ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2017 года по МПК H01M8/10 

Предпосылки к созданию изобретения

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к топливному элементу, в котором в качестве канала для газообразного реагента используется пористое тело.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0002] В публикации японской патентной заявки №2012-123949 (JP 2012-123949 А) раскрывается топливный элемент, выполненный так, что растянутый металл и уплотнительная пластина входят в подающий коллектор катода.

[0003] На стороне выпуска катодного газа происходит выпуск воды, образовавшейся во время реакции. Однако в JP 2012-123949 А не представлено достаточное исследование конструкции для эффективного выпуска воды в коллектор выпускной стороны.

Сущность изобретения

[0004] Один из аспектов настоящего изобретения относится к топливному элементу, образованному путем наслоения множества блоков выработки электроэнергии. В топливном элементе каждый из блоков выработки электроэнергии включает в себя: газодиффузионную мембранно-электродную пластинчатую сборку, включающую в себя электролитическую мембрану, каталитический слой стороны анода и каталитический слой стороны катода, при этом электролитическая мембрана находится между каталитическим слоем стороны анода и каталитическим слоем стороны катода; уплотнительную часть, расположенную вдоль внешней периферии газодиффузионной мембранно-электродной пластинчатой сборки; проточную часть из пористого тела, расположенную так, чтобы находиться напротив каталитического слоя стороны катода, и в которой протекает окисляющий газ, подаваемый к каталитическому слою стороны катода; защитную перегородку, находящуюся между уплотнительной частью и проточной частью из пористого тела; и первую и вторую разделительные пластины, выполненные с возможностью помещения между ними газодиффузионной мембранно-электродной пластинчатой сборки и проточной части из пористого тела. Уплотнительная часть, а также первая и вторая разделительные пластины имеют отверстия в местах, соответствующих друг другу. Отверстия сообщаются друг с другом при наслоении множества блоков выработки электроэнергии так, чтобы образовать выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, через который отработанный окисляющий газ выпускается из проточной части из пористого тела. Первая разделительная пластина находится в контакте с проточной частью из пористого тела. Защитная перегородка, проточная часть из пористого тела и первая разделительная пластина выступают в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, ограниченный уплотнительной частью. В соответствии с топливным элементом защитная перегородка, проточная часть из пористого тела и первая разделительная пластина выступают в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, ограниченный уплотнительной частью. Соответственно, образовавшаяся вода, вырабатываемая в результате реакции в топливном элементе, легко выпускается в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, тем самым создавая возможность ограничения обратного потока воды из выпускного коллектора отработанного окисляющего газа в проточную часть из пористого тела.

[0005] Обе поверхности того участка проточной части из пористого тела, который выступает в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, могут закрываться защитной перегородкой и первой разделительной пластиной. Поскольку в такой конфигурации обе поверхности того участка проточной части из пористого тела, который выступает в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, закрыты защитной перегородкой и первой разделительной пластиной, то можно ограничить обратный поток образовавшейся воды в закрытую таким образом область.

[0006] Один элемент из защитной перегородки и первой разделительной пластины, расположенный ниже по потоку в направлении потока отработанного окисляющего газа в выпускном коллекторе отработанного окисляющего газа, может иметь меньшую величину выступа в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, чем другой, расположенный выше по потоку относительно направления потока. Образовавшаяся вода, выпускаемая в выпускной коллектор окисляющих отработавших газов, течет из местоположения выше по потоку в местоположение ниже по потоку. В такой конфигурации, поскольку сторона проточной части из пористого тела, находящаяся выше по потоку, оказывается закрытой, то образовавшейся воде сложно попасть обратно в проточную часть из пористого тела.

[0007] Проточная часть из пористого тела может выступать в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа в большей степени, чем защитная перегородка и первая разделительная пластина. В такой конфигурации образовавшаяся вода легко выводится из выступающего участка пористого тела.

[0008] Один элемент из защитной перегородки и первой разделительной пластины, расположенный ниже по потоку в направлении потока отработанного окисляющего газа в выпускном коллекторе отработанного окисляющего газа, может иметь отверстия или прорези, выполненные с возможностью сообщения между выпускным коллектором отработанного окисляющего газа и проточной частью из пористого тела. В такой конфигурации образовавшаяся вода может выводиться из отверстий или прорезей.

[0009] Следует обратить внимание на то, что настоящее изобретение может быть реализовано в различных формах. Например, настоящее изобретение может быть реализовано в конструкции для дренажа образовавшейся воды в топливном элементе и тому подобных формах, отличных от топливного элемента.

Краткое описание чертежей

[0010] Характеристики, преимущества, а также техническое и промышленное значение примерных вариантов осуществления настоящего изобретения будут раскрыты ниже со ссылками на сопровождающие чертежи, в которых одни и те же позиции обозначают одни и те же элементы и в которых:

на ФИГ. 1 представлен пояснительный вид, на котором схематически проиллюстрирован внешний вид топливного элемента;

на ФИГ. 2 показан вид в разрезе, на котором схематически проиллюстрирована область рядом с выпускным коллектором отработанного окисляющего газа в блоках выработки электроэнергии, находящихся более близко к концевой пластине;

на ФИГ. 3 представлен пояснительный вид, на котором проиллюстрирована конфигурация газодиффузионной мембранно-электродной пластинчатой сборки (ГМЭС);

на ФИГ. 4 представлен пояснительный вид, на котором проиллюстрирована в увеличенном виде та часть блока выработки электроэнергии, которая находится рядом с выпускным коллектором отработанного окисляющего газа;

на ФИГ. 5 представлен пояснительный вид, на котором показан результат моделирования, демонстрирующий направление потока отработанного окисляющего газа в сравнительном примере и в настоящем варианте осуществления;

на ФИГ. 6 представлен пояснительный вид, на котором для сравнительного примера показано распределение образовавшейся воды в той части выпускного коллектора отработанного окисляющего газа, которая находится рядом с концевой пластиной;

на ФИГ. 7 представлен пояснительный вид, на котором показано распределение образующейся воды в этой части выпускного коллектора окисляющих отработавших газов, которая находится рядом с концевой пластиной в настоящем варианте осуществления;

на ФИГ. 8 представлен пояснительный вид для краткого сравнения потоков образовавшейся воды в настоящем варианте осуществления и в сравнительном примере;

на ФИГ. 9 представлен график, на котором показана потеря давления на блоке выработки электроэнергии;

на ФИГ. 10 представлен пояснительный вид, на котором показано воздушное стехиометрическое соотношение и напряжение (напряжение элемента) блока выработки электроэнергии; и

на ФИГ. 11А-11С представлены пояснительные виды, на которых показаны возможные модификации настоящего варианта осуществления.

Подробное описание вариантов осуществления

[0011] Первый вариант осуществления изобретения: на ФИГ. 1 представлен пояснительный вид, на котором схематически показан внешний вид топливного элемента. Топливный элемент 10 включает в себя блоки 100 выработки электроэнергии, концевые пластины 200, 210, изоляционную пластину 220 и торцевые пластины 230, 240. Множество блоков 100 выработки электроэнергии собрано в слоистую структуру. Концевые пластины 200, 210 расположены с соответствующих сторон блоков 100 выработки электроэнергии, собранных в слоистую структуру и используются для съема напряжения и тока с блоков 100 выработки электроэнергии. Изоляционная пластина 220 расположена снаружи концевой пластины 200. В зависимости от зафиксированной части на корпусе изоляционная пластина может быть расположена снаружи концевой пластины 210. Торцевые пластины 230, 240 расположены с соответствующих сторон топливного элемента 10 так, чтобы зафиксировать блоки 100 выработки электроэнергии, концевые пластины 200, 210 и изоляционные пластины 220.

[0012] Топливный элемент 10 выполнен так, что каждый из блоков 100 выработки электроэнергии 100, концевой пластины 200, изоляционной пластины 220 и торцевой пластины 230 имеет множество отверстий, и соответствующие отверстия сообщаются друг с другом, образуя коллекторы 310, 315, 320, 325, 330, 335. Коллектор 310 используется для подачи окисляющего газа на блоки 100 выработки электроэнергии, поэтому коллектор 310 также называют подающим коллектором 310 окисляющего газа. Далее, с точки зрения соответствующего назначения, коллекторы 315, 320, 325, 330, 335 соответственно называют «выпускным коллектором 315 отработанного окисляющего газа», «подающим коллектором 320 топливного газа», «выпускным коллектором 325 отработанного топливного газа», «подающим коллектором 330 хладагента» и «выпускным коллектором 335 хладагента» соответственно.

[0013] На ФИГ. 2 показан вид в разрезе, на котором схематически проиллюстрирована область рядом с выпускным коллектором 315 отработанного окисляющего газа в блоках 100 выработки электроэнергии, находящихся наиболее близко к концевой пластине 210. Каждый блок 100 выработки электроэнергии включает в себя газодиффузионную мембранно-электродную пластинчатую сборку 110 (далее называемую «ГМЭС 110»), раму 140, разделительную пластину 150 стороны катода, разделительную пластину 160 стороны анода, проточную часть 170 из пористого тела, а также защитную перегородку 180. Конфигурация ГМЭС 110 будет раскрыта далее.

[0014] Рама 140 является элементом, поддерживающим ГМЭС 110 с наружного края, и выполнена из смолы. Вместе с разделительной пластиной 150 стороны катода и разделительной пластиной 160 стороны анода рама 140 предотвращает утечку окисляющего газа, топливного газа и хладагента, поэтому раму 140 также называют уплотнительной частью. Защитная перегородка 180 расположена на стороне катода от рамы 140. Защитная перегородка 180 представляет собой металлическую пластину, частично выступающую в выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа. Следует отметить, что в настоящем варианте осуществления разделительная пластина 150 стороны катода, разделительная пластина 160 стороны анода и рама 140 имеют разную длину, поэтому конец (нижний конец на ФИГ. 2) выпускного коллектора 315 отработанного окисляющего газа определяется концевой поверхностью 140а рамы 140. Принимая во внимание отклонения при производстве, заусенцы и тому подобное для рамы 140, конец выпускного коллектора 315 отработанного окисляющего газа 315 может определяться средним положением концевой поверхности 140а рамы 140. Следует отметить, что крайние положения противоположной концевой поверхности 140b рамы 140, разделительной пластины 150 стороны катода и разделительной пластины 160 стороны анода находятся в тех же положениях в направлении сверху вниз на чертеже, поэтому другой конец (верхний конец на ФИГ. 2) выпускного коллектора 315 отработанного окисляющего газа 315 может быть определен любой из противоположной концевой поверхности 140b рамы 140 и концами разделительной пластины 150 стороны катода и разделительной пластины 160 стороны анода. Проточная часть 170 из пористого тела находится на стороне катода от ГМЭС 110, рамы 140 и защитной перегородки 180. Проточная часть 170 из пористого тела - это проточная часть, через которую проходит окисляющий газ, выполненная из растянутого металла. Вместо растянутого металла, проточная часть 170 из пористого тела может быть выполнена с использованием других типов металлических пористых тел. Проточная часть 170 из пористого тела выступает в выпускном коллекторе 315 отработанного окисляющего газа в то же положение, что и защитная перегородка 180. Следует отметить, что на ФИГ. 2 величины выступа разделительной пластины 150 стороны катода, проточной части 170 из пористого тела и защитной перегородки 180 показаны схематически.

[0015] Разделительная пластина 150 стороны катода находится на стороне проточной части 170 из пористого тела и прилегает к следующему блоку 100 выработки электроэнергии или концевой пластине 210. Разделительная пластина 150 стороны катода представляет собой металлическую пластину, частично выступающую в выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа. Разделительная пластина 160 стороны анода находится на тех поверхностях ГМЭС 110 и рамы 140, которые противоположны проточной части 170 из пористого тела. Разделительная пластина 160 стороны анода представляет собой металлическую пластину неправильной формы. Разделительная пластина 160 стороны анода не выступает в выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа. Проточная часть 132 топливного газа формируется между разделительной пластиной 160 стороны анода и ГМЭС 110, а канал для хладагента формируется между разделительной пластиной 160 стороны анода и разделительной пластиной 150 стороны катода.

[0016] На ФИГ. 3 представлен пояснительный вид, на котором проиллюстрирована конфигурация газодиффузионной мембранно-электродной пластинчатой сборки 110 (ГМЭС 110). ГМЭС 110 включает в себя электролитическую мембрану 112, каталитический слой 114 стороны катода, каталитический слой 116 стороны анода, газодиффузионный слой 118 стороны катода и газодиффузионный слой 120 стороны анода. Электролитическая мембрана 112 представляет собой электролитическую мембрану, обладающую протонной проводимостью, в которой используется, например, фторсодержащая электролитическая смола (ионно-обменная смола), такая как перфторуглеродный полимер сульфоновой кислоты.

[0017] Каталитический слой 114 стороны катода и каталитический слой 116 стороны анода имеют в своем составе катализатор, переносящий углерод (например, платина). В настоящем варианте осуществления каталитический слой 116 стороны анода наносится на всю первую поверхность электролитической мембраны 112, но каталитический слой 114 стороны катода наносится только на частичную область (область выработки электроэнергии) второй поверхности электролитической мембраны 112. Причина этого такова: каталитический слой 116 стороны анода может иметь меньшее количество катализатора на единицу площади, чем каталитический слой 114 стороны катода (как правило, не более половины количества катализатора на единицу площади каталитического слоя 114 стороны катода, например одну треть), поэтому даже если катализатор наносится на всю первую поверхность электролитической мембраны 112, это не приводит к чрезмерному перерасходу, и этап нанесения может быть легко выполнен.

[0018] Газодиффузионный слой 118 стороны катода размещен на каталитический слой 114 стороны катода, а газодиффузионный слой 120 стороны анода размещен на каталитическом слое 116 стороны анода. Газодиффузионный слой 118 стороны катода и газодиффузионный слой 120 стороны анода выполнены из углеродной бумаги. Однако вместо углеродной бумаги они могут быть выполнены из углеродистого нетканого волокна.

[0019] На ФИГ. 4 представлен пояснительный вид, на котором в увеличенном виде проиллюстрирована та часть блока 100 выработки электроэнергии, которая находится рядом с выпускным коллектором 315 отработанного окисляющего газа. В данном случае проиллюстрированы две конструкции: настоящий вариант осуществления и сравнительный пример. Настоящий вариант осуществления и сравнительный пример объединяет то, что проточная часть 170 из пористого тела и защитная перегородка 180 выступают в выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа. Однако в настоящем варианте осуществления разделительная пластина 150 стороны катода и защитная перегородка 180 выступают в выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа на ту же самую длину, что и проточная часть 170 из пористого тела, а обе поверхности проточной части 170 из пористого тела закрыты разделительной пластиной 150 стороны катода и защитной перегородкой 180. Напротив, в сравнительном примере разделительная пластина 150 стороны катода не выступает в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, в отличие от настоящего варианта осуществления.

[0020] На ФИГ. 5 представлен пояснительный вид, на котором показан результат моделирования, демонстрирующий направление потока отработанного окисляющего газа в сравнительном примере и в настоящем варианте осуществления. Поскольку в настоящем варианте осуществления обе поверхности проточной части 170 из пористого тела закрыты защитной перегородкой 180 и разделительной пластиной 150 стороны катода, то направления отработанного окисляющего газа и образовавшейся воды, поступающих из проточного канала 170 из пористого тела, в целом, являются вертикальными относительно направления потока отработанного окисляющего газа, протекающего через выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа. Напротив, поскольку в сравнительном примере часть поверхности проточной части 170 из пористого тела на стороне разделительной пластины 150 стороны катода не закрыта разделительной пластиной 150 стороны катода, то отработанный окисляющий газ и образовавшаяся вода, подаваемые из проточной части 170 из пористого тела, проходят не только в направлении, в целом, вертикальном относительно направления потока отработанного окисляющего газа, протекающего через выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа, но также и в направлении, обратном направлению потока отработанного окисляющего газа, протекающего через выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа.

[0021] На ФИГ. 6 представлен пояснительный вид, на котором показано распределение образовавшейся воды в той части выпускного коллектора 315 отработанного окисляющего газа, которая находится рядом с концевой пластиной 210, в сравнительном примере. Как было описано выше, поскольку в сравнительном примере отработанный окисляющий газ и образовавшаяся вода, поступающие из проточной части 170 из пористого тела, также протекают в направлении, обратном направлению потока отработанного окисляющего газа, текущего через выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа, то образовавшаяся вода скапливается и задерживается на более глубокой стороне выпускного коллектора 315 отработанного окисляющего газа, а именно рядом с концевой пластиной 210, как указано стрелкой слева на ФИГ. 6. В данном случае, когда нагрузка на топливный элемент 10 (ФИГ. 1) уменьшается и расход окисляющего газа снижается, образовавшаяся вода, удерживаемая данным образом (далее также называемая «удерживаемой водой»), выступает в качестве покрытия по отношению к отработанному окисляющему газу, выходящему из проточной части 170 из пористого тела так, что она препятствует выпуску отработанного окисляющего газа. В результате этого увеличивается потеря давления окисляющего газа. Это приводит к тому, что окисляющий газ становится трудно подавать в блок выработки электроэнергии 100 на его глубокую сторону. Кроме того, участок контакта между удерживаемой водой и проточной частью 170 из пористого тела имеет большой размер, поэтому, когда подача окисляющего газа в топливный элемент 10 прекращается, удерживаемая вода легко течет обратно в проточную часть 170 из пористого тела.

[0022] На ФИГ. 7 представлен пояснительный вид, на котором показано распределение образовавшейся воды в той части выпускного коллектора 315 отработанного окисляющего газа, которая находится рядом с концевой пластиной 210, в настоящем варианте осуществления. Поскольку в выпускной части проточной части 170 из пористого тела, выпускающей отработанный окисляющий газ, практически отсутствует удерживаемая вода, то, даже если удерживаемая вода имеется в других частях, удерживаемой воде сложно выступать в роли покрытия. Дополнительно, поскольку участок контакта между удерживаемой водой и проточной частью 170 из пористого тела имеет малый размер, даже если подача окисляющего газа в топливный элемент 10 прекращается, то удерживаемая вода с трудом течет обратно в проточную часть 170 из пористого тела.

[0023] На ФИГ. 8 представлен пояснительный вид для краткого сравнения потоков образовавшейся воды в настоящем варианте осуществления и сравнительном примере. В настоящем варианте осуществления отработанный окисляющий газ и образовавшаяся вода выпускаются в направлении (вертикальное направление на ФИГ. 8) вдоль продольного направления проточной части 170 из пористого тела. В отличие от этого, в сравнительном примере отработанный окисляющий газ и образовавшаяся вода подаются по направлению, являющемуся промежуточным направлением между направлением вдоль продольного направления проточной части 170 из пористого тела и направлением к месту выше по потоку в выпускном коллекторе 315 отработанного окисляющего газа. Следует отметить, что в настоящем варианте осуществления удерживаемая вода (образовавшаяся вода) накапливается в углубленной части между разделительной пластиной 150 стороны катода и защитной перегородкой 180, как показано на ФИГ. 7. Однако удерживаемая вода почти не соприкасается с проточной частью 170 из пористого тела, поэтому удерживаемой воде сложно течь обратно в проточную часть 170 из пористого тела. В отличие от этого, в сравнительном примере, проиллюстрированном на ФИГ. 6, удерживаемая вода (образовавшаяся вода) накапливается в углубленной части между проточной частью 170 из пористого тела и защитной перегородкой 180 так, что она соприкасается с проточной частью 170 из пористого тела, и поэтому можно сказать, что удерживаемая вода легко течет обратно в проточную часть 170 из пористого тела.

[0024] На ФИГ. 9 представлен график, на котором показана потеря давления на блоке 100 выработки электроэнергии. Следует отметить, что на ФИГ. 9 потеря давления показана с использованием соотношения, когда потеря давления составляет 1,0 в сухом состоянии сравнительного примера. Далее, в топливном элементе 10 имеется множество блоков 100 выработки электроэнергии, но на графике показано среднее значение. «Сухое» состояние - это состояние, когда имеется поток окисляющего газа, но электрическая энергия в топливном элементе 10 не вырабатывается, то есть состояние, при котором образовавшаяся вода не вырабатывается. «Мокрое» состояние - это состояние, когда имеется поток окисляющего газа и электрическая энергия в топливном элементе 10 вырабатывается с максимальным электрическим током, то есть состояние, при котором количество образовавшейся воды является максимальным. Если топливный элемент 10 используется в транспортном средстве или других механизмах, то топливный элемент 10 работает в состоянии между сухим и мокрым состояниями.

[0025] В целом, на впускной стороне подающего коллектора 310 окисляющего газа окисляющий газ легко поступает в блок 100 выработки электроэнергии. Однако на дальней торцевой стороне у концевой пластины 210 окисляющему газу трудно попасть в блок 100 выработки электроэнергии из-за потери давления. В частности, в мокром состоянии потеря давления на впускной стороне не так значительно отличается от сухого состояния. Однако на дальней торцевой стороне у концевой пластины 210 потеря давления дополнительно увеличивается из-за образующейся воды, поэтому окисляющему газу трудно попасть в блок 100 выработки электроэнергии из-за потери давления. Соответственно, потеря давления является более сильной в мокром состоянии, чем в сухом состоянии.

[0026] Как было описано выше, в транспортном средстве топливный элемент 10 работает в состоянии между сухим и мокрым состояниями. Учитывая это, предпочтительно уменьшить потерю давления в мокром состоянии, когда потеря давления велика. Когда потеря давления составляет 1,0 в сухом состоянии в сравнительном примере, потеря давления в мокром состоянии в сравнительном примере составляет 2,8, а потеря давления в мокром состоянии в настоящем варианте осуществления составляет 2,5. В этой связи, настоящий вариант осуществления является более предпочтительным, чем сравнительный пример.

[0027] Дополнительно, является предпочтительным, чтобы соотношение между перепадом давления в мокром и сухом состоянии было низким по следующей причине. Например, в рабочем состоянии в случае, когда топливный элемент 10 работает при высокой температуре, топливный элемент 10 высыхает из-за высокой температуры, поэтому рабочее состояние в это время близко к рабочему состоянию в сухом состоянии. В данном случае, когда транспортное средство останавливается и движется медленно так, чтобы попасть на стоянку или в подобное место, температура топливного элемента 10 снижается, поэтому рабочее состояние меняется с сухого состояния на мокрое состояние. В этом случае блоки 100 выработки электроэнергии не переходят в то же мокрое состояние. В данном случае, если соотношение между потерей давления сухого состояния и мокрого состояния велико, состояние подачи газа в каждый из блоков 100 выработки электроэнергии в значительной степени меняется между этими двумя состояниями, поэтому эффективная выработка электроэнергии может быть затруднена. Соответственно, предпочтительно, чтобы соотношение между потерями давления в мокром/сухом состоянии было небольшим. Соотношение между потерями давления в мокром/сухом состоянии составляет 2,8 в сравнительном примере, тогда как соотношение между потерями давления в мокром/сухом состоянии составляет 2,4 в настоящем варианте осуществления, поэтому настоящий вариант осуществления более предпочтителен, чем сравнительный пример.

[0028] На ФИГ. 10 представлен пояснительный вид, на котором показано воздушное стехиометрическое соотношение и электрическое напряжение (напряжение элемента) блока 100 выработки электроэнергии. В настоящем варианте осуществления измеряется напряжение блока 100 выработки электроэнергии в момент, когда заданный ток проходит через блок 100 выработки электроэнергии. В данном случае, воздушное стехиометрическое соотношение указывает на соотношение количества окисляющего газа, проходящего через блок 100 выработки электроэнергии, относительно количества окисляющего газа, которое необходимо для протекания заданного тока через блок 100 выработки электроэнергии. Например, если воздушное стехиометрическое соотношение равняется 2, то окисляющий газ в количестве, в два раза превышающем необходимое количество окисляющего газа, которое необходимо для протекания заданного тока через блок 100 выработки электроэнергии, протекает через блок выработки электроэнергии. В данном случае влияние путем удержания образовавшейся воды легко происходит на стороне низкого воздушное стехиометрического соотношения с небольшим расходом окисляющего газа. В области, где воздушное стехиометрическое соотношение низкое, напряжение элемента в настоящем варианте осуществления выше, чем в сравнительном примере, поэтому можно сказать, что настоящий вариант осуществления эффективен.

[0029] Как было описано выше, в настоящем варианте осуществления проточная часть 170 из пористого тела, разделительная пластина 150 стороны катода, а также защитная перегородка 180 выступают в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, ограниченный рамой 140, поэтому в выпускной части проточной части 170 из пористого тела, выпускающей отработанный окисляющий газ, практически нет удерживаемой воды, и удерживаемой воде сложно выступать в роли покрытия. Дополнительно, поскольку участок контакта между удерживаемой водой и проточной частью 170 из пористого тела имеет малый размер, даже если подача окисляющего газа в топливный элемент 10 прекращается, удерживаемая вода с трудом течет обратно в проточную часть 170 из пористого тела. В результате, образовавшаяся вода может легко удаляться, тем самым создавая возможность ограничения снижения мощности выработки электроэнергии в мокром состоянии.

[0030] На ФИГ. 11А-11С представлены пояснительные виды, на которых показана часть модификаций настоящего варианта осуществления. Например, на ФИГ. 11А проточная часть 170 из пористого тела, разделительная пластина 150 стороны катода, а также защитная перегородка 180 выступают в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, ограниченный рамой 140, что является общим с настоящим вариантом осуществления. Однако величина выступа защитной перегородки 180 меньше, чем величина выступа проточной части 170 из пористого тела. В результате, защитная перегородка 180 закрывает ту часть проточной части 170 из пористого тела, которая находится ближе к концевой поверхности 140а рамы 140, но не закрывает конец (верхняя сторона на ФИГ. 11А) проточной части 170 из пористого тела. В этой модификации отработанный окисляющий газ и образовавшаяся вода поступают в промежуточном направлении между направлением вдоль продольного направления проточной части 170 из пористого тела и направлением к месту ниже по потоку в выпускном коллекторе 315 отработанного окисляющего газа. Таким образом, образовавшаяся вода подается плавно, без обратного потока.

[0031] Например, на ФИГ. 11В проточная часть 170 из пористого тела, разделительная пластина 150 стороны катода, а также защитная перегородка 180 установлены так же, как и в настоящем варианте осуществления, но в защитной перегородке 180 имеется множество отверстий 181, в этом состоит отличие от настоящего варианта осуществления. В этой модификации отработанный окисляющий газ и образовавшаяся вода выпускаются в направлении вдоль продольного направления проточной части 170 из пористого тела, аналогично настоящему варианту осуществления, и дополнительно выпускаются из отверстий 181 защитной перегородки 180 в направлении ниже по потоку отработанного окисляющего газа. Таким образом, образовавшаяся вода легко выводится за пределы топливного элемента 10, не создавая обратного потока. Следует отметить, что вместо отверстий 181 могут использоваться прорези при условии, что образовавшаяся вода может проходить через них.

[0032] Например, на ФИГ. 11С проточная часть 170 из пористого тела, разделительная пластина 150 стороны катода, а также защитная перегородка 180 выполнены выступающими в выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа, ограниченный рамой 140, что является общим с настоящим вариантом осуществления, но величина выступа защитной перегородки 180 и разделительной пластины 150 стороны катода меньше, чем величина выступа проточной части 170 из пористого тела. То есть та часть проточной части 170 из пористого тела, которая находится ближе к концевой поверхности 140а рамы 140, закрывается разделительной пластиной 150 стороны катода и защитной перегородкой 180, но конец (верхняя сторона на ФИГ. 11С) проточной части 170 из пористого тела не закрывается защитной перегородкой 180 и разделительной пластиной 150 стороны катода. В этой модификации отработанный окисляющий газ и образовавшаяся вода выпускаются в направлении вдоль продольного направления проточной части 170 из пористого тела, как и в настоящем варианте осуществления. Если имеется удерживаемая вода, то удерживаемая вода накапливается между разделительной пластиной 150 стороны катода и защитной перегородкой 180, как показано справа на ФИГ. 6 или на ФИГ. 7. Также в этой модификации, аналогично настоящему варианту осуществления, показанному на ФИГ. 7, проточной части 170 из пористого тела сложно соприкасаться с удерживаемой водой, поэтому удерживаемой воде сложно выступать в роли покрытия. Кроме того, даже если подача окисляющего газа в топливный элемент 10 прекращается, то удерживаемой воде сложно утекать назад в проточную часть 170 из пористого тела. Предпочтительно, чтобы величины выступа защитной перегородки 180 и разделительной пластины 150 на стороне катода были одними и теми же величинами выступа, или разделительная пластина 150 на стороне катода, установленная в направлении выше по потоку отработанного окисляющего газа, выступала в большей степени, чем защитная перегородка 180, при условии, что величины выступа защитной перегородки 180 и разделительной пластины 150 на стороне катода меньше, чем величина выступа канала проточной части 170 из пористого тела. Предпочтительно, чтобы соблюдалось следующее отношение: «величина выступа проточной части 170 из пористого тела > величины выступа разделительной пластины 150 стороны катода ≥ величине выступа защитной перегородки 180». Следует отметить, что защитная перегородка 180 может иметь больший выступ, чем разделительная пластина 150 стороны катода.

[0033] В вышеуказанном варианте осуществления катодная сторона блока 100 выработки электроэнергии находится выше по потоку относительно потока в выпускном коллекторе 315 отработанного окисляющего газа, а его анодная сторона находится ниже по потоку относительно потока в выпускном коллекторе 315 отработанного окисляющего газа, но взаимосвязь между катодом и анодом может быть обратнйм относительно вышеуказанного. В этом случае, в примере, соответствующем модификации на ФИГ. 11А, величина выступа разделительной пластины 150 стороны катода должна быть меньше, чем величины выступа проточной части 170 из пористого тела и защитной перегородки 180. Дополнительно, в примере, соответствующем модификации на ФИГ. 11В, отверстия должны быть выполнены в разделительной пластине 150 стороны катода.

[0034] Как можно понять из вышеизложенного варианта осуществления и различных модификаций, предпочтительно, чтобы защитная перегородка 180, проточная часть 170 из пористого тела и разделительная пластина 150 стороны катода 150 выступали в выпускной коллектор 315 отработанного окисляющего газа 315, ограниченный рамой 140.

[0035] Вариант осуществления настоящего изобретения раскрыт выше на основе некоторых примеров, но вышеуказанный вариант осуществления настоящего изобретения предназначен для упрощения понимания настоящего изобретения, а не для ограничения настоящего изобретения. Настоящее изобретение может быть изменено или модифицировано, не отклоняясь от сути и объема, определенного пунктами формулы, и, дополнительно, само собой разумеется, что настоящее изобретение включает в себя его эквивалент.

Изобретение относится к топливному элементу. Топливный элемент образуется путем наслоения множества блоков выработки электроэнергии. Блок выработки электроэнергии включает в себя: газодиффузионную мембранно-электродную пластинчатую сборку, уплотнительную часть, расположенную вдоль ее внешней периферии, проточную часть из пористого тела, в которой протекает окисляющий газ, подаваемый к каталитическому слою стороны катода, защитную перегородку, находящуюся между уплотнительной частью и проточной частью из пористого тела, и первую и вторую разделительные пластины, выполненные с возможностью помещения между ними газодиффузионной мембранно-электродной пластинчатой сборки и проточной части из пористого тела. Защитная перегородка, проточная часть из пористого тела и первая разделительная пластина, соприкасающаяся с проточной частью из пористого тела, выступают в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, ограниченный уплотнительной частью. Изобретение позволяет ограничить обратный поток воды из выпускного коллектора в проточную часть. 4 з.п. ф-лы, 13ил.

1. Топливный элемент, образованный путем наслоения множества блоков выработки электроэнергии, в котором

каждый из блоков выработки электроэнергии включает в себя:

газодиффузионную мембранно-электродную пластинчатую сборку, включающую в себя электролитическую мембрану, каталитический слой стороны анода и каталитический слой стороны катода, при этом электролитическая мембрана находится между каталитическим слоем стороны анода и каталитическим слоем стороны катода,

уплотнительную часть, расположенную вдоль внешней периферии газодиффузионной мембранно-электродной пластинчатой сборки,

проточную часть из пористого тела, расположенную так, чтобы находиться напротив каталитического слоя стороны катода, и в которой протекает окисляющий газ, подаваемый к каталитическому слою стороны катода,

защитную перегородку, находящуюся между уплотнительной частью и проточной частью из пористого тела, и

первую и вторую разделительные пластины, выполненные с возможностью помещения между ними газодиффузионной мембранно-электродной пластинчатой сборки и проточной части из пористого тела, причем

уплотнительная часть, а также первая и вторая разделительные пластины имеют отверстия в местах, соответствующих друг другу,

отверстия сообщаются друг с другом при наслоении множества блоков выработки электроэнергии так, чтобы образовать выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, через который отработанный окисляющий газ выпускается из проточной части из пористого тела,

первая разделительная пластина находится в контакте с проточной частью из пористого тела, при этом

защитная перегородка, проточная часть из пористого тела и первая разделительная пластина выступают в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, ограниченный уплотнительной частью.

2. Топливный элемент по п. 1, в котором

обе поверхности того участка проточной части из пористого тела, который выступает в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, закрыты защитной перегородкой и первой разделительной пластиной.

3. Топливный элемент по п. 1, отличающийся тем, что:

один элемент из защитной перегородки и первой разделительной пластины, расположенный ниже по потоку в направлении потока отработанного окисляющего газа в выпускном коллекторе отработанного окисляющего газа, имеет меньшую величину выступа в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа, чем другой, расположенный выше по потоку относительно направления потока.

4. Топливный элемент по п. 1, в котором

проточная часть из пористого тела выступает в выпускной коллектор отработанного окисляющего газа в большей степени, чем защитная перегородка и первая разделительная пластина.

5. Топливный элемент по любому из пп. 1-4, в котором

один элемент из защитной перегородки и первой разделительной пластины, расположенный ниже по потоку в направлении потока отработанного окисляющего газа в выпускном коллекторе отработанного окисляющего газа, имеет отверстия или прорези, выполненные с возможностью сообщения между выпускным коллектором отработанного окисляющего газа и проточной частью из пористого тела.