ЯЧЕЙКА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2020 года по МПК H01M8/02 H01M8/1004 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к ячейке топливного элемента.

2. Раскрытие предшествующего уровня техники

[0002] В последние годы получили известность топливные элементы, генерирующие электричество за счет химической реакции между анодным газом, в частности, водородом, и катодным газом, в частности, кислородом.

[0003] Известны ячейки, входящие в состав таких топливных элементов, конфигурация которых предусматривает наличие газодиффузионного слоя и сепаратора на каждой поверхности мембранно-электродной сборки, содержащей электролитную мембрану и слои электродного катализатора, размещенные соответственно на обеих поверхностях электролитной мембраны.

[0004] Японский патент № 5681792 раскрывает структуру ячейки топливного элемента, в которой смоляной каркасный элемент установлен таким образом, чтобы окружать мембранно-электродную сборку, и этот каркасный элемент частично сплавлен с газодиффузионным слоем для крепления мембранно-электродной сборки и смоляного каркасного элемента друг к другу.

[0005] В японской патентной заявке № 2016-162649 (JP 2016-162649 A) раскрыта структура ячейки топливного элемента, в которой мембранно-электродная сборка и несущий каркас прикреплены друг к другу связующим слоем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Авторы данного изобретения обнаружили, что ячейки топливных элементов, раскрытые в японском патенте № 5681792 и патентной заявке JP 2016-162649 A, могут приходить в негодность, поскольку внутренняя структура ячеек топливных элементов, например, мембранно-электродная сборка или газодиффузионный слой растрескивается и/или разрушается во время изготовления ячеек топливных элементов, изготовления батареи топливных элементов путем установки нескольких ячеек топливных элементов друг на друга или эксплуатации батареи топливных элементов, то есть выработки электрической энергии.

[0007] Эта проблема детально раскрыта ниже.

[0008] Конструкция ячеек топливных элементов, раскрытых в японском патенте № 5681792 и патентной заявке JP 2016-162649 A, предусматривает конструкцию, в которой несущий каркас крепится к мембранно-электродной сборке посредством связующего слоя.

[0009] Если ячейка топливного элемента имеет такую конструкцию, то при изготовления ячейки топливного элемента или батареи топливных элементов, получаемой путем установки нескольких ячеек топливных элементов друг на друга, на несущий каркас и мембранно-электродную сборку в направлении плоскости ячейки топливного элемента может воздействовать нагрузка, смещающая их в направлении друг к другу или друг от друга.

[0010] При эксплуатации ячейки топливного элемента температура компонентов внутри ячейки топливного элемента изменяется под воздействием вырабатываемого тепла. Если несущий каркас и газодиффузионный слой имеют разные коэффициенты термического расширения, например, если несущий каркас изготовлен из смоляного листа, а газодиффузионный слой изготовлен из нетканого материала из углеродного волокна или аналогичного материала, то соотношение между взаимным расположением концевого участка несущего каркаса, обращенного к газодиффузионному слою, и мембранно-электродной сборки, закрепленной на газодиффузионном слое, может изменяться под воздействием тепла, выделяемого при эксплуатации ячейки топливного элемента. Это изменение может сопровождаться напряжением, воздействующим на несущий каркас и мембранно-электродную сборку в направлении плоскости ячейки топливного элемента таким образом, чтобы они смещались друг от друга или друг к другу.

[0011] Это может привести к тому, что мембранно-электродная сборка, обладающая относительно низкой прочностью, может разрушиться вследствие растяжения в направлении плоскости ячейки топливного элемента, то есть в направлении концевого участка ячейки топливного элемента, или сжаться с образованием складок вследствие сжатия в направлении плоскости ячейки топливного элемента, то есть в направлении к центру ячейки топливного элемента.

[0012] Если принять конфигурацию, в которой имеет место зазор между несущим каркасом и газодиффузионным слоем, как раскрыто в патентной заявке JP 2016-162649 A, участок ячейки топливного элемента, на котором находится этот зазор, то есть участок, на котором подвергается воздействию мембранно-электродная сборка, может деформироваться в направлении толщины и разрушаться вследствие разности в давлении газов между стороной катода и стороной анода во время эксплуатации ячейки топливного элемента.

[0013] Более того, поскольку сепаратор и газодиффузионный слой не закреплены друг относительно друга, то, например, когда к ячейке топливного элемента снаружи прикладывают нагрузку, и ячейка топливного элемента искривляется в направлении плоскости, между сепаратором и газодиффузионным слоем происходит смещение, выражающееся в перемещении газодиффузионного слоя относительно сепаратора в направлении плоскости, то есть в направлении к концевому участку или центру ячейки топливного элемента, следствием чего может стать разрушение мембранно-электродной сборки, обладающей относительно низкой прочностью.

[0014] Газодиффузионные слои, используемые для ячеек топливных элементов в целом, иногда изготавливаются из электропроводящего пористого материала, в частности, нетканого полотна из углеродного волокна. Некоторые газодиффузионные слои, изготовленные из такого материала, имеют шероховатый концевой участок, на котором, например, углеродные волокна расположены хаотично.

[0015] Когда используется такой газодиффузионный слой и применена конфигурация, в которой газодиффузионный слой уложен непосредственно на первую поверхность мембранно-электродной сборки, за исключением внешнего периферийного краевого участка мембранно-электродной сборки, как раскрыто в японском патенте №. 5681792 и патентной заявке JP 2016-162649 A, шероховатый концевой участок газодиффузионного слоя, например, участок на котором углеродные волокна расположены хаотично, может врезаться в мембранно-электродную сборку и повредить ее, а в дальнейшем может привести к разрыву и/или разрушению мембранно-электродной сборки в той части, в которой концевой участок газодиффузионного слоя и мембранно-электродная сборка соприкасаются друг с другом.

[0016] В случае повреждения мембранно-электродной сборки поврежденная часть становится хрупкой и может привести к разрыву и/или разрушению мембранно-электродной сборки. Разрыв и/или разрушение мембранно-электродной сборки может привести к короткому замыканию внутри ячейки топливного элемента.

[0017] Таким образом, необходимо дополнительно повысить прочность ячеек топливных элементов.

[0018] Настоящее изобретение обеспечивает создание ячейки топливного элемента, обладающей высокой механической прочностью.

[0019] Авторами настоящего изобретения выявлены следующие решения, позволяющие решить поставленную задачу:

Первый аспект

Ячейка топливного элемента, содержащая:

(I) блок электродов, содержащий

(a) мембранно-электродную сборку, в которой слои электродного катализатора уложены соответственно на обе поверхности электролитного слоя,

(b) первый газодиффузионный слой, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы внешний периферийный краевой участок первого газодиффузионного слоя выступал от первой поверхности мембранно-электродной сборки, и

(c) второй газодиффузионный слой, уложенный на вторую поверхность мембранно-электродной сборки;

(II) несущий каркас, размещенный на удалении от мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы окружать мембранно-электродную сборку;

(III) первый сепаратор, уложенный на сторону блока электродов, на которой расположен первый газодиффузионный слой, в контакте с первым газодиффузионным слоем и закрепленный на несущем каркасе; и

(IV) второй сепаратор, уложенный на сторону блока электродов, на которой расположен второй газодиффузионный слой, в контакте со вторым газодиффузионным слоем и закрепленный на несущем каркасе,

причем в первой части ячейки топливного элемента:

ячейка топливного элемента содержит связующий слой;

между мембранно-электродной сборкой и частью первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку и упомянутую часть; и

между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, между несущим каркасом и первым сепаратором и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом несущий каркас и внешний периферийный краевой участок или сепаратор.

Второй аспект

В ячейке топливного элемента согласно первому аспекту несущий каркас может быть размещен между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и вторым сепаратором в направлении толщины ячейки топливного элемента.

Третий аспект

В ячейке топливного элемента согласно первому аспекту несущий каркас может быть размещен на удалении от первого газодиффузионного слоя так, чтобы окружать первый газодиффузионный слой.

Четвертый аспект

Во второй части ячейки топливного элемента согласно второму или третьему аспекту:

второй сепаратор может содержать канал для газа-реагента;

вторая закрывающая пластина может быть размещена между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем, между вторым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, а также между вторым сепаратором и несущим каркасом;

между мембранно-электродной сборкой и частью первого газодиффузионного слоя с внутренней стороны от внешнего периферийного краевого участка может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку и упомянутую часть;

между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и второй закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединенный со второй закрывающей пластиной;

между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, между несущим каркасом и первым сепаратором и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом несущий каркас и внешний периферийный краевой участок или сепаратор; и

связующий слой тем самым может быть отделен от канала для газа-реагента во втором сепараторе.

Пятый аспект

Во второй части ячейки топливного элемента согласно четвертому аспекту:

первый сепаратор может также содержать канал для газа-реагента;

первая закрывающая пластина может быть размещена между первым сепаратором и первым газодиффузионным слоем и между первым сепаратором и несущим каркасом;

между несущим каркасом и первой закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом эти части; и

связующий слой тем самым может быть отделен от канала для газа-реагента в первом сепараторе.

[0020] Настоящим изобретением предложена ячейка топливного элемента, обладающая высокой механической прочностью.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0021] Отличительные признаки, преимущества, техническая и промышленная значимость примеров осуществления настоящего изобретения раскрыты ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых одинаковые обозначения относятся к одинаковым элементам:

На ФИГ. 1 схематично изображена ячейка 100 топливного элемента, вид со стороны первого сепаратора 30;

На ФИГ. 2 в разрезе изображена ячейка 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1;

На ФИГ. 3 в разрезе изображена ячейка 100b топливного элемента согласно второму варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1;

На ФИГ. 4 в разрезе изображена ячейка 100с топливного элемента согласно третьему варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1;

На ФИГ. 5 в разрезе изображена ячейка 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1;

На ФИГ. 6 в разрезе изображена ячейка 100e топливного элемента согласно пятому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии азреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1;

На ФИГ. 7 в разрезе изображена ячейка 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1;

На ФИГ. 8 в разрезе изображена ячейка 100' топливного элемента, не являющаяся вариантом осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1;

На ФИГ. 9 схематично изображена ячейка 100g топливного элемента согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения, вид со стороны первого сепаратора 30;

На ФИГ. 10 в разрезе изображена ячейка 100g топливного элемента согласно седьмому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза II-II' на ФИГ. 9;

На ФИГ. 11 в разрезе изображена ячейка 100h топливного элемента согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9;

На ФИГ. 12 в разрезе изображена ячейка 100i топливного элемента согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9;

На ФИГ. 13 в разрезе изображена ячейка 100j топливного элемента согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9;

На ФИГ. 14 в разрезе изображена ячейка 100k топливного элемента согласно одиннадцатому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9; и

На ФИГ. 15 в разрезе изображена ячейка 100l топливного элемента согласно двенадцатому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Варианты осуществления настоящего изобретения будут детально раскрыты ниже. Настоящее изобретение не ограничивается нижеследующими вариантами осуществления и может быть реализовано с различными изменениями, вносимыми в него в рамках сущности изобретения.

[0023] Ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению содержит следующие компоненты:

(I) блок электродов, содержащий

(a) мембранно-электродную сборку, в которой слои электродного катализатора уложены соответственно на обе поверхности электролитного слоя,

(b) первый газодиффузионный слой, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы его внешний периферийный краевой участок выступал от первой поверхности мембранно-электродной сборки, и

(c) второй газодиффузионный слой, уложенный на вторую поверхность мембранно-электродной сборки;

(II) несущий каркас, размещенный на удалении от мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы он окружал мембранно-электродную сборку;

(III) первый сепаратор, уложенный на сторону блока электродов, на которой расположен первый газодиффузионный слой, в контакте с первым газодиффузионным слоем и прикрепленный к несущему каркасу; и

(IV) второй сепаратор, уложенный на сторону блока электродов, на которой расположен второй газодиффузионный слой, в контакте со вторым газодиффузионным слоем и прикрепленный к несущему каркасу.

[0024] В первой части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: ячейка топливного элемента дополнительно содержит связующий слой; между мембранно-электродной сборкой и частью первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку и упомянутую часть; между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, между несущим каркасом и первым сепаратором и / или между несущим каркасом и вторым сепаратором предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом несущий каркас и внешний периферийный краевой участок или сепаратор.

[0025] Если явно не указано иное, фразы, ссылающиеся на отношения между двумя элементами, например, «между мембранно-электродной сборкой и частью первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка», «между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя», «между несущим каркасом и первым сепаратором» и «между несущим каркасом и вторым сепаратором», означают пространство между этими двумя элементами в направлении толщины ячейки топливного элемента.

[0026] То, что несущий каркас «размещен на удалении от мембранно-электродной сборки, таким образом, чтобы окружать мембранно-электродную сборку» означает, что несущий каркас размещен таким образом, чтобы окружать мембранно-электродную сборку, не соприкасаясь с мембранно-электродной сборкой, в направлении плоскости ячейки топливного элемента.

[0027] В качестве более конкретной конфигурации, например, несущий каркас может быть размещен на удалении от мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы окружать мембранно-электродную сборку, и может быть размещен между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и вторым сепаратором в направлении толщины ячейки топливного элемента.

[0028] Кроме того, например, несущий каркас может быть размещен на удалении от первого газодиффузионного слоя таким образом, чтобы окружать первый газодиффузионный слой, в направлении плоскости ячейки топливного элемента.

Первая часть

[0029] Поскольку расположение первой части в ячейке топливного элемента согласно настоящему изобретению, по существу, не ограничено, первая часть может быть расположена, например, на внешнем периферийном краевом участке ячейки топливного элемента. Точнее говоря, первая часть может быть расположена на участке, соответствующем участку ячейки топливного элемента, на котором проходит разрез I-I' на ФИГ. 1.

[0030] В первой части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: ячейка топливного элемента содержит связующий слой; между мембранно-электродной сборкой и частью первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку и упомянутую часть; и между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, между несущим каркасом и первым сепаратором и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом несущий каркас и внешний периферийный краевой участок или сепаратор.

[0031] Если ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет конструкцию, в которой несущий каркас размещен между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и вторым сепаратором в направлении толщины ячейки топливного элемента, первая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению может иметь структуру, в которой между мембранно-электродной сборкой и частью первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку и упомянутую часть, а между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом несущий каркас и внешний периферийный краевой участок или сепаратор.

[0032] В этой конфигурации, первая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению может иметь структуру, в которой связующий слой соединяет друг с другом несущий каркас и первый сепаратор.

[0033] Если ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет структуру, в которой несущий каркас расположен на удалении от первого газодиффузионного слоя таким образом, чтобы окружать первый газодиффузионный слой, то первая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению может иметь структуру, в которой между мембранно-электродной сборкой и частью первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку и упомянутую часть, а между несущим каркасом и первым сепаратором и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом эти части.

[0034] Принцип, положенный в основу высокой механической прочности ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению, заключается, в частности, в следующем:

[0035] Первая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет описанную выше конфигурацию, в которой несущий каркас, в частности, его ведущую концевую часть, обращенную к мембранно-электродной сборке, соединяют с первым газодиффузионным слоем, первым сепаратором и/или вторым сепаратором посредством связующего слоя, а первый газодиффузионный слой и мембранно-электродную сборку соединяют друг с другом связующим слоем.

[0036] Таким образом, соответствие между взаимным расположением несущего каркаса и мембранно-электродной сборки изменится с меньшей вероятностью даже тогда, когда на несущий каркас и мембранно-электродную сборку в направлении плоскости ячейки топливного элемента воздействует нагрузка, смещающая их друг к другу или друг от друга во время изготовления ячейки топливного элемента или батареи топливных элементов, получаемой путем установки нескольких ячеек топливных элементов друг на друга. Кроме того, соотношение между относительными положениями несущего каркаса и мембранно-электродной сборкой будет изменяться с меньшей вероятностью даже при расширении или сжимании несущего каркаса вследствие изменения температуры при эксплуатации топливного элемента, то есть выработке электрической энергии.

[0037] Первая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет описанную выше конфигурацию, в которой обе поверхности мембранно-электродной сборки покрыты соответственно первым и вторым газодиффузионным слоем и не обнажаются в направлении толщины ячейки топливного элемента.

[0038] Таким образом, снижается вероятность деформации мембранно-электродной сборки вследствие разности в давлении газов между стороной катода и стороной анода.

[0039] Первая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет описанную выше конфигурацию, в которой несущий каркас, в частности, его ведущую концевую часть, обращенную к мембранно-электродной сборке, соединяют с первым газодиффузионным слоем, первым сепаратором и/или вторым сепаратором посредством связующего слоя, и первый газодиффузионный слой и мембранно-электродную сборку соединяют друг с другом связующим слоем.

[0040] Таким образом, соответствие между взаимным расположением в направлении плоскости ячейки топливного элемента мембранно-электродной сборки и несущим каркасом, в частности, его ведущей концевой части, обращенной к мембранно-электродной сборке, изменится с меньшей вероятностью, даже в том случае, когда, например, к ячейке топливного элемента снаружи прилагают нагрузку, и ячейка топливного элемента искривляется в направлении плоскости, то есть в направлении к концевой части или центру ячейки топливного элемента. В результате снижается нагрузка, прилагаемая к мембранно-электродной сборке в направлении плоскости, и вероятность разрушения мембранно-электродной сборки.

[0041] Кроме того, первая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет описанную выше конфигурацию, в которой внешний периферийный краевой участок первого газодиффузионного слоя выступает от первой поверхности мембранно-электродной сборки, и ведущая концевая часть первого газодиффузионного слоя не соприкасается с мембранно-электродной сборкой.

[0042] Таким образом, даже если газодиффузионный слой имеет шероховатую концевую часть, например, даже если газодиффузионный слой, выполненный из электропроводящего пористого материала, в частности, нетканого полотна из углеродных волокон, имеет концевую часть, в которой углеродные волокна расположены хаотично, маловероятно, что шероховатый конец первого газодиффузионного слоя, например, часть, в которой углеродные волокна расположены хаотично, может привести к разрыву и/или разрушению мембранно-электродной сборки за счет врезания в мембранно-электродную сборку или повреждения и последующего формирования отверстия в мембранно-электродной сборке.

[0043] По этим причинам ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению обладает высокой механической прочностью.

[0044] Этот принцип будет раскрыт более конкретно на примерах ячеек топливных элементов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения и ячейки топливного элемента, не являющейся вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0045] Сначала рассмотрим конкретные примеры ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению в случае, когда несущий каркас размещен между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и вторым сепаратором в направлении толщины ячейки топливного элемента, со ссылкой на ФИГ. 1 – ФИГ. 4.

[0046] На ФИГ. 1 схематично изображена ячейка 100 топливного элемента, вид со стороны первого сепаратора 30. На ФИГ. 1 буквами L и W обозначено продольное направление ячейки топливного элемента и направление ширины ячейки топливного элемента соответственно.

[0047] Как показано на ФИГ. 1, в ячейке 100 топливного элемента на стороне первого сепаратора 30 предусмотрены первые отверстия 10а, 10f для прохождения газа, отверстия 10b, 10e для прохождения охлаждающей жидкости, а также вторые отверстия 10c, 10d для прохождения газа.

[0048] На ФИГ. 2 в разрезе изображена ячейка 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1. На ФИГ. 2 левая сторона является стороной ближней к торцевой части в направлении плоскости ячейки топливного элемента, а правая сторона является стороной ближней к центру в направлении плоскости ячейки топливного элемента. То же самое относится к ФИГ. 3 – ФИГ. 7 и ФИГ. 10 – ФИГ. 15.

[0049] Как показано на ФИГ. 2А, ячейка 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления содержит блок 20 электродов. Блок 20 электродов содержит: мембранно-электродную сборку 21, в которой слои 21q, 21r электродного катализатора уложены соответственно на обе поверхности электролитного слоя 21p; первый газодиффузионный слой 22, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки 21 таким образом, чтобы его внешний периферийный краевой участок 22a выступал вперед от первой поверхности мембранно-электродной сборки 21; и второй газодиффузионный слой 23, уложенный на вторую поверхность мембранно-электродной сборки 21.

[0050] Ячейка 100а топливного элемента в соответствии с первым вариантом данного изобретения дополнительно содержит: несущий каркас 50, расположенный на удалении от мембранно-электродной сборки 21 таким образом, чтобы окружать мембранно-электродную сборку 21; первый сепаратор 30, уложенный на сторону блока 20 электродов, на которой расположен первый газодиффузионный слой 22, в контакте с первым газодиффузионным слоем 22 и закрепленный на несущем каркасе 50; и второй сепаратор 40, уложенный на сторону блока 20 электродов, на которой расположен второй газодиффузионный слой 23, в контакте со вторым газодиффузионным слоем 23 и закрепленный на несущем каркасе 50.

[0051] В данном случае несущий каркас 50 размещен между внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 и вторым сепаратором 40 в направлении толщины ячейки 100а топливного элемента.

[0052] Согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения в первой части ячейки 100а топливного элемента имеется связующий слой 60, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку 21 и участок 22b первого газодиффузионного слоя 22 на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка. Точнее говоря, в ячейке 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения слой 21q электродного катализатора размещен на внутренней стороне внешней периферии электролитного слоя 21p, а связующий слой 60 соединяет друг с другом электролитный слой 21p и часть 22b первого газодиффузионного слоя 22 на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка. Также связующий слой 60 соединяет друг с другом несущий каркас 50 и второй сепаратор 40. Хотя это и не показано, когда концевая часть слоя 21q электродного катализатора достигает концевой части слоя 21p электролита, связующий слой 60 может соединять друг с другом слой 21q электродного катализатора и часть 22b первого газодиффузионного слоя 22 на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка. Если слой 21q электродного катализатора в этом случае пористый, то связующий слой 60 может быть наплавлен, например, на пористую часть слоя 21q электродного катализатора.

[0053] В ячейке 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления данного изобретения первый сепаратор 30 и второй сепаратор 40 закреплены на несущем каркасе 50 связующим слоем 70 отдельно от связующего слоя 60.

[0054] В первой части ячейки 100a топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения несущий каркас 50, в частности, его ведущую концевую часть, обращенную к мембранно-электродной сборке 21, соединяют со вторым сепаратором 40 посредством связующего слоя 60, а первый газодиффузионный слой 22 и мембранно-электродную сборку 21 соединяют друг с другом связующим слоем 60. Таким образом, соответствие между взаимным расположением несущего каркаса 50 и мембранно-электродной сборкой 21 с меньшей вероятностью изменится даже в том случае, когда, например, к ячейке 100а топливного элемента снаружи прилагают нагрузку в направлении плоскости, или когда несущий каркас 50 расширяется или сжимается под действием тепла, выделяемого ячейкой 100а топливного элемента, или когда ячейка 100а топливного элемента искривляется в направлении плоскости, то есть в направлении концевой части или центра ячейки 100а топливного элемента.

[0055] В ячейке 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения первый газодиффузионный слой 22 размещен на первой поверхности мембранно-электродной сборки 21 таким образом, чтобы его внешний периферийный краевой участок 22а выступал от первой поверхности мембранно-электродной сборки 21, то есть обе поверхности мембранно-электродной сборки 21 соответственно покрыты первым газодиффузионным слоем 22 и вторым газодиффузионным слоем 23 и не обнажаются в направлении толщины ячейки 100а топливного элемента. Таким образом, мембранно-электродная сборка 21 деформируется с меньшей вероятностью вследствие разности в давлении газов между стороной катода и стороной анода. Кроме того, поскольку в этой конфигурации ведущая концевая часть первого газодиффузионного слоя 22 не соприкасается с поверхностью мембранно-электродной сборки 21, вероятность того, что шероховатая концевая часть первого газодиффузионного слоя 22, например, часть, в которой углеродные волокна расположены хаотично, может привести к разрыву и/или разрушению мембранно-электродной сборки 21 за счет врезания в мембранно-электродную сборку 21 или повреждения и последующего формирования отверстия в мембранно-электродной сборке 21.

[0056] Таким образом, ячейка 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения отличается механической прочностью.

[0057] На ФИГ. 3 в разрезе изображена ячейка 100b топливного элемента согласно второму варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1.

[0058] Как показано на ФИГ. 3, ячейка 100b топливного элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения имеет ту же конфигурацию, что и ячейка 100а согласно первому варианту осуществления, показанная на ФИГ. 2, за исключением того, что несущий каркас 50 и второй сепаратор 40 не соединены друг с другом связующим слоем 60, и что несущий каркас 50, а внешний периферийный краевой участок 22а первого газодиффузионного слоя 22 соединены друг с другом связующим слоем 60.

[0059] В первой части ячейки 100b топливного элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения несущий каркас 50, в частности, его ведущая концевая часть, обращенная к мембранно-электродной сборке 21, соединена с внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 посредством связующего слоя 60, а первый газодиффузионный слой 22 и мембранно-электродная сборка 21 соединены друг с другом связующим слоем 60. Таким образом, соответствие между взаимным расположением несущего каркаса 50 и мембранно-электродной сборкой 21 менее вероятно изменится, как и в ячейке 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления.

[0060] В ячейке 100b топливного элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения конфигурация блока электродов аналогична ячейке 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, то есть мембранно-электродная сборка 21 менее подвержена разрыву и/или разрушению.

[0061] Таким образом, ячейка 100b топливного элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения отличается механической прочностью.

[0062] На ФИГ. 4 в разрезе изображена ячейка 100с топливного элемента согласно третьему варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1.

[0063] Как показано на ФИГ. 4, ячейка 100с топливного элемента согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения отличается от ячеек 100а, 100b топливного элемента согласно первому и второму варианту осуществления тем, что несущий каркас 50 закреплен на первом сепараторе 30 соединительным слоем 60, а на втором сепараторе 40 закреплен отдельным соединительным слоем 70. В остальном конфигурация ячейки 100с топливного элемента аналогична ячейке 100b топливного элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, показанной на ФИГ. 3.

[0064] Ячейка 100с топливного элемента согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения отличается высокой механической прочностью по тем же причинам, что и ячейка 100b согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, показанная на ФИГ. 3.

[0065] Ниже будут раскрыты конкретные примеры ячейки топливного элемента согласно этому варианту осуществления в случае, в котором несущий каркас расположен на удалении от первого газодиффузионного слоя таким образом, чтобы окружать первый газодиффузионный слой, со ссылкой на ФИГ. 5 – ФИГ. 7.

[0066] На ФИГ. 5 в разрезе изображена ячейка 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1.

[0067] Как показано на ФИГ. 5, ячейка 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения содержит блок 20 электродов, имеющий ту же конфигурацию, что и в ячейке 100a топливного элемента согласно первому варианту осуществления.

[0068] Ячейка 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения содержит первый сепаратор 30 и второй сепаратор 40 и аналогична ячейке 100a топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения за исключением того, что несущий каркас 50 размещен на удалении от первого газодиффузионного слоя 22 так, чтобы окружать первый газодиффузионный слой 22.

[0069] В первой части ячейки 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения несущий каркас 50, в частности, его ведущая концевая часть, обращенная к мембранно-электродной сборке 21, соединена со вторым сепаратором 40 посредством связующего слоя 60, а первый газодиффузионный слой 22 и мембранно-электродная сборка 21 соединены друг с другом связующим слоем 60. Таким образом, соответствие между взаимным расположением несущего каркаса 50 и мембранно-электродной сборки 21 с меньшей вероятностью изменится, даже в том случае, когда, например, к ячейке 100d топливного элемента снаружи прилагают нагрузку в направлении плоскости, или когда несущий каркас 50 расширяется или сжимается под действием тепла, выделяемого ячейкой 100d топливного элемента, или когда ячейка 100d топливного элемента искривляется в направлении плоскости, то есть в направлении концевой части или центра ячейки топливного элемента.

[0070] В ячейке 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения конфигурация блока электродов аналогична ячейке 100а топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, то есть мембранно-электродная сборка 21 менее подвержена разрыву и/или разрушению.

[0071] Таким образом, ячейка 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения отличается механической прочностью.

[0072] На ФИГ. 6 в разрезе изображена ячейка 100e топливного элемента согласно пятому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1.

[0073] Как показано на ФИГ. 6, ячейка 100е топливного элемента согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения отличается от ячейки 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления тем, что отдельный соединительный слой 70, соединяющий несущий каркас 50 со вторым сепаратором 40, не предусмотрен, и что вместо этого соединительный слой 60 соединяет несущий каркас 50 со вторым сепаратором 40 за счет удлинения дальше в направлении плоскости ячейки топливного элемента, то есть в сторону концевой части ячейки топливного элемента. В остальном конфигурация ячейки 100е топливного элемента аналогична ячейке 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения, показанной на ФИГ. 5.

[0074] Ячейка 100е топливного элемента согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения отличается высокой механической прочностью по тем же причинам, что и ячейка 100d согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения, показанная на ФИГ. 5.

[0075] На ФИГ. 7 в разрезе изображена ячейка 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза I-I' на ФИГ. 1.

[0076] Как показано на ФИГ. 7, ячейка 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения имеет ту же конфигурацию, что и ячейка 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления, показанная на ФИГ. 5, за исключением того, что несущий каркас 50 и второй сепаратор 40 не соединены друг с другом связующим слоем 60, а несущий каркас 50 и первый сепаратор 30 соединены друг с другом связующим слоем 60.

[0077] В первой части ячейки 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения несущий каркас 50, в частности, его ведущая концевая часть, обращенная к мембранно-электродной сборке 21, соединена с первым сепаратором 30 связующим слоем 60, а первый газодиффузионный слой 22 и мембранно-электродная сборка 21 соединены друг с другом связующим слоем 60. Таким образом, соответствие между взаимным расположением несущего каркаса 50 и мембранно-электродной сборки 21 менее вероятно изменится, как и в ячейке 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0078] В ячейке 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения конфигурация блока электродов аналогична ячейке 100d топливного элемента согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения, то есть мембранно-электродная сборка 21 менее подвержена разрыву и/или разрушению.

[0079] Таким образом, ячейка 100f топливного элемента согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения отличается механической прочностью.

[0080] Наконец, рассмотрим конкретный пример ячейки топливного элемента, не являющейся вариантом осуществления настоящего изобретения, со ссылкой на ФИГ. 8.

[0081] В ячейке 100' топливного элемента, изображенной на ФИГ. 8 и не являющейся вариантом осуществления настоящего изобретения, несущий каркас 50 и мембранно-электродная сборка 21 соединены друг с другом связующим слоем 60, однако первый сепаратор 30 и первый газодиффузионный слой 22 не соединены с несущим каркасом 50.

[0082] Таким образом, когда на несущий каркас 50 и мембранно-электродную сборку 21 в направлении плоскости, например, в направлении W ширины ячейки 100' топливного элемента воздействует нагрузка, смещающая их друг к другу или друг от друга, соответствие между взаимным расположением несущего каркаса 50 и мембранно-электродной сборки 21 изменится с большой вероятностью, что приведет к разрушению мембранно-электродной сборки 21.

[0083] Поскольку концевая часть несущего каркаса 50, обращенная к первому газодиффузионному слою 22, не соединена с первым сепаратором, соответствие между взаимным расположением концевой части несущего каркаса, обращенной к газодиффузионному слою, и мембранно-электродной сборкой, закрепленной на газодиффузионном слое, вероятно, будет изменяться под действием тепла, выделяемого при эксплуатации ячейки 100' топливного элемента, что приведет к разрушению мембранно-электродной сборки 21.

[0084] Поскольку между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21 имеется участок, где связующий слой 60 не соединен с внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21, мембранно-электродная сборка 21 может деформироваться вследствие разности давлений газов между стороной катода и стороной анода при эксплуатации ячейки топливного элемента.

[0085] Поскольку первый сепаратор 30, первый газодиффузионный слой 22 и несущий каркас 50 не соединены друг с другом связующим слоем 60, то, например, когда к ячейке 100' топливного элемента снаружи прилагают нагрузку, и ячейка 100' топливного элемента искривляется в направлении плоскости, например, в направлении W ширины к концевой части или центру ячейки 100' топливного элемента, соответствие между взаимным расположением этих элементов, вероятно, будет изменяться, что приведет к разрушению, в частности, мембранно-электродной сборки 21, отличающейся низкой прочностью.

[0086] Поскольку между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21 имеется участок, на котором связующий слой 60 не соединен с внешним периферийным краевым участком 21а мембранно-электродной сборки 21, этот участок мембранно-электродной сборки 21 может деформироваться и повреждаться вследствие разности давлений газов между стороной катода и стороной анода при эксплуатации ячейки топливного элемента.

[0087] Кроме того, так как концевая часть первого газодиффузионного слоя 22 и мембранно-электродная сборка 21 непосредственно соприкасаются друг с другом, шероховатая концевая часть первого газодиффузионного слоя 22 может повредить и более того сформировать отверстие в мембранно-электродной сборке 21, в частности в той части, где концевая часть первого газодиффузионного слоя 22 и мембранно-электродной сборки 21 соприкасаются друг с другом.

[0088] По этим причинам механическая прочность ячейки 100' топливного элемента, не являющейся вариантом осуществления настоящего изобретения, будет ниже, чем у ячейки топливного элемента согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Вторая часть

[0089] Поскольку расположение второй части в ячейке топливного элемента согласно настоящему изобретению, по существу, не ограничено, вторая часть может быть расположена, например, там, где второй сепаратор содержит канал для газа-реагента, а связующий слой с высокой вероятностью может проникать в канал для газа-реагента, в частности, на участке, где канал для газа-реагента накладывается на внешний периферийный краевой участок второго газодиффузионного слоя в направлении толщины ячейки топливного элемента.

[0090] В альтернативном варианте вторая часть в ячейке топливного элемента согласно настоящему изобретению может быть расположена там, где не только второй, но и первый сепаратор содержит канал для газа-реагента, а связующий слой с высокой вероятностью будет проникать в канал для газа-реагента.

[0091] В таком положении вторая часть может быть расположена в областях, прилегающих к первым отверстиям 10a, 10f для прохождения газа, отверстиям 10b, 10e для прохождения охлаждающей жидкости или вторым отверстиям 10c, 10d для прохождения газа, аналогично области, в которой проходит разрез II-II' на ФИГ. 9.

[0092] Во второй части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: второй сепаратор может содержать канал для газа-реагента; вторая закрывающая пластина может быть размещена между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем, между вторым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, и между вторым сепаратором и несущим каркасом; между мембранно-электродной сборкой и участком первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку и упомянутый участок; между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и второй закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединенный со второй закрывающей пластиной; между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, между несущим каркасом и первым сепаратором и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий несущий каркас с внешним периферийным краевым участком или сепаратором; и связующий слой может быть тем самым отделен от канала для газа-реагента во втором сепараторе.

[0093] Во второй части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: первый сепаратор может также содержать канал для газа-реагента; первая закрывающая пластина может быть размещена между первым сепаратором и первым газодиффузионным слоем и между первым сепаратором и несущим каркасом; между несущим каркасом и первой закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом эти части; и связующий слой может быть тем самым отделен от каналов для газа-реагента в первом и втором сепараторе.

[0094] Если ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет структуру, в которой несущий каркас размещен на удалении от мембранно-электродной сборки так, чтобы окружать мембранно-электродную сборку, и между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и вторым сепаратором в направлении толщины ячейки топливного элемента, то во второй части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: между мембранно-электродной сборкой и участком первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий мембранно-электродную сборку с упомянутым участком; между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и второй закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединенный со второй закрывающей пластиной; между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий несущий каркас с внешним периферийным краевым участком или сепаратором; и связующий слой может быть тем самым отделен от канала для газа-реагента во втором сепараторе.

[0095] Если несущий каркас имеет такую конфигурацию, во второй части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: первая закрывающая пластина может быть размещена между первым сепаратором и первым газодиффузионным слоем и между первым сепаратором и несущим каркасом; между несущим каркасом и первой закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом эти части; между несущим каркасом и первым сепаратором может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом эти части; и связующий слой может быть тем самым отделен от канала для газа-реагента в первом сепараторе.

[0096] Если ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет структуру, в которой несущий каркас размещен на удалении от первого газодиффузионного слоя так, чтобы окружать первый газодиффузионный слой в направлении плоскости ячейки топливного элемента, то во второй части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: между мембранно-электродной сборкой и участком первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий мембранно-электродную сборку с упомянутым участком; между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и второй закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединенный со второй закрывающей пластиной; между несущим каркасом и первым сепаратором и/или между несущим каркасом и второй закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом эти части; и связующий слой может быть тем самым отделен от канала для газа-реагента во втором сепараторе.

[0097] Если несущий каркас имеет такую конфигурацию, во второй части ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению: первый сепаратор может также содержать канал для газа-реагента; первая закрывающая пластина может быть размещена между первым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и между первым сепаратором и несущим каркасом; между второй закрывающей пластиной и первой закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом эти части; между несущим каркасом и первой закрывающей пластиной может быть предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом эти части; и связующий слой может быть тем самым отделен от канала для газа-реагента в первом сепараторе.

[0098] В данном случае канал для газа-реагента является каналом, используемым для подачи газа-реагента, поступающего из области снаружи от ячейки топливного элемента, в газодиффузионный слой ячейки топливного элемента, или для отведения газа-реагента, не вступившего в реакции в ячейке, наружу из ячейки топливного элемента. К примерам газов-реагентов относится анодный газ, например, водород, и катодный газ, например, кислород.

[0099] Поскольку вторая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет описанную выше конфигурацию, первая и вторая закрывающие пластины уменьшают вероятность проникновения связующего слоя в канал для газа-реагента и закупоривания этого канала. Более того, вторая часть может иметь столь же высокую механическую прочность, что и первая часть.

[0100] Если ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет структуру, в которой несущий каркас размещен на удалении от мембранно-электродной сборки так, чтобы окружать мембранно-электродную сборку, и при этом размещен между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и вторым сепаратором в направлении толщины ячейки топливного элемента, вторая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению может иметь, например, конфигурацию, показанную на ФИГ. 10 – ФИГ. 12.

[0101] На ФИГ. 10 в разрезе изображена ячейка 100g топливного элемента согласно седьмому варианту осуществления изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза II-II' на ФИГ. 9. На ФИГ. 9 закрывающая пластина 80 размещена в области, прилегающей к первому отверстию 10а для прохождения газа, отверстию 10b для прохождения охлаждающей жидкости и второму отверстию 10с для прохождения газа.

[0102] Как показано на ФИГ. 10, во второй части ячейки 100g топливного элемента согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения: второй сепаратор 40 содержит каналы 41 для газа-реагента; вторая закрывающая пластина 81 размещена между вторым сепаратором 40 и вторым газодиффузионным слоем 23, между вторым сепаратором 40 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 и между вторым сепаратором 40 и несущим каркасом 50; между мембранно-электродной сборкой 21 и участком 22b первого газодиффузионного слоя 22 на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой 60, соединяющий мембранно-электродную сборку 21 с упомянутый участок 22b; между внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 и второй закрывающей пластиной 81 предусмотрен связующий слой 60, соединенный со второй закрывающей пластиной 81; между несущим каркасом 50 и вторым сепаратором 40 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий эти части друг с другом; и связующий слой 60 тем самым отделен от каналов 41 для газа-реагента во втором сепараторе 40.

[0103] На ФИГ. 11 в разрезе изображена ячейка 100h топливного элемента согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9.

[0104] Как показано на ФИГ. 11, ячейка 100h топливного элемента согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения имеет такую же структуру, что и ячейка 100g топливного элемента согласно седьмому варианту осуществления, за исключением того, что связующий слой 60 соединяет друг с другом несущий каркас 50 и первый газодиффузионный слой 22 вместо того, чтобы соединять друг с другом несущий каркас 50 и второй сепаратор 40.

[0105] На ФИГ. 12 в разрезе изображена ячейка 100i топливного элемента согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9.

[0106] Как показано на ФИГ. 12, вторая часть ячейки 100i топливного элемента согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения имеет структуру, в которой: первый сепаратор 30 содержит каналы 31 для газа-реагента; первая закрывающая пластина 82 размещена между первым сепаратором 30 и первым газодиффузионным слоем 22 и между первым сепаратором 30 и несущим каркасом 50; между несущим каркасом 50 и первой закрывающей пластиной 82 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий эти части друг с другом; и связующий слой 60 тем самым отделен от каналов для газа-реагента в первом сепараторе 30.

[0107] Если ячейка топливного элемента согласно настоящему изобретению имеет структуру, в которой несущий каркас размещен на удалении от первого газодиффузионного слоя так, чтобы окружать первый газодиффузионный слой в направлении плоскости ячейки топливного элемента, вторая часть ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению может иметь, например, конфигурацию, показанную на ФИГ. 13 – ФИГ. 15.

[0108] На ФИГ. 13 в разрезе изображена ячейка 100j топливного элемента согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9.

[0109] Как показано на ФИГ. 13, во второй части ячейки 100j топливного элемента согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения: второй сепаратор 40 содержит каналы 41 для газа-реагента; вторая закрывающая пластина 81 размещена между вторым сепаратором 40 и вторым газодиффузионным слоем 23, между вторым сепаратором 40 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 и между вторым сепаратором 40 и несущим каркасом 50; между мембранно-электродной сборкой 21 и участком 22b первого газодиффузионного слоя 22 на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой 60, соединяющий мембранно-электродную сборку 21 с упомянутым участком 22b; между внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 и второй закрывающей пластиной 81 предусмотрен связующий слой 60, соединенный со второй закрывающей пластиной 81; между несущим каркасом 50 и второй закрывающей пластиной 81 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий друг с другом эти части; и связующий слой 60 тем самым отделен от каналов 41 для газа-реагента во втором сепараторе 40.

[0110] На ФИГ. 14 в разрезе изображена ячейка 100k топливного элемента согласно одиннадцатому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9.

[0111] Как показано на ФИГ. 14, во второй части ячейки 100k топливного элемента согласно одиннадцатому варианту осуществления настоящего изобретения: первый сепаратор 30 содержит каналы 31 для газа-реагента; первая закрывающая пластина 82 размещена между первым сепаратором 30 и внешним периферийным краевым участком 22а первого газодиффузионного слоя 22 и между первым сепаратором 30 и несущим каркасом 50; между второй закрывающей пластиной 81 и первой закрывающей пластиной 82 предусмотрен связующий слой 60, соединяющий эти части друг с другом; и связующий слой 60 тем самым отделен от каналов 31 для газа-реагента в первом сепараторе 30. В остальном конфигурация ячейки 100k топливного элемента аналогична ячейке 100j топливного элемента согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0112] На ФИГ. 15 в разрезе изображена ячейка 100l топливного элемента согласно двенадцатому варианту осуществления настоящего изобретения, причем разрез выполнен вдоль линии разреза, аналогичной линии разреза II-II' на ФИГ. 9.

[0113] Как показано на ФИГ. 15, вторая часть ячейки 100l топливного элемента согласно двенадцатому варианту осуществления настоящего изобретения имеет такую же структуру, что и ячейка 100k топливного элемента согласно одиннадцатому варианту осуществления, за исключением того, что связующий слой 60 соединяет друг с другом также несущий каркас 50 с первой закрывающей пластиной 82.

Блок электродов

[0114] (I) Блок электродов содержит следующие компоненты:

(a) мембранно-электродную сборку, в которой слои электродного катализатора уложены соответственно на обе поверхности электролитного слоя;

(b) первый газодиффузионный слой, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы его внешний периферийный краевой участок выступал от первой поверхности мембранно-электродной сборки; и

(c) второй газодиффузионный слой, уложенный на вторую поверхность мембранно-электродной сборки.

То, что несущий каркас размещен «на удалении от мембранно-электродной сборки так, чтобы окружать мембранно-электродную сборку» означает, что несущий каркас расположен таким образом, чтобы окружать мембранно-электродную сборку, не соприкасаясь с мембранно-электродной сборкой, в направлении плоскости ячейки топливного элемента.

[0115] Что касается более конкретной конфигурации, например, несущий каркас может быть размещен на удалении от мембранно-электродной сборки так, чтобы окружать мембранно-электродную сборку, и может быть размещен между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и вторым сепаратором в направлении толщины ячейки топливного элемента.

[0116] Кроме того, например, несущий каркас может быть размещен на удалении от первого газодиффузионного слоя так, чтобы окружать первый газодиффузионный слой, в направлении плоскости ячейки топливного элемента.

Мембранно-электродная сборка

[0117] Мембранно-электродная сборка содержит электролитный слой и слои электродного катализатора, уложенные соответственно на обе поверхности электролитного слоя.

Электролитный слой

[0118] Для изготовления электролитного слоя можно использовать произвольный материал, пригодный для электролитного слоя ячейки топливного элемента. Примером такого материала являются фторполимерные мембраны, обладающие ионной проводимостью, в частности, ионообменные мембраны, обладающие протонной проводимостью и содержащие перфторсульфоновую кислоту.

Слой электродного катализатора

[0119] Примером слоя электродного катализатора являются слой анодного катализатора и слой катодного катализатора. В слое анодного катализатора и слое катодного катализатора каталитический металл может быть нанесен на подложку.

[0120] Каталитический металл может представлять собой произвольный каталитический металл, используемый для изготовления катализатора топливных элементов. Примеры такого каталитического металла включают Pt, Pd, Rh и сплавы, содержащие эти металлы.

[0121] Подложка может представлять собой произвольную подложку, используемую для изготовления катализатора топливных элементов. Примеры такой подложки включают углеродные подложки, в частности, содержащие углеродные частицы стекловидного графита, сажу, активный углерод, кокс, природный графит, искусственный графит и иные подобные элементы.

Газодиффузионный слой

[0122] Согласно настоящему изобретению, первый газодиффузионный слой уложен на первую поверхность мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы его внешний периферийный краевой участок выступал от первой поверхности мембранно-электродной сборки, а второй газодиффузионный слой уложен на вторую поверхность мембранно-электродной сборки.

[0123] Из первого газодиффузионного слоя и второго газодиффузионного слоя, один является анодным газодиффузионным слоем, а другой - катодным газодиффузионным слоем.

[0124] Первый газодиффузионный слой и второй газодиффузионный слой могут быть изготовлены из произвольного материала, пригодного для изготовления анодного газодиффузионного слоя и катодного газодиффузионного слоя катализатора топливных элементов. Примеры такого материала включают электропроводящий пористый материал. В частности, примеры таких пористых материалов включают пористые углеродные материалы, например, углеродную бумагу, углеродную ткань и стекловидный углерод, а также пористые металлические материалы, например, металлическую сетку и пористый металл.

Несущий каркас

[0125] Несущий каркас размещен таким образом, чтобы окружать первый газодиффузионный слой.

[0126] Несущий каркас изготавливают из произвольного материала, способного обеспечить электрическую изоляцию и воздухонепроницаемость. Примерами таких материалов являются кристаллические полимеры, в частности, конструкционные пластмассы. Примеры конструкционных пластмасс включают, в частности, смолы на основе полиэтиленнафталата и полиэтилентерефталата.

Сепаратор

[0127] К примерам сепаратора относится первый сепаратор и второй сепаратор.

[0128] Первый сепаратор уложен на сторону блока электродов, на которой расположен первый газодиффузионный слой, в контакте с первым газодиффузионным слоем и закреплен на несущем каркасе.

[0129] На поверхности первого сепаратора, обращенной к первому газодиффузионному слою, может быть предусмотрено несколько проточек, которые могут формировать каналы для газа-реагента. Проточки могут иметь произвольную форму, например, форму змеевика, при условии, что проточки могут подавать газ-реагент к первому газодиффузионному слою.

[0130] Первый сепаратор может содержать первое отверстие для прохождения газа, отверстие для прохождения охлаждающей жидкости и второе отверстие для прохождения газа.

[0131] Первый сепаратор может быть изготовлен из произвольного материала, который пригоден для изготовления сепаратора ячейки топливного элемента и может иметь свойства газонепроницаемости и электропроводимости. Примером такого материала является плотный углерод, образующийся при сжатии углерода с целью придания ему газонепроницаемости, и металлические пластины, полученные прессованием.

[0132] Второй сепаратор уложен на сторону блока электродов, на которой расположен второй газодиффузионный слой, в контакте со вторым газодиффузионным слоем и закреплен на несущем каркасе.

[0133] Материал и структура второго сепаратора могут быть аналогичны первому сепаратору.

Связующий слой

[0134] В качестве связующего слоя можно использовать слой произвольного связующего, способного соединять друг с другом первый сепаратор, первый газодиффузионный слой, мембранно-электродную сборку, несущий каркас и второй сепаратор и способного удерживать эти компоненты соединенными друг с другом в условиях эксплуатации ячейки топливного элемента.

[0135] Примерами такого связующего могут служить, в частности, клейкие смолы, такие как термопластичные смолы, термореактивные смолы и УФ-отверждаемые смолы. При использовании в качестве связующего термопластичной смолы предпочтительно, чтобы температура размягчения такой смолы была выше температуры тепла, выделяемого при эксплуатации ячейки топливного элемента.

Закрывающая пластина

[0136] Выбор материала первой и второй закрывающих пластин, по существу, не ограничен при условии, что он представляет собой листовой материал, который может быть соединен с первым или вторым газодиффузионным слоем, мембранно-электродной сборкой и несущим каркасом с помощью связующего слоя. Примерами таких материалов являются титан, нержавеющая сталь, полифениленсульфид и полипропилен.

[0137] Ни один из чертежей, используемых для раскрытия настоящего изобретения, не может ограничивать конфигурацию, структуру и другие признаки ячейки топливного элемента согласно настоящему изобретению.

Изобретение относится к ячейке топливного элемента. Согласно изобретению ячейка топливного элемента содержит первый газодиффузионный слой, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы его внешний периферийный краевой участок выступал от первой поверхности мембранно-электродной сборки. В первой части ячейки топливного элемента: ячейка топливного элемента содержит связующий слой; между мембранно-электродной сборкой и участком первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от его внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой, соединяющий мембранно-электродную сборку и упомянутый участок; между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, между несущим каркасом и первым сепаратором и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором предусмотрен связующий слой, соединяющий несущий каркас с внешним периферийным краевым участком или сепаратором. Техническим результатом изобретения является повышение механической прочности. 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Ячейка топливного элемента, содержащая:

(I) блок электродов, содержащий

(a) мембранно-электродную сборку, в которой слои электродного катализатора уложены соответственно на обе поверхности электролитного слоя,

(b) первый газодиффузионный слой, уложенный на первую поверхность мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы внешний периферийный краевой участок первого газодиффузионного слоя выступал от первой поверхности мембранно-электродной сборки, и

(c) второй газодиффузионный слой, уложенный на вторую поверхность мембранно-электродной сборки;

(II) несущий каркас, размещенный на удалении от мембранно-электродной сборки таким образом, чтобы окружать мембранно-электродную сборку;

(III) первый сепаратор, уложенный на сторону блока электродов, на которой расположен первый газодиффузионный слой, в контакте с первым газодиффузионным слоем и закрепленный на несущем каркасе; и

(IV) второй сепаратор, уложенный на сторону блока электродов, на которой расположен второй газодиффузионный слой, в контакте со вторым газодиффузионным слоем и закрепленный на несущем каркасе,

причем в первой части ячейки топливного элемента:

ячейка топливного элемента содержит связующий слой;

между мембранно-электродной сборкой и участком первого газодиффузионного слоя на внутренней стороне от внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку и упомянутый участок; и

между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, между несущим каркасом и первым сепаратором и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом несущий каркас и внешний периферийный краевой участок или сепаратор.

2. Ячейка топливного элемента по п. 1, в которой несущий каркас размещен между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и вторым сепаратором в направлении толщины ячейки топливного элемента.

3. Ячейка топливного элемента по п. 1, в которой несущий каркас размещен на удалении от первого газодиффузионного слоя так, чтобы окружать первый газодиффузионный слой.

4. Ячейка топливного элемента по п. 2 или 3, во второй части которой:

второй сепаратор содержит канал для газа-реагента;

вторая закрывающая пластина размещена между вторым сепаратором и вторым газодиффузионным слоем, между вторым сепаратором и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, а также между вторым сепаратором и несущим каркасом;

между мембранно-электродной сборкой и участком первого газодиффузионного слоя с внутренней стороны от внешнего периферийного краевого участка предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом мембранно-электродную сборку и упомянутый участок;

между внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя и второй закрывающей пластиной предусмотрен связующий слой, соединенный со второй закрывающей пластиной;

между несущим каркасом и внешним периферийным краевым участком первого газодиффузионного слоя, между несущим каркасом и первым сепаратором и/или между несущим каркасом и вторым сепаратором предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом несущий каркас и внешний периферийный краевой участок или сепаратор; и

связующий слой тем самым отделен от канала для газа-реагента во втором сепараторе.

5. Ячейка топливного элемента по п. 4, во второй части которой:

первый сепаратор также содержит канал для газа-реагента;

первая закрывающая пластина размещена между первым сепаратором и первым газодиффузионным слоем и между первым сепаратором и несущим каркасом;

между несущим каркасом и первой закрывающей пластиной предусмотрен связующий слой, соединяющий друг с другом несущий каркас и первую закрывающую пластину; и

связующий слой тем самым отделен от канала для газа-реагента в первом сепараторе.