ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2019 года по МПК H01M8/02 H01M8/271 H01M8/10 

Область техники

Изобретение относится к топливному элементу.

Уровень техники

Известен топливный элемент, имеющий полимерный каркас, который помещается на внешней периферии узла мембранного электрода и располагается между парой разделителей, (см. публикацию заявки на патент Японии № 2014-063727 (JP 2014-063727 A)).

Сущность изобретения

Например, в JP 2014-063727 A, когда сквозное отверстие формируется в полимерном каркасе в диапазоне, в котором каркас располагается между разделителями, чтобы формировать канал для введения газа, как показано на фиг. 6, впускное отверстие, через которое реакционный газ вводится, может быть закрыто или заблокировано, как показано на нижнем участке на фиг. 6, если позиция полимерного каркаса относительно разделителей сдвигается вследствие ошибки изготовления, например. Следовательно, могут возникать колебания в потере давления, которые появляются, когда реакционный газ приводится к узлу мембранного электрода, и напряжение топливного элемента может становиться неустойчивым. Таким образом, желательна технология, которая может уменьшать или устранять колебание в потере давления во время введения реакционного газа в топливный элемент.

Один аспект изобретения связан с топливным элементом, имеющим генерирующую мощность основную часть, включающую в себя узел мембранного электрода, полимерный каркас, размещенный вокруг генерирующей мощность основной части, и пару разделителей, наслоенных на полимерный каркас, так, чтобы помещать между слоями генерирующую мощность основную часть и полимерный каркас. Полимерный каркас имеет патрубок на стороне полимерного каркаса, в котором реакционный газ протекает в направлении, проходящем сквозь полимерный каркас, отверстие, которое удерживает генерирующую мощность основную часть, и канал для введения газа, сформированный сквозь полимерный каркас между патрубком на стороне полимерного каркаса и отверстием. Пара разделителей имеет патрубок на стороне разделителя, через который протекает реакционный газ, и патрубок на стороне разделителя предусматривается в позиции, соответствующей патрубку на стороне полимерного каркаса, если смотреть в направлении наслоения. Канал для введения газа имеет часть для введения газа, которая проходит в патрубок на стороне разделителя, если смотреть в направлении наслоения. В топливном элементе, сконструированном таким образом, канал для введения газа, сформированный в полимерном каркасе, проходит в патрубок на стороне разделителя. Следовательно, даже когда позиция полимерного каркаса относительно разделителей сдвигается вследствие ошибки изготовления, например, впускное отверстие, через которое реакционный газ вводится, может быть предохранено от закрытия или блокирования. Соответственно, колебание в потере давления во время введения реакционного газа в топливный элемент может быть уменьшено или устранено.

По меньшей мере, пара разделителей может иметь углубленный участок в позиции, обращенной к каналу для введения газа, и длина углубленного участка в направлении потока газа в канале для введения газа может быть короче длины канала для введения газа. В топливном элементе, сконструированном таким образом, общая толщина множества топливных элементов, уложенных друг на друга вместе, может быть уменьшена на величину, соответствующую толщине углубленных участков; следовательно, может быть предотвращено избыточное увеличение толщины.

Полимерный каркас может иметь множество каналов для введения газа между патрубком на стороне полимерного каркаса и отверстием, и каждый из множества каналов для введения газа может быть вышеуказанным каналом для введения газа полимерного каркаса. Части для введения газа, по меньшей мере, для части из множества каналов для введения газа могут иметь по существу одинаковую длину. С топливным элементом, сконструированным таким образом, колебание в потере давления среди каналов для введения газа может быть уменьшено или устранено.

В топливном элементе, как описано выше, множество проточных каналов, которые предоставляют возможность реакционному газу протекать в генерирующую мощность основную часть, могут быть соединены с каналом для введения газа, между парой разделителей и полимерным каркасом, и пара разделителей может иметь канал для распределения потока, который распределяет реакционный газ, подаваемый из канала для введения газа, в проточные каналы. С топливным элементом, сконструированным таким образом, реакционный газ, вводимый из канала для введения газа, может быть распределен в большее число проточных каналов; следовательно, эффективность генерирования мощности может быть улучшена.

Настоящее изобретение может быть реализовано в различных формах. Например, изобретение может быть реализовано в форме пакета топливных элементов, которая состоит и множества топливных элементов, уложенных друг на друга, или топливного элемента, или в форме способа производства топливного элемента.

Краткое описание чертежей

Признаки, преимущества и техническое и промышленное значение примерных вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых аналогичные номера обозначают аналогичные элементы, и на которых:

Фиг. 1 - пояснительный покомпонентный вид, показывающий топливный элемент согласно одному варианту осуществления изобретения;

Фиг. 2 - укрупненный вид участка "A" с фиг. 1;

Фиг. 3 - вид в разрезе, взятом по линии III-III с фиг. 2;

Фиг. 4 - вид в разрезе, взятом по линии IV-IV с фиг. 2;

Фиг. 5 - справочный вид участка "A" с фиг. 2;

Фиг. 6 - справочный вид сечения, взятого по линии IV-IV с фиг. 2;

Фиг. 7 - укрупненный вид участка "A" с фиг. 1, показывающий первый модифицированный пример;

Фиг. 8 - вид в разрезе, взятом по линии IV-IV с фиг. 2, показывающий четвертый модифицированный пример; и

Фиг. 9 - вид в разрезе, взятом по линии IV-IV с фиг. 2, показывающий четвертый модифицированный пример.

Подробное описание вариантов осуществления

A. Вариант осуществления

Фиг. 1 представляет собой пояснительный покомпонентный вид топливного элемента 100 согласно одному варианту осуществления изобретения. Топливный элемент 100 является топливным элементом с полимерным электролитом, в который подается водород и кислород в качестве реакционных газов, и генерирует электрическую мощность. Топливный элемент 100 включает в себя генерирующую мощность основную часть 10, полимерный каркас 20, пару разделителей 40a, 40b, патрубки 31 для охлаждающей жидкости, проточные каналы 41 и каналы 42 для распределения потока.

Генерирующая мощность основная часть 10 включает в себя электролитическую мембрану (не показана), слои катализатора (не показаны), сформированные рядом с противоположными поверхностями электролитической мембраны, и газодиффузные слои (не показаны). Электролитическая мембрана является тонкой пленкой твердого полимера, которая показывает хорошую протонную проводимость, когда находится во влажном состоянии. Электролитическая мембрана предоставляется посредством ионообменной мембраны из фтористой смолы, например. Слой катализатора включает в себя катализатор, который стимулирует химическую реакцию между водородом и кислородом, и частицы углерода, которые переносят катализатор. Электролитическая мембрана и слои катализатора собираются вместе, чтобы формировать узел мембранного электрода (MEA).

Газодиффузные слои предусматриваются рядом с соответствующими поверхностями слоев катализатора. Газодиффузные слои служат для того, чтобы рассеивать реакционный газ, используемый для электродной реакции, в направлении плоскости электролитической мембраны, и формируются из пористого материала основы для диффузных слоев. В качестве материала основы диффузного слоя могут быть использованы пористые материалы основы, имеющие электропроводность и рассеиваемость газа, включающие в себя материалы основы из углеродного волокна, материалы основы из графитового волокна и пористые металлы. Электролитическая мембрана, слои катализатора и газодиффузные слои собираются вместе, чтобы формировать узел мембранного электрода и газодиффузного слоя (MEGA).

Полимерный каркас 20 является полимерным элементом в форме рамы, расположенным вокруг генерирующей мощность основной части 10. В этом варианте осуществления полиэтилентерефталат (PET) используется в качестве полимерного материала. Однако, в качестве полимерного элемента могут также быть использованы различные термопластичные полимерные элементы, такие как полипропилен и полиэтилен. Полимерный каркас 20 имеет отверстие 21 и патрубки 30a на стороне полимерного каркаса. Полимерный каркас 20 удерживает генерирующую мощность основную часть 10 в отверстии 21. Реакционный газ протекает через патрубки 30a на стороне полимерного каркаса в направлении (направлении z-оси), которое проходит через полимерный каркас 20.

Полимерный каркас 20 включает в себя множество каналов 50 для введения газа между каждым из патрубков 30a на стороне полимерного каркаса и отверстием 21. Каналы 50 для введения газа формируются через полимерный каркас 20. С каналами 50 для введения газа, сформированными таким образом через полимерный каркас 20, толщина полимерного каркаса 20, и, следовательно, толщина топливного элемента 100, может быть уменьшена, по сравнению со случаем, когда канавки формируются в поверхности полимерного каркаса 20, чтобы формировать каналы для введения газа. В другом варианте осуществления полимерный каркас 20 может иметь только один канал 50 для введения газа между каждым патрубком 30a на стороне полимерного каркаса и отверстием 21.

Вышеупомянутая пара разделителей 40a, 40b наслаиваются на полимерный каркас 20 так, чтобы размещать между собой генерирующую мощность основную часть 10, включающую в себя узел мембранного электрода, и полимерный каркас 20. Каждый из разделителей 40a, 40b формируется посредством прессования и формования металлической пластины, выполненной из нержавеющей стали, титана или их сплава, например. В этом варианте осуществления разделитель 40a является разделителем на стороне катода, а разделитель 40b является разделителем на стороне анода. В этом варианте осуществления разделитель 40a и разделитель 40b будут совокупно называться "разделителями 40". Разделители 40 имеют патрубки 30b на стороне разделителя, через которые протекает реакционный газ.

Патрубки 30b на стороне разделителя предусматриваются в позициях, соответствующих патрубкам 30a на стороне полимерного каркаса, когда рассматриваются в направлении наслоения (направлении z-оси). Соответствующие позиции, когда рассматриваются в направлении наслоения, означают по существу одинаковые позиции в направлении плоскости (направлении x-оси и направлении y-оси). В этом варианте осуществления площадь отверстия патрубка 30a на стороне полимерного каркаса больше площади отверстия патрубка 30b на стороне разделителя. В этом варианте осуществления патрубки 30a на стороне полимерного каркаса и патрубки 30b на стороне разделителя будут совокупно называться "патрубками 30". Патрубки 30 связывают полимерный каркас 20 с разделителями 40, и реакционный газ протекает через патрубки 30. Патрубки 31 для охлаждающей жидкости связывают полимерный каркас 20 с разделителями 40, и охлаждающая жидкость протекает через патрубки 31 для охлаждающей жидкости.

Проточные каналы 41 формируются между разделителями 40 и полимерным каркасом 20. Проточные каналы 41 предоставляет возможность реакционному газу протекать в генерирующую мощность основную часть 10. Каналы 42 для распределения потока распределяют реакционный газ, подаваемый из каналов 50 для введения газа, в проточные каналы 41.

Фиг. 2 является укрупненным видом участка "A" в случае, когда полимерный каркас 20 и пара разделителей 40 на фиг. 1 соединены вместе. В укрупненном виде на фиг. 2 иллюстрируются окрестности патрубков 30, через которые протекает газообразный водород. Как показано на фиг. 2, полимерный каркас 20 включает в себя части 51 для введения газа в окрестностях патрубка 30a на стороне полимерного каркаса. Части 51 для введения газа служат для введения газообразного водорода из патрубков 30 в каналы 50 для введения газа. Часть 51 для введения газа является крайним участком каждого канала 50 для введения газа, который находится ближе к патрубкам 30. Более конкретно, часть 51 для введения газа является крайним участком канала 50 для введения газа, который проходит в патрубки 30b на стороне разделителя, если смотреть в направлении наслоения (направлении z-оси) разделителей 40 на полимерном каркасе 20.

Длина L1 каждой из частей 51 для введения газа, более конкретно, расстояние от края патрубка 30b на стороне разделителя до крайнего участка 52 части 51 для введения газа, является одинаковой длиной. Длина L1 может быть определена по желанию при условии, что она больше нуля. Например, длина L1 предпочтительно определяется так, что площадь отверстия части 51 для введения газа, если смотреть в направлении наслоения (направлении z-оси) равна или меньше площади поперечного сечения канала для канала 50 для введения газа. Длина L2 от крайнего участка 52 части 51 для введения газа до края патрубка 30a на стороне полимерного каркаса может также быть определена по желанию при условии, что она больше нуля, и необязательно она препятствует потоку реакционного газа в патрубки 30. Отношение ширины W канала 50 для введения газа к расстоянию D между соседними каналами из каналов 50 для введения газа предпочтительно находится в диапазоне от 0,5 до 3,0.

Фиг. 3 является видом в разрезе, взятом по линии III-III на фиг. 2, и иллюстрирует случай, когда два или более топливных элементов 100 уложены друг на друга вместе. Между соседними элементами из топливных элементов 100 прокладка 60 предусматривается между разделителем 40a одного из топливных элементов 100 и разделителем 40b другого топливного элемента 100. В этом варианте осуществления прокладка 60 приклеивается к углубленному участку 43 разделителя 40a, предусмотренного вокруг патрубка 30b на стороне разделителя, более конкретно, углубленному участку 43, предусмотренному в позиции разделителя 40a, который обращен к каналам 50 для введения газа. Поверхность углубленного участка 43 напротив прокладки 60 приклеивается к полимерному каркасу 20. Углубленный участок 44 также формируется в разделителе 40b, и его дно приклеивается к полимерному каркасу 20. Крайние участки разделителей 40a, 40b соответственно располагаются с интервалом от полимерного каркаса 20 в направлении наслаивания (направлении z-оси) и выступают по направлению к внутренностям патрубков 30.

Прокладка 60 формируется из силиконового каучука, например. Каналы для охлаждающей жидкости, через которые протекает охлаждающая жидкость из патрубков 31 для охлаждающей жидкости, формируются между соседними элементами из топливных элементов 100, и каналы для охлаждающей жидкости герметизируются посредством прокладки 60.

Фиг. 4 является видом в разрезе, взятом по линии IV-IV на фиг. 2, и иллюстрирует случай, когда два или более топливных элементов 100 уложены друг на друга вместе. Более конкретно, вид в поперечном разрезе на фиг. 4 получается посредством разреза топливных элементов 100 вдоль одного из каналов 50 для введения газа. Длина L3 (ширина) углубленных участков 43, 44, когда измеряется в направлении потока газа в каналах 50 для введения газа, короче длины L4 каналов 50 для введения газа. Также, каждый из каналов 50 для введения газа предусматривается в позиции, противоположной нижней поверхности соответствующего углубленного участка 43.

Как указано стрелкой на фиг. 4, канал 50 для введения газа предоставляет возможность газообразному водороду протекать из патрубков 30 в генерирующую мощность основную часть 10. Более конкретно, газообразный водород протекает из патрубков 30 в каналы 50 для введения газа через части 51 для введения газа. Затем газообразный водород распределяется в соответствующие проточные каналы 41 через каналы 42 для распределения потока и подается к анодной стороне генерирующей мощность основной части 10.

Фиг. 5 является справочным видом, показывающим структуру участка "A" на фиг. 1, когда крайние участки 52 частей 51 для введения газа, более близкие к патрубкам 30 на фиг. 2, отрезаны. Другими словами, иллюстрируется структура в случае, когда длина L2 равна нулю. В этой структуре, когда реакционный газ вводится, части 51 для введения газа могут изгибаться или опадать в направлении y-оси, например, и каналы 50 для введения газа могут быть частично закрыты.

Фиг. 6 является справочным видом, показывающим структуру участка, соответствующего поперечному сечению (фиг. 4), взятому по линии IV-IV на фиг. 2, в случае, когда каналы 50 для введения газа не проходит в патрубок 30b на стороне разделителя. С этой структурой, когда позиция полимерного каркаса 20 относительно разделителей 40 сдвигается в направлении стрелки (направлении -x-оси) на фиг. 6 вследствие ошибки изготовления, например, впускное отверстие, через которое реакционный газ вводится, может быть закрыто или заблокировано, как указано на нижнем участке на фиг. 6. Следовательно, колебание в потере давления увеличивается, и напряжение может становиться неустойчивым.

По сравнению со структурами, показанными на фиг. 5 и фиг. 6, в топливном элементе 100 этого варианта осуществления, каналы 50 для введения газа, сформированные в полимерном каркасе 20, проходит в патрубки 30b на стороне разделителя; следовательно, даже когда позиция полимерного каркаса 20 относительно разделителей 40 сдвигается вследствие ошибки изготовления, например, впускное отверстие менее вероятно или маловероятно должно быть закрыто или заблокировано. Соответственно, колебание в потере давления во время введения реакционного газа в топливный элемент 100 может быть уменьшено или устранено. Также, каналы 50 для введения газа формируются между патрубком 30a на стороне полимерного каркаса и отверстием 21, и крайние участки 52 частей 51 для введения газа соединяются; следовательно, части 51 для введения газа предохраняются от частичного закрытия вследствие изгиба (опадения) частей 51 для введения газа в направлении y-оси.

Также, в этом варианте осуществления, поскольку длина L1 частей 51 для введения газа является одинаковой длиной, колебание в потере давления между каналами 50 для введения газа может быть уменьшено или устранено. Дополнительно, поскольку каналы 42 для распределения потока предусматриваются между полимерным каркасом 20 и разделителями 40, реакционный газ, вводимый из каналов 50 для введения газа, может быть распределен в большее число проточных каналов 41, и эффективность генерирования мощности может быть улучшена. С каналами 42 для распределения потока, предусмотренными таким образом, даже когда позиция полимерного каркаса 20 относительно разделителей 40 сдвигается, крайние участки каналов 50 для введения газа, ближние к разделителям 40, менее вероятно или маловероятно должны быть закрыты.

Также, в этом варианте осуществления, разделители 40a, 40b имеют соответствующие углубленные участки 43, 44; следовательно, суммарная толщина двух или более топливных элементов 100, уложенных друг на друга вместе, может быть уменьшена на величину, соответствующую толщине углубленных участков. Следовательно, может быть предотвращено избыточное увеличение толщины топливных элементов 100, уложенных друг на друга вместе. В то время как разделители 40a, 40b имеют соответствующие углубленные участки 43, 44 в этом варианте осуществления, любой разделитель из разделителя 40a и разделителя 40b может иметь углубленный участок. Также, углубленные участки 43, 44 могут быть пропущены.

В иллюстрированном варианте осуществления структура каналов 50 для введения газа на стороне, где газообразный водород втекает в генерирующую мощность основную часть 10, была описана выше. Однако, структура каналов 50 для введения газа на стороне, где газообразный кислород втекает в генерирующую мощность основную часть 10, может быть аналогичной структуре каналов 50 для введения газа, как описано выше. Также, структура каналов для выпуска газа на стороне, где реакционный газ выпускается из генерирующей мощность основной части 10, может быть аналогичной структуре каналов 50 для введения газа, как описано выше.

B. Модифицированные примеры

Первый модифицированный пример

Фиг. 7 представляет собой укрупненный вид первого модифицированного примера, соответствующий укрупненному виду (фиг. 2) участка "A", который иллюстрирует случай, когда полимерный каркас 20 и пара разделителей 40 на фиг. 1 соединены вместе. В иллюстрированном варианте осуществления каналы 50 для введения газа формируются параллельно друг другу, когда рассматриваются в направлении (направлении z-оси) наслоения разделителей 40 на полимерный каркас 20. С другой стороны, как показано на фиг. 7, каналы 50 для введения газа могут быть сформированы так, что некоторые каналы 50 размещаются в веерообразной форме относительно патрубков 30.

Второй модифицированный пример

В иллюстрированном варианте осуществления полимерный каркас 20 имеет множество каналов 50 для введения газа, и длина L1 всех частей 51 для введения газа является одинаковой длиной. С другой стороны, части 51 для введения газа некоторых из каналов 50 для введения газа могут иметь различную длину или длины.

Третий модифицированный пример

В иллюстрированном варианте осуществления топливный элемент 100 имеет каналы 42 для распределения потока, которые распределяют реактивный газ, подаваемый из каналов 50 для введения газа в проточные каналы 41. С другой стороны, топливный элемент 100 может не иметь каналов 42 для распределения потока, и каждый из каналов 50 для введения газа может быть непосредственно соединен с соответствующим каналом из проточных каналов 41.

Четвертый модифицированный пример

Фиг. 8 и фиг. 9 являются видами в поперечном разрезе для четвертого модифицированного примера, которые соответствуют виду в поперечном разрезе (фиг. 3), взятом по линии III-III на фиг. 2. В иллюстрированном варианте осуществления крайние участки разделителей 40 на периферийных кромках патрубков 30 соответственно располагаются с интервалами от полимерного каркаса 20 в направлении наслоения (направлении z-оси) и выступают по направлению к внутренностям каналов 50 для введения газа. С другой стороны, как показано на фиг. 8, крайние участки разделителей 40 на периферийных кромках патрубков 30 могут не быть расположены с интервалом от полимерного каркаса 20. Также, как показано на фиг. 9, крайние участки разделителей 40 на периферийных кромках патрубков 30 могут быть расположены с интервалом от полимерного каркаса 20 в направлении наслоения и затем соприкасаться с полимерным каркасом 20 снова, когда они проходят по направлению к патрубкам 30.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеприведенным вариантом осуществления и модифицированными примерами, но может быть реализовано с различными компоновками, без отступления от своего принципа. Например, технические признаки в варианте осуществления и модифицированных примерах, которые соответствуют техническим признакам, описанным в "сущности изобретения" выше, могут быть заменены или объединены при необходимости, так, чтобы решать проблему, как описано выше, или добиваться части или всех вышеописанных результатов. Также, технические признаки могут быть удалены при необходимости, если они не описываются как являющиеся неотъемлемые для изобретения в этой спецификации.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к топливному элементу, который включает в себя генерирующую мощность основную часть, включающую в себя узел мембранного электрода, полимерный каркас, расположенный вокруг генерирующей мощность основной части, и пару разделителей, наслоенных на полимерный каркас с тем, чтобы размещать между собой генерирующую мощность основную часть и полимерный каркас. Полимерный каркас имеет патрубок на стороне полимерного каркаса, в котором реакционный газ протекает в направлении, проходящем сквозь полимерный каркас, отверстие, которое удерживает генерирующую мощность основную часть, и канал для введения газа, сформированный сквозь полимерный каркас между патрубком на стороне полимерного каркаса и отверстием. Каждый разделитель имеет патрубок на стороне разделителя, через который реакционный газ протекает и который предусматривается в позиции, соответствующей патрубку на стороне полимерного каркаса в направлении наслоения, и канал для введения газа имеет часть для введения газа, которая проходит в патрубок на стороне разделителя, если смотреть в направлении наслоения. Стабилизация давления во время введения реакционного газа в топливный элемент, является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Топливный элемент, содержащий:

генерирующую мощность основную часть, включающую в себя узел мембранного электрода;

полимерный каркас, расположенный вокруг генерирующей мощность основной части; и

пару разделителей, наслоенных на полимерный каркас таким образом, чтобы размещать между собой генерирующую мощность основную часть и полимерный каркас,

при этом полимерный каркас имеет патрубок на стороне полимерного каркаса, в котором реакционный газ протекает в направлении, проходящем сквозь полимерный каркас, отверстие, которое удерживает генерирующую мощность основную часть, и канал для введения газа, сформированный сквозь полимерный каркас между патрубком на стороне полимерного каркаса и отверстием,

причем пара разделителей имеет патрубок на стороне разделителя, через который протекает реакционный газ, при этом патрубок на стороне разделителя расположен в позиции, соответствующей патрубку на стороне полимерного каркаса, если смотреть в направлении наслоения,

причем канал для введения газа имеет часть для введения газа, которая проходит в патрубок на стороне разделителя, если смотреть в направлении наслоения.

2. Топливный элемент по п. 1, в котором:

по меньшей мере, один из пары разделителей имеет углубленный участок в позиции, обращенной к каналу для введения газа; и

длина углубленного участка в направлении потока газа в канале для введения газа короче длины канала для введения газа.

3. Топливный элемент по п. 1 или 2, в котором:

полимерный каркас имеет множество каналов для введения газа между патрубком на стороне полимерного каркаса и отверстием, причем каждый из множества каналов для введения газа является каналом для введения газа полимерного каркаса; и

части для введения газа для, по меньшей мере, части из множества каналов для введения газа имеют по существу одинаковую длину.

4. Топливный элемент по п. 1 или 2, в котором:

множество проточных каналов, которые обеспечивают протекание реакционного газа в генерирующую мощность основную часть, соединено с каналом для введения газа между парой разделителей и полимерным каркасом; и

пара разделителей имеет канал для распределения потока, который распределяет реакционный газ, подаваемый из канала для введения газа, в проточные каналы.