ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2020 года по МПК H01M8/02 H01M8/258 H01M8/273 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ДАННОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Данное изобретение относится к топливному элементу.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Топливный элемент содержит сборку мембранно – электродного блока с газодиффузионными слоями, в которой мембранно - электродный блок размещен между парой газодиффузионных слоев. Газ-реагент контактирует с мембранно - электродным блоком и происходит реакция выработки электроэнергии (см. публикацию японской нерассмотренной патентной заявки № 2018-129174).

[0003] Тем не менее, если расход потока газа-реагента, огибающего сборку мембранно электродного блока с газодиффузионными слоями и не контактирующего с мембранно - электродным блоком, велик, эффективность выработки электроэнергии может быть снижена.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Задача данного изобретения заключается в том, чтобы создать топливный элемент, обладающий улучшенной эффективностью выработки электроэнергии.

[0005] Вышеназванная задача решается топливным элементом, содержащим: сборку мембранно- электродного блока с газодиффузионными слоями, в которой мембранно- электродный блок размещен между парой газодиффузионных слоев; изолирующий элемент, выполненный в форме рамки, и контактирующий с внешним краевым участком сборки мембранно- электродного блока с газодиффузионными слоями; и первый и второй разделители, между которыми размещены сборка мембранно- электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент, при этом изолирующий элемент содержит: базовый элемент, выполненный в форме рамки; и первый упругий участок, предварительно размещенный на первой поверхности базового элемента, обращенной к первому разделителю, причем модуль упругости первого упругого участка меньше, чем модуль упругости базового элемента, первый разделитель содержит: первые углубленные участки, размещенные рядом друг с другом в первом направлении, причем первый газ-реагент течет вдоль первых углубленных участков; первый внешний углубленный участок, расположенный в первом направлении от первых углубленных участков, причем первый газ-реагент течет вдоль первого внешнего углубленного участка; первый отогнутый участок, смежный с первым внешним углубленным участком и расположенный в первом направлении от первого внешнего углубленного участка, второй разделитель содержит второй отогнутый участок, причем изолирующий элемент размещен между первым и вторым отогнутыми участками, первый упругий участок содержит: первую сжимаемую область, сжатую первым отогнутым участком между первым и вторым отогнутыми участками; и первую несжимаемую область, расположенную в первом внешнем углубленном участке.

[0006] Первая несжимаемая область первого упругого участка расположена в первом внешнем углубленном участке, что уменьшает площадь поперечного сечения пути потока, определяемого первым внешним углубленным участком. Это уменьшает отношение расхода потока первого газа-реагента, текущего вдоль первого внешнего углубленного участка, к суммарному расходу потока первого газа-реагента, текущего вдоль первых углубленных участков и первого внешнего углубленного участка. Соответственно, обеспечивается расход потока первого газа-реагента, текущего вдоль первых углубленных участков, отличных от первого внешнего углубленного участка, обеспечивая, тем самым, то, что расход потока первого газа-реагента достигает мембранно- электродного блока и газ-реагент используется в реакции выработки электроэнергии. Это повышает эффективность выработки электроэнергии.

[0007] Первая несжимаемая область может иметь большую толщину, чем первая сжимаемая область, в состоянии, когда сборка мембранно -электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

[0008] Первая несжимаемая область может иметь такую же толщину, что и первая сжимаемая область, до того, как сборка мембранно -электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

[0009] Первая несжимаемая область может иметь большую толщину, чем первая сжимаемая область, до того, как сборка мембранно -электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

[0010] Первый упругий участок может быть полностью сформирован на первой поверхности базового элемента.

[0011] Первая несжимаемая область может иметь большую толщину, чем базовый элемент.

[0012] Материал первого упругого участка может включать в себя, по меньшей мере, один из резины и термопластичного эластомера.

[0013] Изолирующий элемент может содержать второй упругий участок, предварительно размещенный на второй поверхности, противоположной первой поверхности, базового элемента, причем модуль упругости второго упругого участка меньше, чем модуль упругости базового элемента, второй разделитель может содержать: вторые углубленные участки, размещенные рядом друг с другом в первом направлении, причем второй газ-реагент течет вдоль вторых углубленных участков; второй внешний углубленный участок, расположенный в упомянутом первом направлении от вторых углубленных участков, и смежный со вторым отогнутым участком и расположенный в направлении, противоположном первому направлению, причем второй газ-реагент течет вдоль второго внешнего углубленного участка; второй упругий участок может содержать: вторую сжимаемую область, сжатую вторым отогнутым участком, между первым и вторым отогнутыми участками; и вторую несжимаемую область, расположенную во втором внешнем углубленном участке.

[0014] Вторая несжимаемая область может иметь большую толщину, чем вторая сжимаемая область, в состоянии, когда сборка мембранно -электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

[0015] Вторая несжимаемая область может иметь такую же толщину, что и вторая сжимаемая область, до того, как сборка мембранно -электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

[0016] Вторая несжимаемая область может иметь большую толщину, чем вторая сжимаемая область, до того, как сборка мембранно -электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

[0017] Вторая несжимаемая область может иметь большую толщину, чем базовый элемент.

[0018] Второй упругий участок может быть полностью сформирован на второй поверхности базового элемента.

[0019] Материал второго упругого участка может включать в себя, по меньшей мере, один из резины и термопластичного эластомера.

[0020] Мембранно - электродный блок может содержать: электролитную мембрану; первый каталитический слой, сформированный на первой поверхности электролитной мембраны на стороне первого разделителя; и второй каталитический слой, сформированный на второй поверхности, противоположной первой поверхности электролитной мембраны таким образом, чтобы оставить открытой краевую область второй поверхности электролитной мембраны, пара газодиффузионных слоев может содержать: первый газодиффузионный слой, соединенный с первым каталитическим слоем; и второй газодиффузионный слой, соединенный со вторым каталитическим слоем таким образом, чтобы оставить открытой упомянутую краевую область, первый разделитель может содержать первый реберный участок, смежный с первым внешним углубленным участком, расположенный в направлении, противоположном первому направлению от первого внешнего углубленного участка, и контактирующий с первым газодиффузионным слоем, и второй разделитель может содержать второй реберный участок, между которым и первым реберным участком размещены изолирующий элемент, краевая область электролитной мембраны, первый каталитический слой и первый газодиффузионный слой.

[0021] Первый упругий участок может контактировать с краевой областью, и может быть не соединен с краевой областью.

[0022] По меньшей мере часть первого реберного участка может контактировать с первым газодиффузионным слоем, и между ним и вторым реберным участком может быть размещен мембранно - электродный блок и пара газодиффузионных слоев.

ТЕХНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0023] Согласно данному изобретению возможно создать топливный элемент, который обладает улучшенной эффективностью выработки электроэнергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0024] На ФИГ. 1 представлен поэлементный вид в аксонометрии единичной ячейки топливного элемента;

На ФИГ. 2 представлен перспективный вид, иллюстрирующий рамку, МЭГС и разделитель, если смотреть вдоль направления -Z;

На ФИГ. 3 представлен вид в поперечном разрезе единичной ячейки, соответствующий линии A-A, показанной на ФИГ. 2;

На ФИГ. 4A представлен частичный вид в увеличенном масштабе ФИГ. 3, и на ФИГ. 4B представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе единичной ячейки 2 сравнительного примера;

На ФИГ. 5A представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе рамки до того, как она размещена между разделителями, и на ФИГ. 5B представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе рамки единичной ячейки согласно первому варианту осуществления в состоянии до того, как она размещена между разделителями;

На ФИГ. 6A представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе рамки единичной ячейки согласно второму варианту осуществления, и на ФИГ. 6B представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе рамки единичной ячейки согласно третьему варианту осуществления; и

На ФИГ. 7A представлен частичный вид в поперечном разрезе единичной ячейки четвертого варианта осуществления, и на ФИГ. 7B представлен частичный вид в поперечном разрезе единичной ячейки пятого варианта осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0025] [Схема конфигурации блока топливного элемента]

На ФИГ. 1 представлен поэлементный вид в аксонометрии единичной ячейки 2 батареи 1 топливных элементов. Батарея 1 топливных элементов выполнена посредством укладки в стопу единичных ячеек 2. На ФИГ. 1 изображена только одна единичная ячейка 2, и другие единичные ячейки не показаны. На ФИГ. 1 изображены направление X, направление Y и направление Z, которые ортогональны друг другу. Направление X и направление Y соответствуют, соответственно, короткому направлению и продольному направлению единичной ячейки 2, имеющей по существу прямоугольную форму. Направление Z соответствует направлению, в котором единичные ячейки 2 уложены в стопу.

[0026] Батарея 1 топливных элементов является топливным элементом на основе полимерного электролита, генерирующим электрическую энергию, используя анодный газ (например, водород) и катодный газ (например, кислород) в качестве газов-реагентов. Единичная ячейка 2 содержит: сборку 10 мембранно – электродного блока с газодиффузионными слоями (далее упоминается как МЭГС, англ. MEGA); рамку 50, имеющую форму рамки; анодный разделитель 20 и катодный разделитель 40 (далее упоминаются, как разделители). Разделитель 20, обращенный к МЭГС 10 и рамке 50, размещен в направлении –Z относительно них. Разделитель 40, обращенный к МЭГС 10 и рамке 50, размещен в направлении +Z относительно них. МЭГС 10 содержит анодный газодиффузионный слой 16a и катодный газодиффузионный слой 16c (далее упоминаются как диффузионные слои). Рамка 50 представляет собой пример изолирующего элемента. Разделители 20 и 40 представляют собой пример первого и второго разделителей.

[0027] В разделителях 20 и 40 и рамке 50 отверстия с a1 по a6 сформированы, как сквозные. Отверстия с a1 по a3 сформированы вдоль одной стороны из двух коротких сторон разделителей 20 и 40 и рамки 50, и отверстия с a4 по a6 сформированы вдоль их другой стороны. Отверстие a1 определяет катодный впускной коллектор. Отверстие a2 определяет впускной коллектор хладагента. Отверстие a3 определяет анодный выпускной коллектор. Отверстие a4 определяет анодный впускной коллектор. Отверстие a5 определяет выпускной коллектор хладагента. Отверстие a6 определяет катодный выпускной коллектор.

[0028] Поверхность разделителя 20, обращенная к МЭГС 10, сформирована с анодным участком 20A для течения потока (далее упоминается как участок для течения потока), который обеспечивает сообщение анодного впускного коллектора с анодным выпускным коллектором, и вдоль которого течет анодный газ. Другая поверхность, противоположная поверхности разделителя 20, обращенной к МЭГС 10, сформирована с участком 20B для течения потока хладагента (далее упоминается как участок для течения потока), который обеспечивает сообщение впускного коллектора хладагента с выпускным коллектором хладагента, и вдоль которого течет хладагент. Поверхность разделителя 40, обращенная к МЭГС 10, сформирована с катодным участком 40A для течения потока (далее упоминается как участок для течения потока), который обеспечивает сообщение катодного впускного коллектора с катодным выпускным коллектором, и вдоль которого течет катодный газ. Другая поверхность противоположная поверхности разделителя 40, обращенной к МЭГС 10, сформирована с участком 40B для течения потока хладагента (далее упоминается как участок для течения потока), который обеспечивает сообщение впускного коллектора хладагента с выпускным коллектором хладагента, и вдоль которого течет хладагент. Участки 20A и 20B для течения потока содержат углубления, простирающиеся в направлении Y, как продольного направления разделителя 20, и они упорядочены в направлении X. Такое же размещение применяется к участкам 40A и 40B для течения потока.

[0029] Углубления участка 20A для течения потока отступают от МЭГС 10. Аналогично этому углубления участка 40A для течения потока отступают от МЭГС 10. Участок 20B для течения потока сформирован как единое целое с участком 20A для течения потока. Участок 40B для течения потока сформирован как единое целое с участком 40A для течения потока. Разделители 20 и 40 изготовлены из материала, обладающего газоблокирующим свойством и электрической проводимостью, и представляют собой детали в форме тонкого листа, сформованные прессованием нержавеющей стали, металла, такого как титан или сплав титана.

[0030] Отогнутые участки 24 и 44 сформированы вдоль внешних краев разделителей 20 и 40, соответственно. Отогнутый участок 24 сформирован таким образом, чтобы охватывать участки 20A и 20B для течения потока и отверстия a1 по a6. Аналогично этому отогнутый участок 44 сформирован так, чтобы охватывать участки 40A и 40B для течения потока и отверстия с a1 по a6. Между отогнутыми участками 24 и 44 размещена рамка 50 для того, чтобы предотвратить утечку анодного газа и катодного газа, как будет подробно описано далее. Отогнутые участки 24 и 44 представляют собой примеры первого и второго отогнутых участков.

[0031] На ФИГ. 2 представлен перспективный вид, иллюстрирующий рамку 50, МЭГС 10 и разделитель 20, если смотреть вдоль направления -Z. Анодный газ течет из отверстия a4 через участок 20A для течения потока в направлении -Y и выходит через отверстие a3. Если смотреть сверху, каждый из диффузионных слоев 16a и 16c имеет прямоугольную форму, но диффузионный слой 16a сформирован с большими размерами в направлении плоскости XY, чем диффузионный слой 16c. На ФИГ. 2 изображены края 18c и 19c диффузионного слоя 16c и края 18a и 19a диффузионного слоя 16a. Края 18c и 19c параллельны друг другу в направлении Y и обращены друг к другу в направлении X. Края 18a и 19a параллельны друг другу в направлении Y и обращены друг к другу в направлении X. Поскольку диффузионный слой 16a больше в направлении плоскости XY, чем диффузионный слой 16c, край 18a расположен за пределами края 18c, и край 19a также расположен за пределами края 19c. Края 18a и 19a по существу параллельны друг другу в направлении, в котором простираются углубленные участки участка 20A для течения потока. Края 18c и 19c по существу параллельны друг другу в направлении, в котором простираются углубленные участки участка 40A для течения потока.

[0032] На ФИГ. 2 изображена сварочная линия L для сварки разделителя 20 и разделителя, примыкающего к разделителю 20. Сварочная линия L простирается между отогнутым участком 24 и внешним периферийным краем разделителя 20. Хотя это не показано на ФИГ. 2, сварочная линия выполнена таким образом, чтобы охватывать каждое из отверстий a1, a3, a4 и a6.

[0033] На ФИГ. 3 представлен вид в поперечном разрезе единичной ячейки 2, соответствующий линии A-A, показанной на ФИГ. 2. На ФИГ. 3 проиллюстрирован разделитель 20-a на анодной стороне другой единичной ячейки, уложенной на единичную ячейку 2 и размещенной в направлении +Z относительно единичной ячейки 2. Кроме того, на ФИГ. 3 показан разделитель 40-b на катодной стороне другой единичной ячейки, уложенной на единичную ячейку 2 и расположенной в направлении -Z относительно единичной ячейки 2. Разделители 20 и 40-b приварены друг к другу вдоль описанной выше сварочной линии L. Аналогично этому, друг с другом сварены разделители 40 и 20-a. Хотя разделитель 20-a аналогичен разделителю 20, и разделитель 40-b аналогичен разделителю 40, они обозначены разными ссылочными позициями для удобства объяснения. Дополнительно, на ФИГ. 3 изображены края 18a и 18c диффузионных слоев 16a и 16c, но не изображены края 19a и 19c. Края 19a и 19c симметричны краям 18a и 18c, соответственно, относительно плоскости YZ.

[0034] МЭГС 10 содержит диффузионные слои 16a и 16c и мембранно – электродный блок 11 (далее упоминается как МЭБ). МЭБ 11 содержит электролитную мембрану 12 и анодный каталитический слой 14a, и катодный каталитический слой 14c (далее упоминаются как каталитические слои). Каталитический слой 14a сформирован на поверхности 12a электролитной мембраны 12 на стороне разделителя 20. Каталитический слой 14c сформирован на поверхности 12c электролитной мембраны 12, противоположной поверхности 12a. Электролитная мембрана 12 представляет собой тонкую пленку твердого полимера, такую как фторированная ионообменная мембрана с высокой протонной проводимостью во влажном состоянии. Каталитические слои 14a и 14c изготовлены путем нанесения на электролитную мембрану 12 покрытия каталитическими чернилами, содержащими углеродный носитель с нанесенной платиной (Pt) или тому подобное, и иономер, обладающий протонной проводимостью. Диффузионные слои 16a и 16c изготовлены из материала, обладающего газопроницаемостью и проводимостью, например, из пористого волокнистого базового материала, такого как углеродное волокно или графитовое волокно. Диффузионные слои 16a и 16c присоединены к каталитическим слоям 14a и 14c, соответственно.

[0035] Каталитический слой 14a сформирован, по существу, полностью на поверхности 12a электролитной мембраны 12. Каталитический слой 14c сформирован в центре поверхности 12c электролитной мембраны 12, но не на периферийной области электролитной мембраны 12. Диффузионный слой 16a размещен таким образом, что его концевой участок по существу совпадает с концевым участком каталитического слоя 14a. Диффузионный слой 16c размещен таким образом, что его концевой участок по существу совпадает с концевым участком каталитического слоя 14c, или таким образом, что концевой участок диффузионного слоя 16c находится слегка за пределами границы концевого участка каталитического слоя 14c. Таким образом, периферийная область электролитной мембраны 12 является открытой. Внутренний периферийный участок рамки 50 скреплен с открытой периферийной областью электролитной мембраны 12.

[0036] [Конфигурация разделителя 20]

Будет описан разделитель 20 единичной ячейки 2. Участок 20A для течения потока разделителя 20, проиллюстрированного на ФИГ. 1 и 2, содержит углубленные участки 21 и внешний углубленный участок 23, простирающиеся в направлении Y, как проиллюстрировано на ФИГ. 3. Углубленные участки 21 размещены рядом друг с другом в направлении -X. Углубленный участок 21 обращен к диффузионному слою 16a и отступает от него в направлении -Z. Реберный участок 22, простирающийся в направлении Y, размещен между двумя смежными углубленными участками 21. Реберный участок 22 выступает в направлении +Z, контактируя с диффузионным слоем 16a. Углубленный участок 21 и реберный участок 22, смежные друг с другом, имеют общий участок боковой стенки.

[0037] Внешний углубленный участок 23 размещен в направлении -X относительно углубленных участков 21. Внешний углубленный участок 23 перекрывает диффузионный слой 16a и рамку 50 и отступает в направлении -Z от диффузионного слоя 16a и рамки 50. Внешний углубленный участок 23 расположен на наиболее удаленной внешней стороне, размещенной в направлении -X, среди углубленных участков, образующих участок 20A для течения потока, через который течет анодный газ. Внешний углубленный участок 23 и реберный участок 22, смежные друг с другом, имеют общую боковую стенку.

[0038] Отогнутый участок 24 является смежным с внешним углубленным участком 23 и размещен в направлении -X от него, и простирается вдоль внешнего углубленного участка 23. Отогнутый участок 24 выступает в направлении +Z так, что между ним и отогнутым участком 44 разделителя 40 зажата рамка 50. Величина выступа отогнутого участка 24 в направлении +Z больше, чем таковая реберного участка 22 в направлении +Z. Отогнутый участок 24 и внешний углубленный участок 23, смежные друг с другом, имеют общий участок боковой стенки. Краевой участок 25 является смежным с отогнутым участком 24 и размещен в направлении -X относительно него, и отступает в направлении -Z от рамки 50.

[0039] Анодный газ течет через углубленные участки 21 и внешний углубленный участок 23 в направлении -Y, то есть от передней стороны к задней стороне на ФИГ. 3. Анодный газ, частично текущий в направлении -Y в углубленном участке 21, поступает на диффузионный слой 16a, диффундирует в направлении +X и направлении -X в диффузионный слой 16a и достигает каталитического слоя 14a. Когда анодный газ достигает каталитического слоя 14a, реакция окисления водорода анодного газа ускоряется. При этом край 18a диффузионного слоя 16a расположен во внешнем углубленном участке 23. Следовательно, анодный газ, частично текущий во внешнем углубленном участке 23, течет, в частности, между краем 18a диффузионного слоя 16a и общим участком боковой стенки внешнего углубленного участка 23, и отогнутым участком 24, обращенным к краю 18a, а затем проходит через МЭГС 10, не достигая каталитического слоя 14a. Как проиллюстрировано на ФИГ. 3, полость Fa для течения потока окружена внешним углубленным участком 23, рамкой 50, диффузионным слоем 16a, внешним краем каталитического слоя 14a и внешним краем электролитной мембраны 12.

[0040] [Конфигурация разделителя 40]

Будет описан разделитель 40 единичной ячейки 2. Участок 40A для течения потока разделителя 40, проиллюстрированного на ФИГ. 1, содержит углубленные участки 41 и внешний углубленный участок 43, простирающиеся в направлении Y, как проиллюстрировано на ФИГ. 3. Углубленные участки 41 размещены рядом друг с другом в направлении -X. Углубленный участок 41 отступает в направлении +Z от диффузионного слоя 16c. Реберный участок 42, простирающийся в направлении Y, размещен между двумя смежными углубленными участками 41. Реберный участок 42 простирается в направлении -Z, контактируя с диффузионным слоем 16c. Углубленный участок 41 и реберный участок 42, смежные друг с другом, имеют общий участок боковой стенки.

[0041] Внешний углубленный участок 43 размещен в направлении -X относительно углубленных участков 41. Внешний углубленный участок 43 перекрывает диффузионный слой 16c и рамку 50 и отступает в направлении +Z от диффузионного слоя 16c и рамки 50. Внешний углубленный участок 43 размещен на наиболее удаленной внешней стороне в направлении -X среди углубленных участков, образующих участок 40A для течения потока, через который течет анодный газ. Внешний углубленный участок 43 и реберный участок 42, смежные друг с другом, имеют общий участок боковой стенки.

[0042] Отогнутый участок 44 является смежным с внешним углубленным участком 43 и размещен в направлении -X от него, и простирается вдоль внешнего углубленного участка 43. Отогнутый участок 44 выступает в направлении -Z так, что между ним и отогнутым участком 24 разделителя 20 размещена рамка 50. Величина выступа отогнутого участка 44 в направлении -Z больше, чем таковая реберного участка 42 в направлении -Z. Отогнутый участок 44 и внешний углубленный участок 43, смежные друг с другом, имеют общий участок боковой стенки. Краевой участок 45 является смежным с отогнутым участком 44 и размещен в направлении -X относительно него, и отступает в направлении +Z от рамки 50.

[0043] Катодный газ течет через углубленные участки 41 и внешний углубленный участок 43 в направлении +Y, то есть от задней стороны к передней стороне на ФИГ. 3. Как и анодный газ, катодный газ, частично текущий в направлении +Y в углубленных участках 41, поступает на диффузионный слой 16c, диффундирует в направлении +X и направлении -X в диффузионный слой 16c и достигает каталитического слоя 14c. Когда катодный газ достигает каталитического слоя 14c, реакция восстановления кислорода катодного газа ускоряется. При этом край 18c диффузионного слоя 16c расположен во внешнем углубленном участке 43. Следовательно, катодный газ, частично текущий во внешнем углубленном участке 43, течет, в частности, между краем 18c диффузионного слоя 16c и общим участком боковой стенки внешнего углубленного участка 43, и отогнутого участка 44, обращенного к краю 18c, и проходит через МЭГС 10, не достигая каталитического слоя 14c. Полость Fc для течения потока окружена внешним углубленным участком 43, рамкой 50, диффузионным слоем 16c, каталитическим слоем 14c и внешним краем электролитной мембраны 12.

[0044] Углубленный участок 21, внешний углубленный участок 23, и краевой участок 25 разделителя 20 контактируют с углубленным участком 41, внешним углубленным участком 43 и краевым участком 45 разделителя 40-b, соответственно. Реберный участок 22 и отогнутый участок 24 разделителя 20, соответственно, обращены к реберному участку 42 и отогнутому участку 44 разделителя 40-b и размещены в направлении Z от них. Охлаждающая вода течет в полости, окруженной реберным участком 22 разделителя 20 и реберным участком 42 разделителя 40-b. Охлаждающая вода и газ-реагент не текут в полости, окруженной отогнутым участком 24 разделителя 20 и отогнутым участком 44 разделителя 40-b. Краевой участок 25 разделителя 20 и краевой участок 45 разделителя 40-b сварены друг с другом вдоль вышеописанной сварочной линии L. Углубленный участок 41, внешний углубленный участок 43 и краевой участок 45 разделителя 40 контактируют с углубленным участком 21, внешним углубленным участком 23 и краевым участком 25 разделителя 20-a, соответственно. Реберный участок 42 и отогнутый участок 44 разделителя 40, соответственно, обращены к реберному участку 22 и отогнутому участку 24 разделителя 20-a и размещены в направлении Z от них. Охлаждающая вода течет в полости, окруженной реберным участком 42 разделителя 40 и реберным участком 22 разделителя 20-a. Охлаждающая вода и газ-реагент не текут в полости, окруженной отогнутым участком 44 разделителя 40 и отогнутым участком 24 разделителя 20-a. Краевой участок 25 разделителя 20-a и краевой участок 45 разделителя 40 сварены друг с другом вдоль вышеописанной сварочной линии L. Сварку разделителей 20 и 40-b и сварку разделителей 40 и 20-a осуществляют предварительно, до того, как единичные ячейки 2 укладывают в стопу в виде батареи 1 топливных элементов. Разделители 20 и 40-b соединены друг с другом посредством сварки, но без ограничения данным способом соединения, и разделители 40 и 20-a соединены друг с другом посредством сварки, но без ограничения данным способом соединения. Они могут быть соединены посредством склеивания.

[0045] [Конфигурация рамки 50]

Рамка 50 содержит базовый элемент 51 и упругие участки 52 и 53. Базовый элемент 51 представляет собой тонкий лист, имеющий по существу равномерную толщину, и его изготавливают из синтетической смолы. Например, синтетическая смола представляет собой любую из группы полиэтилентерефталата (ПЭТ), полибутиленнафталата (ПБН), полифениленсульфида (ПФС), полиэфиримида (ПЭИ), полиэтиленсукцината (ПЭС), полифениленсульфона (ПФСУ), полисульфона (ПСУ), полипропилена (ПП), полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы (ПЭСММ), синдиотактического полистирола (СПС), циклоолефинового сополимера (ЦОС). Упругие участки 52 и 53 сформированы в форме тонкого листа, и они обладают упругостью. Конкретнее, каждый материал упругих участков 52 и 53 включает, по меньшей мере, одно из резины и термопластичного эластомерного полимера, и может представлять собой, например, пенорезину, не вспененную резину, или смесь резины и термопластичного эластомерного полимера. Упругие участки 52 и 53 имеют одинаковые форму, размер и материал, но обозначены разными ссылочными позициями для удобства объяснения. Упругий участок 52 создан заранее на поверхности 51a, на стороне разделителя 20 базового элемента 51. Упругий участок 53 выполнен предварительно на поверхности 51c, противоположной поверхности 51a базового элемента 51. Модуль упругости каждого из упругих участков 52 и 53 меньше, чем таковой у базового элемента 51. Каждый из упругих участков 52 и 53 значительно легче упруго деформируется, чем базовый элемент 51. Упругие участки 52 и 53 не содержат связующего компонента, но могут содержать адгезивный компонент. Упругий участок 52 рамки 50 соединен с периферийной областью электролитной мембраны 12. Упругие участки 52 и 53 представляют собой примеры первого и второго упругих участков.

[0046] На ФИГ. 4A представлен частичный вид в увеличенном масштабе из ФИГ. 3. Упругий участок 52 содержит несжимаемую область 523 и сжимаемую область 524. Сжимаемая область 524 сжата в направлении +Z и упруго деформирована отогнутым участком 24. Упругая восстанавливающая сила сжимаемой области 524, действующая между сжимаемой областью 524 и отогнутым участком 24, обеспечивает герметичность между рамкой 50 и отогнутым участком 24, что предотвращает утечку анодного газа из внешнего углубленного участка 23 наружу. Несжимаемая область 523 расположена в направлении +X от сжимаемой области 524 и находится во внешнем углубленном участке 23, и не является сжатой. Поскольку сжимаемая область 524 сжата, толщина T1 несжимаемой области 523 в направлении Z превышает толщину T2 сжимаемой области 524 в направлении Z.

[0047] Аналогично, упругий участок 53 содержит сжимаемую область 534 и несжимаемую область 533. Сжимаемая область 534 сжата в направлении -Z и упруго деформирована отогнутым участком 44. Упругая восстанавливающая сила сжимаемой области 534, действующая между сжимаемой областью 534 и отогнутым участком 44, обеспечивает герметичность между рамкой 50 и отогнутым участком 44, что предотвращает утечку катодного газа из внешнего углубленного участка 43 наружу. Несжимаемая область 533 расположена в направлении +X от сжимаемой области 534 и находится в во внешнем углубленном участке 43, и не является сжатой. Поскольку сжимаемая область 534 сжата, толщина T3 несжимаемой области 533 в направлении Z превышает толщину T4 сжимаемой области 534 в направлении Z.

[0048] [Конфигурация сравнительного примера]

На ФИГ. 4B представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе единичной ячейки 2x сравнительного примера. В сравнительном примере одинаковые компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и избыточное описание опущено. ФИГ. 4B соответствует ФИГ. 4A. В рамке 50x единичной ячейки 2x сравнительного примера упругие участки 52 и 53 отсутствуют, но предусмотрен уплотнитель 24x между базовым элементом 51 и отогнутым участком 24, и уплотнитель 44x предусмотрен между базовым элементом 51 и отогнутым участком 44. Уплотнители 24x и 44x сжаты и упруго деформированы отогнутыми участками 24 и 44, соответственно. Каждый из уплотнителей 24x и 44x сформирован в форме тонкой пластины, и изготовлен из резины. Уплотнители 24x и 44x присоединены заранее к плоским верхним участкам внешних поверхностей отогнутых участков 24 и 44, соответственно. В сравнительном примере на ФИГ. 4B толщины T2 и T4 уплотнителей 24x и 44x в направлении Z показаны, как равные толщинам T2 и T4 сжимаемой области 524 и сжимаемой области 534, соответственно, согласно вышеописанному варианту осуществления изобретения. Дополнительно, в сравнительном примере полость Fax для течения потока окружена внешним углубленным участком 23, рамкой 50x, диффузионным слоем 16a, каталитическим слоем 14a и электролитной мембраной 12, а полость Fcx для течения потока окружена внешним углубленным участком 43, рамкой 50x, диффузионным слоем 16c, каталитическим слоем 14c и электролитной мембраной 12.

[0049] [Подробное описание конфигурации настоящего варианта осуществления изобретения]

В настоящем варианте осуществления изобретения несжимаемая область 523 упругого участка 52 расположена во внешнем углубленном участке 23. Однако, в сравнительном примере уплотнитель 24x не простирается во внешний углубленный участок 23. Следовательно, площадь поперечного сечения, перпендикулярного направлению Y, в котором простирается внешний углубленный участок 23, полости Fax для течения потока в сравнительном примере (далее площадь поперечного сечения полости для течения потока означает площадь поперечного сечения, перпендикулярного направлению, в котором простирается внешний углубленный участок, полости для течения потока) больше, чем площадь поперечного сечения полости Fa для течения потока в настоящем варианте осуществления изобретения.

[0050] Здесь, в частности, площадь поперечного сечения также велика, как полость Fax для течения потока, что увеличивает отношение расхода потока анодного газа, текущего через полость Fax для течения потока, к суммарному расходу потока анодного газа, подаваемого на единичную ячейку 2x. Это увеличивает расход потока анодного газа, текущего вдоль края 18a диффузионного слоя 16a в полости Fax для течения потока, не подаваемого на каталитический слой 14a и не участвующего в реакции выработки электроэнергии. Более того, это уменьшает расход потока анодного газа, который изначально может поступать на каталитический слой 14a из внутреннего пространства углубленных участков 21 через диффузионный слой 16a и может быть использован в реакции выработки электроэнергии, и, следовательно, эффективность выработки электроэнергии может снизиться. Чтобы подавить такое снижение эффективности выработки электроэнергии, требуется увеличить расход потока анодного газа, подаваемого в батарею 1 топливных элементов. Это может ухудшить расход топлива. Кроме того, в системе, в которой циркуляционный насос обеспечивает повторную циркуляцию отходящего анодного газа к батарее 1 топливных элементов, это может увеличивать потребление энергии циркуляционным насосом для увеличения объема циркуляции.

[0051] В настоящем варианте осуществления изобретения площадь поперечного сечения полости Fa для течения потока мала. Это уменьшает отношение расхода потока анодного газа, текущего через полость Fa для течения потока, к суммарному расходу потока анодного газа, подаваемого на единичную ячейку 2, что обеспечивает расход потока анодного газа, используемого в реакции выработки электроэнергии. Таким образом, анодный газ, подаваемый на единичную ячейку 2, эффективно используется, так что эффективность выработки электроэнергии повышается, также становится более эффективным и расход топлива. Более того, это снижает потребление энергии в случае, когда циркуляционный насос обеспечивает повторную циркуляцию отходящего анодного газа к батарее 1 топливных элементов.

[0052] Подобно этому, например, когда площадь поперечного сечения также велика, как полость Fcx для течения потока, что увеличивает отношение расхода потока катодного газа, текущего через полость Fcx для течения потока, к суммарному расходу потока катодного газа, подаваемого на единичную ячейку 2x. Это может увеличивать расход потока катодного газа, текущего между внутренней поверхностью внешнего углубленного участка 43 и рамкой 50x в полости Fcx для течения потока, не достигающего каталитического слоя 14c и не участвующего в реакции выработки электроэнергии. Тем самым эффективность выработки электроэнергии может снижаться. Чтобы подавить такое снижение эффективности выработки электроэнергии, требуется увеличить расход потока катодного газа, подаваемого в батарею 1 топливных элементов. Это может увеличивать потребление энергии воздушного компрессора, который подает катодный газ в батарею 1 топливных элементов. В настоящем варианте осуществления изобретения площадь поперечного сечения полости Fc для течения потока мала. Это улучшает эффективность выработки электроэнергии и снижает потребление энергии воздушным компрессором.

[0053] На ФИГ. 5A представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе рамки 50 до того, как она размещена между разделителями 20 и 40. Кроме того, упругие участки 52 и 53 не сжаты в состоянии до того, как рамка 50 размещена между разделителями 20 и 40, но для удобства описания на ФИГ. 5A проиллюстрирована сжимаемая область 524 и сжимаемая область 534. В состоянии до того, как рамка 50 размещена между разделителями 20 и 40, сжимаемая область 524 и несжимаемая область 523 имеют одинаковую толщину T1. Подобно этому, сжимаемая область 534 и несжимаемая область 533 имеют одинаковую толщину T2. Каждый из упругих участков 52 и 53 имеет равномерную толщину, что облегчает изготовление рамки 50 и способствует снижению производственных затрат. Также, толщины T1 и T2 могут быть заданы с учетом допустимого сжатия.

[0054] Толщина T1 упругого участка 52 и толщина T2 упругого участка 53, описанных выше, являются, но без ограничения, по существу одинаковыми, и один может иметь большую толщину, чем другой. Например, в случае достаточного снижения потребления энергии воздушным компрессором, который подает катодный газ к батарее 1 топливных элементов, упругий участок 53 на катодной стороне может иметь большую толщину, чем упругий участок 52 на анодной стороне, и площадь поперечного сечения полости Fc для течения потока может быть насколько возможно мала. С другой стороны, в случае достаточного снижения потребления энергии циркуляционным насосом, который осуществляет повторную циркуляцию анодного газа к батарее 1 топливных элементов, упругий участок 52 может иметь большую толщину, чем упругий участок 53, и площадь поперечного сечения полости Fa для течения потока может быть насколько возможно мала.

[0055] Более того, упругие участки 52 и 53 сформированы полностью на поверхностях 51a и 51c базового элемента 51, соответственно. Это обеспечивает долговечность и жесткость всей рамки 50.

[0056] При этом, в ходе работы батареи 1 топливных элементов рамка 50 нагревается и термически расширяется из-за реакции выработки электроэнергии. Напротив, когда батарея 1 топливных элементов не эксплуатируется и находится в среде с низкой температурой, рамка 50 охлаждается и термически сжимается. Большая разность в величине термической деформации между анодной боковой поверхностью и катодной боковой поверхностью рамки 50 может приводить к воздействию силы на рамку 50, вызывая ее искривление. В данном случае, даже если рамка 50 скреплена с электролитной мембраной 12, давление на поверхность, получаемое электролитной мембраной 12 от рамки 50, может быть уменьшено в зависимости от силы адгезии, и герметичность между рамкой 50 и электролитной мембраной 12 может быть снижена. В настоящем варианте осуществления изобретения упругие участки 52 и 53 сформированы на поверхностях 51a и 51c базового элемента 51, соответственно. Это подавляет увеличение разности в величине термической деформации между анодной боковой поверхностью и катодной боковой поверхностью рамки 50 по сравнению с ситуацией, когда упругий участок предусмотрен только на одной из поверхностей 51a и 51c. Таким образом, появление вышеупомянутой проблемы предотвращается.

[0057] В настоящем варианте осуществления изобретения толщина T1 несжимаемой области 523 упругого участка 52 больше, чем толщина T2 сжимаемой области 524 в состоянии, когда МЭГС 10 и рамка 50 размещены между разделителями 20 и 40, как проиллюстрировано на ФИГ. 4A. Тем не менее, данная конфигурация не является ограничивающей. Например, толщина T1 может быть равна, либо быть меньше, чем толщина T2 в положении размещения между слоями. Пока несжимаемая область 523 находится во внешнем углубленном участке 23, площадь поперечного сечения полости Fa для течения потока в настоящем варианте осуществления изобретения уменьшена больше, чем таковая у полости Fax для течения потока в сравнительном примере, в котором такая несжимаемая область 523 отсутствует, и эффективность выработки электроэнергии повышается. Подобно этому толщина T3 несжимаемой области 533 упругого участка 53 может быть равна, либо меньше, чем толщина T4 сжимаемой области 534.

[0058] В настоящем варианте осуществления изобретения сжимаемая область 524 и несжимаемая область 523 имеют одинаковую толщину в состоянии до того, как рамка 50 размещена между разделителями 20 и 40, но конструкция не ограничена таким вариантом. Например, толщина сжимаемой области 524 может быть больше, чем толщина несжимаемой области 523 в состоянии до того, как рамка 50 размещена между разделителями 20 и 40. Это также справедливо для толщин сжимаемой области 534 и несжимаемой области 533.

[0059] [Первый вариант]

Далее будут описаны варианты осуществления изобретения. В вариантах осуществления изобретения одинаковые ссылочные позиции даны тем же компонентам, что и в случае вышеописанного варианта осуществления изобретения, и далее будут описаны данные варианты. На ФИГ. 5B представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе рамки 50a единичной ячейки 2a согласно первому варианту до того, как она размещена между разделителями 20 и 40. ФИГ. 5B соответствует ФИГ. 5A. Толщина T1a несжимаемой области 523a упругого участка 52a рамки 50a больше толщины T1 сжимаемой области 524a. Подобно этому толщина T2a несжимаемой области 533a упругого участка 53a рамки 50a больше толщины T2 сжимаемой области 534a. Таким образом, площадь поперечного сечения полости для течения потока, описанная выше, дополнительно уменьшена, и эффективность выработки электроэнергии дополнительно повышена.

[0060] В данном случае, что касается упругого элемента, такого как уплотнитель, то герметичность лучше, когда толщина меньше. В первом варианте, толщина T1 сжимаемой области 524a до сжатия меньше толщины T1a несжимаемой области 523a, и толщина T2 сжимаемой области 534a до сжатия меньше толщины T2a несжимаемой области 533a, что обеспечивает герметичность.

[0061] Каждая из толщин T1a и T2a больше толщины T0 базового элемента 51, но конструкция не ограничена таким вариантом. Более того, несжимаемая область 523a, расположенная во внешнем углубленном участке 23, может быть утолщена, как в данном варианте, и область на стороне в направлении -X от сжимаемой области 524a может иметь такую же толщину, как и сжимаемая область 524a. Подобно этому, только несжимаемая область 533a, расположенная во внешнем углубленном участке 43, может быть утолщена как описано выше, и область на стороне в направлении -X от сжимаемой области 534a может иметь такую же толщину, как и сжимаемая область 534a.

[0062] [Второй вариант]

На ФИГ. 6A представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе рамки 50b единичной ячейки 2b согласно второму варианту осуществления изобретения. ФИГ. 6A соответствует ФИГ. 4A. Рамка 50b содержит базовый элемент 51 и упругий участок 52. Для рамки 50b не предусмотрен упругий участок 53, описанный выше. Уплотнитель 44x, описанный выше, предусмотрен между базовым элементом 51 и отогнутым участком 44. Уплотнитель 44x сформирован заранее на плоском верхнем участке внешней поверхности отогнутого участка 44. Такая рамка 50b уменьшает площадь поперечного сечения полости Fa для течения потока, что приводит к эффективному использованию анодного газа в реакции выработки электроэнергии. Это повышает эффективность топлива. Более того, поскольку для рамки 50b не предусмотрен упругий участок 53, сокращается расход материала, так что затраты на производство рамки 50b сокращены. Во втором варианте осуществления изобретения упругий участок 52 представляет собой пример первого упругого участка, и разделитель 20 представляет собой пример первого разделителя. Во втором варианте осуществления изобретения упругий участок 52a первого варианта может быть использован вместо упругого участка 52. Во втором варианте осуществления изобретения толщина несжимаемой области может быть равна, либо быть меньше толщины сжимаемой области в положении размещения между слоями.

[0063] [Третий вариант]

На ФИГ. 6B представлен частичный вид в поперечном разрезе в увеличенном масштабе рамки 50c единичной ячейки 2c согласно третьему варианту осуществления. ФИГ. 6B соответствует ФИГ. 4A. Рамка 50c содержит базовый элемент 51 и упругий участок 53. Для рамки 50c не предусмотрен упругий участок 52, описанный выше. Уплотнитель 24x, описанный выше, предусмотрен между базовым элементом 51 и отогнутым участком 24. Такая рамка 50c уменьшает площадь поперечного сечения полости Fc для течения потока, что приводит к эффективному использованию катодного газа в реакции выработки электроэнергии. Это предотвращает увеличение потребления электроэнергии воздушным компрессором. Кроме того, поскольку для рамки 50c не предусмотрен упругий участок 52, сокращается расход материала, так что затраты на производство рамки 50c сокращены. В третьем варианте осуществления изобретения внутренний периферийный участок поверхности 51a базового элемента 51 непосредственно скреплен адгезивом с внешним периферийным участком электролитной мембраны 12. В третьем варианте осуществления изобретения упругий участок 53 представляет собой пример первого упругого участка и разделитель 40 представляет собой пример первого разделителя. В третьем варианте осуществления изобретения упругий участок 53a первого варианта может быть использован вместо упругого участка 53. Во третьем варианте осуществления изобретения толщина несжимаемой области может быть равна, либо быть меньше толщины сжимаемой области в состоянии размещения между слоями.

[0064] [Четвертый вариант]

На ФИГ. 7A представлен частичный вид в поперечном разрезе единичной ячейки 2d согласно четвертому варианту осуществления изобретения. ФИГ. 7A соответствует ФИГ. 3. В четвертом варианте осуществления изобретения разделители 20a, 20a-a, 40a и 40a-b использованы вместо разделителей 20, 20-a, 40 и 40-b, описанных выше. Разделители 20a и 20a-a представляют собой одинаковые элементы. Разделители 40a и 40a-b представляют собой одинаковые элементы. Реберный участок 22a разделителя 20a имеет ширину ребра в направлении -X, которая простирается практически до края 18a диффузионного слоя 16a от углубленного участка 21, смежного с реберным участком 22a. Конкретнее, реберный участок 22a простирается до области, в которой рамка 50, электролитная мембрана 12, каталитический слой 14a и диффузионный слой 16a перекрывают друг друга.

[0065] Реберный участок 42a разделителя 40a содержит контактный участок 42a1 и прижимающий участок 42a2. Контактный участок 42a1 контактирует с диффузионным слоем 16c. Прижимающий участок 42a2 расположен на стороне направления -X относительно контактного участка 42a1 и простирается в направлении -Z относительно контактного участка 42a1. Прижимающий участок 42a2 сжимает упругий участок 53 в области рамки 50, перекрывающей каталитический слой 14a и электролитную мембрану 12. Соответственно, диффузионный слой 16a, каталитический слой 14a, электролитная мембрана 12 и рамка 50 размещены в направлении Z между прижимающим участком 42a2 и реберным участком 22a. Это обеспечивает герметичность между рамкой 50 и электролитной мембраной 12. Это также обеспечивает герметичность между рамкой 50 и электролитной мембраной 12 без скрепления рамки 50 с электролитной мембраной 12. Это устраняет процесс скрепления рамки 50 с электролитной мембраной 12 во время производства, так что производственный процесс упрощается. В четвертом варианте осуществления изобретения упругий участок 52 представляет собой пример первого упругого участка, упругий участок 53 представляет собой пример второго упругого участка, реберный участок 22a представляет собой пример первого реберного участка и реберный участок 42a представляет собой пример второго реберного участка.

[0066] Более того, прижимающий участок 42a2 сжимает упругий участок 53. Это предотвращает, например, проникновение части катодного газа, текущего в диффузионном слое 16c, во внешний углубленный участок 43a из пространства между прижимающим участком 42a2 и упругим участком 53. Это приводит к эффективному использованию катодного газа, текущего в диффузионном слое 16c, что повышает эффективность выработки электроэнергии.

[0067] Более того, как в вышеописанном варианте осуществления изобретения, упругие участки 52 и 53, соответственно, предусмотрены на поверхностях 51a и 51c базового элемента 51 рамки 50. Это предотвращает искривление рамки 50 вследствии термической деформации. Это также обеспечивает герметичность между рамкой 50 и электролитной мембраной 12.

[0068] Более того, как в вышеописанном случае, упругий участок 52 не сжимается во внешнем углубленном участке 23a, и упругий участок 53 не сжимается во внешнем углубленном участке 43a. Это уменьшает площадь поперечного сечения полостей Faa и Fca для течения потока, что повышает эффективность выработки электроэнергии.

[0069] Более того, поскольку ширина реберного участка 22a больше, чем таковая реберного участка 22 в настоящем варианте осуществления изобретения, описанном выше, ширина внешнего углубленного участка 23a меньше, чем таковая внешнего углубленного участка 23 в настоящем варианте осуществления изобретения. Таким образом, площадь поперечного сечения полости Faa для течения потока меньше, чем таковая полости Fa для течения потока в настоящем варианте осуществления изобретения, что повышает эффективность выработки электроэнергии. Подобно этому ширина внешнего углубленного участка 43a меньше, чем таковая внешнего углубленного участка 43 в настоящем варианте осуществления изобретения. Таким образом, площадь поперечного сечения полости Fca для течения потока меньше площади поперечного сечения полости Fc для течения потока в настоящем варианте осуществления изобретения, что повышает эффективность выработки электроэнергии.

[0070] Более того, диффузионный слой 16a, МЭБ 11 и диффузионный слой 16c размещены между реберными участками 22a и 42a, причем каждый имеет большую ширину. Это надлежащим образом поддерживает МЭГС 10.

[0071] В четвертом варианте осуществления изобретения в зависимости от толщины рамки 50 прижимающий участок 42a2 простирается в направлении -Z относительно контактного участка 42a1, но структура не ограничена данным вариантом. Например, прижимающий участок 42a2 и контактный участок 42a1 могут иметь одинаковую величину выступания в направлении -Z. Чтобы сжать упругий участок 53 прижимающим участком 42a2 в данном случае, толщина рамки 50, исключая допуск на сжатие, может быть по существу такой же, что и суммарная толщина каталитического слоя 14c и диффузионного слоя 16c. Более того, величина выступания прижимающего участка 42a2 в направлении -Z может быть меньше таковой контактного участка 42a1. Чтобы сжать упругий участок 53 прижимающим участком 42a2 в данном случае, толщина рамки 50, исключая допуск на сжатие, может быть больше, чем суммарная толщина каталитического слоя 14c и диффузионного слоя 16c.

[0072] [Пятый вариант]

На ФИГ. 7B представлен частичный вид в поперечном разрезе единичной ячейки 2e пятого варианта осуществления изобретения. ФИГ. 7B соответствует ФИГ. 3. В пятом варианте осуществления изобретения разделители 20b, 20b-a, 40b и 40b-b использованы вместо разделителей 20, 20-a, 40 и 40-b, описанных выше. Разделители 20b и 20b-a представляют собой одинаковые элементы. Разделители 40b и 40b-b представляют собой одинаковые элементы.

[0073] Реберный участок 22b сформирован между реберным участком 22 и отогнутым участком 24 разделителя 20b. Конкретнее, реберный участок 22b является примыкающим к реберному участку 22 через углубленный участок 21b и отогнутому участку 24 через внешний углубленный участок 23b. Углубленный участок 21b является более узким, чем углубленный участок 21. Подобно этому реберный участок 42b сформирован между реберным участком 42 и отогнутым участком 44 разделителя 40b. Конкретнее, реберный участок 42b является примыкающим к реберному участку 42 через углубленный участок 41b и отогнутому участку 44 через внешний углубленный участок 43b. Углубленный участок 41b является более узким, чем углубленный участок 41.

[0074] Реберный участок 22b контактирует с диффузионным слоем 16a в области, в которой рамка 50, каталитический слой 14a и диффузионный слой 16a перекрывают друг друга в направлении Z. Подобно этому реберный участок 42b сжимает рамку 50 в области, в которой рамка 50, каталитический слой 14a и диффузионный слой 16a перекрывают друг друга в направлении Z. Соответственно, диффузионный слой 16a, каталитический слой 14a, электролитная мембрана 12 и рамка 50 размещены между реберными участками 22b и 42b.

[0075] Реберный участок 22b является более узким, чем реберный участок 22a согласно четвертому варианту, описанному выше. Это предотвращает от изгибного выступания части реберного участка 22b, контактирующей с диффузионным слоем 16a, в направлении -Z из-за противодействующего усилия, оказываемого диффузионным слоем 16a. Реберный участок 42b является более узким, чем реберный участок 42a согласно четвертому варианту, описанному выше. Это также предотвращает от изгибного выступания части реберного участка 42b, контактирующей с рамкой 50, в направлении +Z из-за противодействующего усилия, оказываемого рамкой 50. Таким образом, реберные участки 22b и 42b не являются легко деформируемыми под действием на них противодействующего усилия от диффузионного слоя 16a и рамки 50, соответственно. Таким образом, сжимающее усилие, возникающее между реберными участками 22b и 42b, смягчается применительно к находящимся между ними диффузионным слоем 16a, каталитическим слоем 14a, электролитной мембране 12 и рамке 50. Это обеспечивает герметичность между рамкой 50 и электролитной мембраной 12, что устраняет необходимость процесса скрепления рамки 50 с электролитной мембраной 12 при производстве. В пятом варианте осуществления изобретения упругий участок 52 представляет собой пример первого упругого участка, упругий участок 53 представляет собой пример второго упругого участка, реберный участок 22b представляет собой пример первого реберного участка и реберный участок 42b представляет собой пример второго реберного участка.

[0076] Кроме того, углубленный участок 41b сформирован поперек диффузионного слоя 16c и поддерживающей рамки 50. По этой причине часть катодного газа, текущая в углубленном участке 41b, достигает края каталитического слоя 14c через диффузионный слой 16c. Это предотвращает неравномерность выработки электроэнергии МЭБ 11.

[0077] Подобно четвертому варианту осуществления изобретения упругий участок 52 не сжат во внешнем углубленном участке 23b, и упругий участок 53 не сжат во внешнем углубленном участке 43b. Это уменьшает каждую площадь поперечного сечения полостей Fab и Fcb для течения потока, что повышает эффективность выработки электроэнергии. Более того, поскольку реберный участок 22b предусмотрен между реберным участком 22 и отогнутым участком 24, площадь поперечного сечения полости Fab для течения потока меньше, чем таковая полости Fa для течения потока в настоящем варианте осуществления изобретения, что повышает эффективность выработки электроэнергии. Также, площадь поперечного сечения полости Fcb для течения потока меньше, чем таковая полости Fc для течения потока в настоящем варианте осуществления изобретения, что повышает эффективность выработки электроэнергии.

[0078] Кроме того, в случае использования разделителя 40a, проиллюстрированного на ФИГ. 7A, и рамки 50b, проиллюстрированной на ФИГ. 6A, уплотнитель может быть предусмотрен между прижимающим участком 42a2 разделителя 40a и базовым элементом 51 рамки 50b. В случае использования разделителя 40b, проиллюстрированного на ФИГ. 7B, и рамки 50b, проиллюстрированной на ФИГ. 6A, уплотнитель может быть предусмотрен между реберным участком 42b разделителя 40b и базовым элементом 51 рамки 50b.

[0079] [Другие варианты]

Настоящий вариант осуществления изобретения и модификации содержат, по меньшей мере, но без ограничения этим, упругий участок, предусмотренный поверх всей поверхности базового элемента 51. Упругий участок может быть предусмотрен на части поверхности. То есть, упругий участок должен содержать только сжимаемую область, сжатую отогнутым участком, и несжимаемую область, расположенную во внешнем углубленном участке, и имеющую толщину, большую, чем толщина сжимаемой области. Например, в настоящем варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на ФИГ. 4A, упругий участок 52 может быть не предусмотрен на стороне в направлении -X относительно сжимаемой области 524, и поверхность 51a базового элемента 51 может быть открыта. Альтернативно, упругий участок 53 может быть не предусмотрен на стороне в направлении -X относительно сжимаемой области 534, и поверхность 51c базового элемента 51 может быть открыта. То же самое справедливо для первого варианта, проиллюстрированного на ФИГ. 5A, и для второго и третьего вариантов. Более того, настоящий вариант осуществления изобретения и его модификации содержат, но без ограничения этим, сжимаемую область и несжимаемую область упругого участка, сформированного на одной поверхности базового элемента 51 и предусмотренного в форме сплошного. Сжимаемая область и несжимаемая область могут быть предусмотрены по отдельности. В четвертом варианте, проиллюстрированном на ФИГ. 7A, упругий участок 53 может быть предусмотрен на отдалении от прижимающего участка 42a2, так что прижимающий участок 42a2 непосредственно сжимает поверхность 51c базового элемента 51. Это же справедливо для пятого варианта, проиллюстрированного на ФИГ. 7B.

[0080] В четвертом и пятом вариантах рамка 50 не скреплена с электролитной мембраной 12, так что процесс производства упрощается. Тем не менее, рамка 50 может быть скреплена с электролитной мембраной 12 за счет использования дополнительного адгезива.

[0081] Хотя некоторые варианты осуществления данного изобретения подробно описаны, данное изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления изобретения, но может быть видоизменено или модифицировано в пределах объема данного изобретения, изложенного в формуле изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству топливного элемента, которое может быть использовано для повышения его эффективности. Топливный элемент содержит сборку мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями, в которой мембранно-электродный блок размещен между парой газодиффузионных слоев, изолирующий элемент, сформированный в форме рамки и контактирующий с внешним периферийным участком сборки мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями, и первый и второй разделители, между которыми размещены сборка мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент. Предложенная конструкция обеспечивает снижение расхода газа-реагента огибающего указанную сборку блока. Повышение эффективности выработки электроэнергии является техническим результатом изобретения. 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Топливный элемент, содержащий:

сборку мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями, в которой мембранно–электродный блок размещен между парой газодиффузионных слоев;

изолирующий элемент, выполненный в форме рамки, и контактирующий с внешним периферийным участком сборки мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями; и

первый и второй разделители, между которыми размещены сборка мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент,

при этом

изолирующий элемент содержит:

базовый элемент, выполненный в форме рамки; и

первый упругий участок, предварительно размещенный на первой поверхности упомянутого базового элемента, обращенной к первому разделителю, причем модуль упругости первого упругого участка меньше, чем модуль упругости упомянутого базового элемента,

первый разделитель содержит:

первые углубленные участки, размещенные рядом друг с другом в первом направлении, причем первый газ-реагент течет вдоль первых углубленных участков;

первый внешний углубленный участок, расположенный в упомянутом первом направлении от первых углубленных участков, причем первый газ-реагент течет вдоль первого внешнего углубленного участка;

первый отогнутый участок, смежный с первым внешним углубленным участком и расположенный в упомянутом первом направлении от первого внешнего углубленного участка,

второй разделитель содержит второй отогнутый участок, причем упомянутый изолирующий элемент размещен между первым и вторым отогнутыми участками,

первый упругий участок содержит:

первую сжимаемую область, сжатую первым отогнутым участком, между первым и вторым отогнутыми участками; и

первую несжимаемую область, расположенную в первом внешнем углубленном участке.

2. Топливный элемент по п. 1, в котором первая несжимаемая область имеет толщину больше, чем первая сжимаемая область, в состоянии, когда сборка мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

3. Топливный элемент по п. 1, в котором первая несжимаемая область имеет толщину, равную толщине первой сжимаемой области, до того, как сборка мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

4. Топливный элемент по п. 1, в котором первая несжимаемая область имеет большую толщину, чем первая сжимаемая область, до того, как сборка мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

5. Топливный элемент по п. 1, в котором первый упругий участок полностью сформирован на первой поверхности базового элемента.

6. Топливный элемент по п. 1, в котором первая несжимаемая область имеет толщину больше, чем базовый элемент.

7. Топливный элемент по п. 1, в котором материал первого упругого участка включает, по меньшей мере, один из резины и термопластичного эластомера.

8. Топливный элемент по п. 1, в котором

упомянутый изолирующий элемент содержит второй упругий участок, предварительно размещенный на второй поверхности, противоположной первой поверхности, базового элемента, причем модуль упругости второго упругого участка меньше, чем модуль упругости базового элемента,

второй разделитель содержит:

вторые углубленные участки, размещенные рядом друг с другом в упомянутом первом направлении, причем второй газ-реагент течет вдоль вторых углубленных участков;

второй внешний углубленный участок, расположенный в упомянутом первом направлении от вторых углубленных участков, и смежный со вторым отогнутым участком, и расположенный в направлении, противоположном первому направлению, причем второй газ-реагент течет вдоль второго внешнего углубленного участка;

второй упругий участок содержит:

вторую сжимаемую область, сжатую вторым отогнутым участком, между первым и вторым отогнутыми участками; и

вторую несжимаемую область, расположенную во втором внешнем углубленном участке.

9. Топливный элемент по п. 8, в котором вторая несжимаемая область имеет толщину больше, чем вторая сжимаемая область, в состоянии, когда сборка мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

10. Топливный элемент по п. 8, в котором вторая несжимаемая область имеет толщину, равную толщине второй сжимаемой области, до того, как сборка мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

11. Топливный элемент по п. 8, в котором вторая несжимаемая область имеет толщину больше, чем вторая сжимаемая область, до того, как сборка мембранно–электродного блока с газодиффузионными слоями и изолирующий элемент размещены между первым и вторым разделителями.

12. Топливный элемент по п. 8, в котором вторая несжимаемая область имеет толщину больше, чем базовый элемент.

13. Топливный элемент по п. 8, в котором второй упругий участок полностью сформирован на второй поверхности базового элемента.

14. Топливный элемент по п. 8, в котором материал второго упругого участка включает, по меньшей мере, один из резины и термопластичного эластомера.

15. Топливный элемент по п. 1, в котором

мембранно-электродный блок содержит:

электролитную мембрану;

первый каталитический слой, сформированный на первой поверхности электролитной мембраны на стороне первого разделителя; и

второй каталитический слой, сформированный на второй поверхности, противоположной первой поверхности электролитной мембраны, таким образом, чтобы оставить открытой краевую область второй поверхности электролитной мембраны,

пара газодиффузионных слоев содержит:

первый газодиффузионный слой, соединенный с первым каталитическим слоем; и

второй газодиффузионный слой, соединенный со вторым каталитическим слоем таким образом, чтобы оставить открытой упомянутую краевую область,

первый разделитель содержит

первый реберный участок, смежный с первым внешним углубленным участком, расположенный в направлении, противоположном упомянутому первому направлению от первого внешнего углубленного участка, и контактирующий с первым газодиффузионным слоем, и

второй разделитель содержит

второй реберный участок, между которым и первым реберным участком размещены изолирующий элемент, краевая область электролитной мембраны, первый каталитический слой и первый газодиффузионный слой.

16. Топливный элемент по п. 15, в котором первый упругий участок контактирует с упомянутой краевой областью и не соединен с краевой областью.

17. Топливный элемент по п. 15, в котором, по меньшей мере, часть первого реберного участка контактирует с первым газодиффузионным слоем, и между ним и вторым реберным участком размещен мембранно-электродный блок и пара газодиффузионных слоев.