, что лопасти проходят, по существу, радиально от стороны оси вращения.35. Топливный элемент по п.33, отличающийся тем, что лопасти расположены, по существу, спирально вокруг оси вращения.36. Топливный элемент по п.31, отличающийся тем, что ротатор приводится в движение двигателем.37. Топливный элемент по п.30, отличающийся тем, что каждая из указанных частей создания потока воздуха представляет собой насос, предназначенный для создания разности давления воздуха между одной и другой частями, благодаря чему создается поток воздуха между ними.38. Топливный элемент по п.30, отличающийся тем, что корпус сформирован с приданием ему приблизительно прямоугольной формы, и каждая из частей создания потока воздуха сформирована таким образом, что она проходит вдоль поверхности внутренней стороны приблизительно прямоугольного корпуса.39. Топливный элемент по п.38, отличающийся тем, что каждая из указанных частей создания потока воздуха проходит вдоль продольного направления корпуса.40. Топливный элемент, содержащий корпус, имеющий приблизительно форму плоской пластины, содержащий часть отверстия, сформированную в части корпуса; генератор, имеющий приблизительно форму плоской пластины, расположенный в корпусе, причем генератор включает электролитную пленку, расположенную между электродом на стороне топлива и электродом на стороне кислорода; средство создания потока воздуха, предназначенное для создания потока воздуха вокруг средства создания потока воздуха, причем средство создания потока воздуха расположено внутри корпуса; и средство управления, предназначенное для управления количеством потока воздуха, создаваемого средством создания потока воздуха.41. Топливный элемент по п.40, отличающийся тем, что средство управления включает электронную часть, установленную на монтажной плате, имеющей приблизительно форму плоской пластины.