Распределение газа в топливных элементах
Изобретение относится к топливным элементам (ТЭ) с твердым полимерным электролитом. Согласно изобретению ТЭ содержит мембрано-электродную сборку (МЭС), имеющую наружную поверхность электрода анода; анодную пластину, примыкающую к указанной наружной поверхности электрода МЭС и присоединенную к ней с помощью уплотнительной прокладки. Уплотнительная прокладка, наружная поверхность электрода и анодная пластина вместе образуют замкнутый объем для заполнения текучей средой, предназначенный для подвода анодной текучей среды к наружной поверхности электрода. В указанном объеме для заполнения текучей средой расположен лист пористого диффузионного материала и имеется, по меньшей мере, одна камера, образованная между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой. Текучая среда может подводиться к активной поверхности МЭС посредством камеры и за счет диффузии через диффузионный материал, причем в таком количестве, что наличие каналов раздачи текучей среды в анодной пластине не требуется. Техническим результатом изобретения является повышение удельных электрических характеристик. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 16 ил.
Настоящее изобретение относится к топливным элементам, в частности к способам и устройствам для подачи текучей среды к поверхности анодных и/или катодных пластин, например топливным элементам из твердого полимерного электролита.
Известные электрохимические топливные элементы превращают топливо и окислитель в электрическую энергию и продукт реакции. На фиг.1 представлена типичная компоновка топливного элемента 10, причем для ясности данный чертеж демонстрирует различные слои конструкции топливного элемента в разобщенном виде. Между анодом 12 и катодом 13 расположена ионообменная мембрана 11 из твердого полимера. Как правило, анод 12 и катод 13, оба изготовлены из электропроводного пористого материала, например пористого углерода, с которым связаны небольшие частицы из платины и/или другого катализатора из благородного металла. Анод 12 и катод 13 обычно присоединены непосредственно к соответствующим примыкающим поверхностям мембраны 11. Такое соединение компонент топливного элемента обычно называют мембрано-электродной сборкой или, сокращенно, МЭС.
Полимерная мембрана и слои пористых электродов размещены между анодной пластиной 14 для распределения потока текучей среды и катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды. Кроме того, между анодной пластиной 14 для распределения текучей среды и анодом 12, а также аналогичным образом между катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды и катодом 13 могут быть размещены промежуточные защитные слои 12а и 13а. Защитные слои имеют пористую структуру и изготовлены так, что они обеспечивают эффективную диффузию газа к поверхностям анода и катода и от этих поверхностей, а также способствуют регулированию распределения паров воды и жидкой фазы воды.
Пластины 14 и 15 для распределения потока текучей среды выполнены из электропроводного непористого материала, за счет чего может быть осуществлен электрический контакт с соответствующими электродами, анодом 12 или катодом 13. В то же самое время пластины для распределения потока текучей среды способствуют подводу к пористым электродам 12, 13 и/или отводу от них текучего топлива, окислителя и/или продукта реакции. Обычно это осуществляют путем формирования каналов раздачи текучей среды на поверхности пластин для распределения потока текучей среды, например, в виде пазов или каналов 16 на поверхности, обращенной к пористым электродам 12, 13.
Кроме того, на фиг.2а показана одна известная конфигурация каналов раздачи текучей среды, которая представляет собой извилистую (змеевидную) структуру 20 на наружной поверхности анода 14 (или катода 15), имеющей входной коллектор 21 и выходной коллектор 22, как это показано на фиг.2а. В известной конструкции, как видно, змеевидная структура 20, представляет собой канал 16 на поверхности пластины 14 (или 15), в то же время каждый из коллекторов 21 и 22 включает проходящее сквозь пластину отверстие так, чтобы текучая среда, подводимая к каналу 16 или отводимая из него, могла проходить через толщину пакета, образованного из большого количества пластин, в направлении, перпендикулярном пластине, указанном стрелкой на фиг.2b, на которой изображен поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.2а.
В батарее могут быть выполнены другие отверстия 23, 25 коллекторов, обеспечивающие подвод топлива, окислителя, других текучих сред или отработанных газов в другие каналы, имеющиеся в пластинах (не показаны).
Известны различные конфигурации каналов 16, выполненных в пластинах 14 и 15 для распределения потока текучей среды. Одна конфигурация, которую обычно используют для подачи окислителя и отвода продукта реакции, представляет собой змеевидную структуру с открытыми концами, показанную на фиг.2, где каналы проходят между входным коллектором 21 и выходным коллектором 22, обеспечивая непрерывный поток текучей среды. В соответствии с другой известной конфигурацией каналы 16 могут быть закрыты на одном конце, т.е. каждый канал сообщается только с входным коллектором 21 для подачи текучей среды в расчете на полную 100%-ную передачу газообразного вещества в пористые электроды МЭС или из них. Закрытый таким образом канал может быть использован для подачи водородного топлива к элементам 11-13 конструкции МЭС гребенчатого типа.
На фиг.3 показан поперечный разрез части батареи, образованной из пластин, входящих в сборную конструкцию 30 известной батареи топливных элементов. В этой конструкции соседние анодная и катодная пластины для распределения потока текучей среды объединены известным образом с образованием единой биполярной пластины 31, имеющей анодные каналы 32 на одной контактной поверхности и катодные каналы 33 на противоположной контактной поверхности, причем каждая из этих поверхностей примыкает к соответствующей мембрано-электродной сборке (МЭС) 34. Все отверстия 21 входного коллектора и отверстия 22 выходного коллектора совмещены для образования входного и выходного коллекторов для всей батареи топливных элементов. Различные компоненты батареи топливных элементов на чертеже показаны слегка отделенными друг от друга, хотя понятно, что при необходимости они будут прижаты друг к другу с помощью уплотнительных прокладок.
Формирование каналов 16 для потока текучей среды в пластинах для распределения потока текучей среды представляет собой технологический процесс, характеризуемый строгими (техническими) требованиями, проводимый обычно посредством химического травления или другого метода, обеспечивающего высокое разрешение для того, чтобы можно было достигнуть соответствующей точности по глубине, ширине и конфигурации каналов 16, и в то же время возможность изготовления пластин для распределения потока текучей среды как можно более тонкой. Какие-либо несоответствия при проведении процесса химического травления, приводящие к изменениям глубины, ширины и конфигурации пластины для распределения потока текучей среды, могут серьезно нарушить течение текучей среды, направляемый к МЭС или из МЭС.
Например, перепад давления между входным отверстием 21 и выходным отверстием 22 может значительно изменяться от пластины к пластине и, следовательно, от одного топливного элемента к другому в пределах батареи топливной батареи. Некачественное изготовление топливных элементов может привести к необходимости более частых операций продувки анода во время эксплуатации топливного элемента или же может потребоваться особая методика тарировки топливного элемента, которая является дорогостоящей и требует затрат времени. Плохо изготовленные топливные элементы ограничивают общую электрическую мощность батареи топливных элементов, на которую в целом значительно влияет функционирование наиболее слабого топливного элемента.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы минимизировать проблемы, связанные с формированием каналов раздачи текучей среды в пластине для распределения потока текучей среды, и/или проблемы, возникающие из-за изменений характеристик таких каналов от одного топливного элемента к другому.
Задача настоящего изобретения состоит также в увеличении показателя удельной электрической мощности батареи топливных элементов за счет уменьшения толщины анодной пластины для распределения потока без значительной потери выходной электрической мощности.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение предлагает топливный элемент, содержащий
мембрано-электродную сборку, имеющую наружную поверхность электрода анода;
анодную пластину, примыкающую к указанной наружной поверхности электрода мембрано-электродной сборки и присоединенную к ней с помощью уплотнительной прокладки;
при этом уплотнительная прокладка, наружная поверхность электрода и анодная пластина все вместе образуют объем для заполнения текучей средой, служащий для подачи анодной текучей среды к наружной поверхности электрода; а также
лист пористого диффузионного материала, размещенный в объеме для заполнения текучей средой, и, по меньшей мере, одну камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение предлагает топливный элемент, содержащий
мембрано-электродную сборку, имеющую наружную поверхность электрода катода;
катодную пластину, примыкающую к указанной наружной поверхности электрода мембрано-электродной сборки и присоединенную к ней посредством уплотнительной прокладки;
при этом уплотнительная прокладка, наружная поверхность электрода и катодная пластина все вместе образуют объем для заполнения текучей средой, служащий для подачи катодной текучей среды к поверхности электрода и/или для отвода катодной текучей среды от наружной поверхности электрода; и
лист пористого диффузионного материала, размещенного в объеме для заполнения текучей средой и имеющий по меньшей мере одну камеру, образованную между по меньшей мере одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
Примеры осуществления настоящего изобретения далее будут раскрыты со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - схематическое изображение части известного топливного элемента, вид в разрезе.
Фиг.2а и 2b - пластина для распределения потока текучей среды топливного элемента, показанного на фиг.1, упрощенные вид в плане и вид в разрезе соответственно.
Фиг.3 - известная батарея топливных элементов с биполярными пластинами, поперечное сечение.
Фиг.4а - конструктивное выполнение анода, содержащего лист диффузионного материала, размещенного определенным образом относительно уплотнительной прокладки и отверстий для входа и выхода текучей среды, вид в плане. Фиг.4b - вид сбоку в разрезе по линии А-А на фиг.4а.
Фиг.5 - конструктивное выполнение анода, показанного на фиг.4, с изображением направления потока газа для случая нормального функционирования анода (фиг.5а) и случая нарушения нормальной работы анода (фиг.5b), вид в плане.
Фиг.6 - ряд альтернативных конфигураций камеры, образованной между боковыми торцами листа диффузионного материала и периферийной уплотнительной прокладки.
Фиг.7 - конструкция анода, содержащего кратное количество половинок топливного элемента, расположенных в одной плоскости, имеющих общую анодную пластину.
Фиг.8 - альтернативная конфигурация камеры, образованной между боковыми краями листа диффузионного материала и периферийной уплотнительной прокладки.
Известные конструкции анодных и катодных пластин для распределения потока текучей среды, на поверхности которых выполнены каналы раздачи текучей среды, уже были описаны выше со ссылками на фиг.1 и 3. Эти каналы раздачи текучей среды в основном проходят по значительной части поверхности этих пластин и используются для подвода достаточного количества анодных и катодных текучих сред к активным поверхностям МЭС. Как, кроме того, показано на фиг.1, в конструкцию известного топливного элемента включен пористый диффузионный материал 12а, 13а с тем, чтобы способствовать транспортированию текучей среды от каналов 16 к МЭС 11. Такое решение позволяет реализовать существенный диффузионный поток в направлении поперек плоскости (т.е. нормально или в поперечном направлении относительно плоскости расположения пористого материала) и небольшой диффузионной поток в плоскости (т.е. параллельно плоскости расположения пористого материала) с обеспечением тем самым диффузии анодной текучей среды из каждого отдельного канала 16. Таким путем осуществляется эффективное транспортирование анодной текучей среды ко всей активной поверхности анода МЭС (и от всей этой поверхности), а также эффективное транспортирование катодной текучей среды ко всей активной поверхности катода МЭС (и от всей этой поверхности).
Настоящее изобретение предусматривает применение определенных типов пористого диффузионного материала в совокупности с созданием разности давления между входным и выходным отверстиями, чтобы обеспечить в достаточном количестве транспортирование текучей среды в пористом материале, в направлении вдоль плоскости расположения слоя пористого материала, при этом такое транспортирование текучей среды ко всей поверхности мембраны возможно без использования каналов раздачи текучей среды, выполненных в анодной пластине.
В соответствии с фиг.4 контактная поверхность анода в мембрано-электродной сборке 40 покрыта сверху уплотнительной прокладкой 41 по всему ее периметру. Уплотнительная прокладка 41 включает два выреза 42, 43 вокруг отверстия 44 для входа текучей среды и отверстия 45 для выхода текучей среды, расположенных на периферии анодной поверхности МЭС 40. Снаружи уплотнительной прокладки наложена электропроводная анодная пластина 46 (изображена на фиг.4b пунктирной линией и для наглядности немного отделена от этой прокладки, но на фиг.4а исключена для того, чтобы показать находящуюся ниже конструкцию).
Наружная поверхность анода МЭС 40, уплотнительная прокладка 41 и анодная пластина 46 вместе образуют замкнутый объем 47 для заполнения текучей средой, расположенный между отверстием 44 для входа текучей среды и отверстием 45 для выхода текучей среды. Указанный объем для заполнения текучей средой образуется за счет непроницаемости анодной пластины 46 и уплотнительной прокладки 41 в совокупности с МЭС, имеющей ограниченную проницаемость (т.е. по существу пропускающую только поток ионов). Внутри замкнутого объема 47, заполненного текучей средой, размещен лист 48 диффузионного материала. Лист диффузионного материала отрезают с приданием ему формы, которая позволяет сформировать одну или большее количество камер 49, 50 между боковыми торцами 51, 52 листа 48 и уплотнительной прокладкой 41. В частности, в примере осуществления, иллюстрируемом на фиг.4, первая камера 49 представляет собой входную камеру, которая проходит вокруг большей части периметра листа, образованной периферийным боковым торцом 51 листа 48 диффузионного материала (т.е. большей части трех сторон листа). Вторая камера 50 представляет собой выходную камеру, проходящую вокруг меньшей части периметра, образованной периферийным боковым торцом 52 листа 48 диффузионного материала.
Анодная пластина 46 предпочтительно не имеет каких-либо каналов 16 на ее поверхности 52, контактирующей с электродом 40 и диффузионным листом 48, поскольку транспортировка текучей среды может полностью осуществляться посредством камер 49, 50 и самого диффузионного материала. Это более детально иллюстрируется на фиг.5.
Фиг.5а отображает картину течения потока текучей среды в процессе нормального функционирования топливного элемента. Входящие флюиды, поступающие под давлением из входного отверстия 44, распределяются вдоль входной камеры 49 и проходят в тело пористого диффузионного листа 48 (и расположенную под ним МЭС 40), как показано стрелками. При таком нормальном режиме работы нет необходимости в использовании выходной камеры 50 (хотя она может выполнять свою функцию), поскольку основная задача заключается в подводе текучего топлива к активной наружной поверхности анода МЭС 40. Предпочтительно это достигается путем адекватной подачи топлива ко всем активным частям наружной поверхности анода МЭС 40 так, чтобы поддерживать требуемый подвод электрической энергии от топливного элемента без образования локализованных горячих пятен. Однако это не предотвращает возможности того, что в процессе нормального функционирования топливного элемента некоторая небольшая часть топлива или некоторое количество побочного продукта реакции может быть вытеснено к выходной камере 50 и тем самым к выходному отверстию 45.
Фиг.5b иллюстрирует картину распределения потока текучей среды в режиме продувки топливного элемента. Входящие флюиды, поступающие под давлением из входного отверстия 44, распределяются вдоль входной камеры 49 и через тело пористого диффузионного листа 48 (и расположенную под ним МЭС 40) поступают в выходную камеру 50 и, следовательно, к выходному отверстию 45, как это показано стрелками. Специалисту, знакомому с работой топливных элементов, понятно, что регулярное переключение топливного элемента на режим продувки в случае снижения рабочих характеристик топливного элемента (например, из-за накопления воды в электродах) часто используют как часть стратегии управления системой выработки электрической энергии.
Установлено, что «частичное уплотнение» 53, образованное между боковым торцом диффузионного листа 48 и торцом прокладки 41, в том месте, где не образована камера, способствует предотвращению значительных утечек текучей среды вокруг листа диффузионного материала из входной камеры 49 непосредственно в выходную камеру 50. Предпочтительно «частичное уплотнение» достигается за счет осуществления точной посадки или посадки с натягом между торцом диффузионного листа 48 и соответствующим торцом прокладки 41. Образованию такого частичного уплотнения может способствовать некоторое сжатие диффузионного материала во время сборки батареи.
Конфигурация диффузионного листа 48 и уплотнительной прокладки 41, показанные на фиг.4 и 5, представляют собой лишь одну из альтернатив. На фиг.6 представлены другие различные возможные конструктивные выполнения, которые обеспечивают достижение такой же цели, причем на чертежах показаны вид в перспективе в покомпонентном представлении (на левой стороне чертежей) и вид в плане (правая сторона чертежей).
На фиг.6а в целях сопоставления представлена конструкция, соответствующая фиг.4. Фиг.6b иллюстрирует подобную конфигурацию входной камеры 61 и выходной камеры 62, но в данном случае образование камер 61, 62 обеспечивается за счет особенностей формы уплотнительной прокладки 41, а не за счет формы диффузионного листа 48. Это позволяет использовать прямоугольные или квадратные листы 48 диффузионного материала вместо листов 48 диффузионного материала, имеющих неправильную форму.
На фиг.6с показано симметричное расположение входной камеры 63 и выходной камеры 64, опять же полученное за счет формы уплотнительной прокладки 41, а не диффузионного листа 48, так, что в этом случае могут быть использованы прямоугольные или квадратные листы. При такой конфигурации входная камера 63 и выходная камера 64 сбалансированы, имея по существу одинаковую длину и при одинаковых картинах потоков текучей среды, протекающих в плоскости листа через диффузионный материал, причем, главным образом, от одного его конца к другому.
Фиг.6е иллюстрирует конструктивное выполнение, при котором отдельная выходная камера не требуется. Имеется только одна окружная или периферийная камера 67, которая полностью окружает диффузный лист 48. Продувка камеры 67 по-прежнему может быть проведена с использованием выходного отверстия 45. При этом продувка диффузионного листа 48 и электрода 40 будет возможна, но лишь в меньшей степени, в расчете на диффузию изнутри в камеру 67, а не на вынужденную диффузию за счет наличия существенного перепада давления поперек диффузионного листа. Данное конструктивное выполнение имеет конкретное применение в том случае, когда продувка анода, как правило, не требуется.
Таким образом, вообще говоря, следует понимать, что лист пористого диффузионного материала может иметь неправильную (непрямоугольную) форму, включающую вырезы по его периметру, чтобы тем самым сформировать по меньшей мере одну камеру. В качестве альтернативы лист пористого диффузионного материала может иметь прямоугольный периметр, а уплотнительная прокладка неправильную (непрямоугольную) форму, включающую вырезы по ее внутреннему периметру с образованием за счет них, по меньшей мере, одной камеры.
Фиг.7 иллюстрирует конструктивное выполнение, при котором находящиеся в одной плоскости топливные элементы образованы с использованием одной единственной, общей анодной пластины (не показана) и единственного общего электрода 70. В такой конструкции уплотнительная прокладка 71 выполнена с образованием трех отдельных замкнутых объемов 72-74 для заполнения текучей средой, каждый из которых имеет свой собственный лист 75-77 диффузионного материала. Такое выполнение диффузионного листа и уплотнительной прокладки, используемое для образования камер, может иметь варианты исполнения, например может быть таким, как описано выше со ссылкой на фиг.6.
В соответствии с данным конструктивным выполнением каждая анодная половина в батарее топливных элементов разделена на отдельные зоны подачи текучей среды и продувки, что может способствовать большей степени равномерности потоков газа поперек большой поверхности анодов. В частности, за счет ограничения таким путем поверхности диффузионных листов 75-77 сводятся к минимуму эффекты, накладывающие какие-либо ограничения на величину диффузионного потока текучей среды поперек наружной поверхности электрода между входной и выходной камерами.
Фиг.8 иллюстрирует конструкцию, в которой камера 80 может быть образована не только между боковым торцом 81 диффузионного листа 48, но, кроме того, и с помощью прорези 82, проходящей через тело диффузионного листа в его центральную зону. Кроме того, фиг.8 показывает, что могут быть использованы два или большее количество входных отверстий 83, 84 и/или два или большее количество выходных отверстий 85, 86.
В предпочтительных примерах осуществления МЭС 40 изготавливают в виде тонкого слоя полимера, размещенного между слоями электродов с образованием, соответственно, наружной поверхности анода и наружной поверхности катода. Наружные поверхности МЭС предпочтительно включают центральную «активную» зону, окруженную периферийной зоной (или "рамкой"), которая усилена для того, чтобы обеспечить в ней формирование входных и выходных отверстий (например, отверстий 44, 45 на фиг.4) и других коллекторов с уменьшенной опасностью повреждения конструктивной целостности МЭС. При такой усиленной периферийной области МЭС может выдерживать различные напряжения и усилия много более эффективно по сравнению с тонкой активной зоной электрода.
В тех случаях, когда используют усиленную МЭС, предпочтительно, чтобы периферийные камеры (например, камеры 49, 50 и 61-67 на фиг.6а-6е) располагались поверх усиленной периферийной поверхности МЭС, что помогает избежать какой-либо опасности нарушения структурной целостности в МЭС вследствие недостатка опоры для центральной активной области МЭС в том случае, когда топливный элемент подвергают сжатию в процессе сборки батареи топливных элементов. На структуру усиленных периферийных областей МЭС не влияет содержание воды в такой же степени, как и для активных зон мембрано-электронной сборки. Активная зона МЭС, если она мокрая, может вспучиваться и частично блокировать камеры или же формируются ослабленные места конструкции, если она осушена посредством подачи водорода.
Все описанные выше конструкции представлены со ссылками на анодную сторону топливного элемента (т.е. на анодную половину топливного элемента). Однако понятно, что соответствующая катодная половина может использовать конструкцию половины топливного элемента, подобную описанной со ссылками на фиг.4-6, или может использовать другую конструкцию половины топливного элемента из известных типов конструкции, например, используя пластины для распределения потока текучей среды, в которых выполнены каналы для распределения потока текучей среды.
В предпочтительном варианте осуществления катодная половина топливного элемента включает известное выполнение типа "открытый катод", в соответствии с которым катод открыт и сообщается с окружающей атмосферой как для снабжения кислородом и вывода побочных продуктов реакции, так и для охлаждения топливного элемента. Предпочтительно катод подвергают вынужденной продувке, например, с помощью вентилятора с целью подвода кислорода и охлаждающего воздуха и для вытеснения побочного продукта в виде водяных паров.
Исключение каналов или пазов 16 из конструкции анодной пластины 40 дает возможность существенным образом уменьшить толщину анодной пластины по сравнению с пластиной 14 для потока текучей среды, представленной на фиг.1. В одной из конструкций толщина каждой анодной пластины уменьшена от 0,85 мм почти до 0,25 мм с последующим существенным повышением удельной электрической мощности батареи топливных элементов. Уменьшение толщины каждой из анодных пластин в батарее позволяет существенно уменьшить как вес, так и объем батареи топливных элементов.
Кроме того, было обнаружено, что отсутствие каналов 16 в анодной пластине 14 уменьшает размер зоны пластины, в которой отсутствует непосредственный электрический контакт между пластиной 14 и электродом 12. Другими словами, в этом случае между анодной пластиной и диффузионным материалом существует почти 100%-ный контакт. В электродах, используемых в аналогах, какие-либо нарушения непрерывности электрического контакта между анодной пластиной и электродом приводят к локальному повышению плотности электрического тока, проходящего между каналами.
Настоящее изобретение обеспечивает устранение зон отсутствия контакта, занятых каналами 16, и, соответственно, уменьшение омических потерь в результате пониженных плотностей тока главным образом в направлении поперек зоны расположения электрода.
Исключение необходимости формирования каналов 16 в анодной пластине 14, кроме того, упрощает процесс изготовления топливного элемента. Как было установлено, намного легче вырезать профиль уплотнительной прокладки 41 и/или диффузионного листа 48, чем сформировать каналы 16 в анодной пластине 14 посредством травления или штампования.
В предпочтительных конструкциях топливный элемент представляет собой водородный топливный элемент, в котором анодным текучим топливом является газообразный водород, катодной текучей средой служит воздух, а побочным отводимым продуктом является водяной пар или воздух, обедненный кислородом. Подводимая текучая среда может также включать в себя другие газы (предназначенные, например, для балласта, продувки или гидратации мембраны). Применение анодной пластины 40 без каналов, для которой предусмотрено распределение газа посредством камер 49, 50 и диффузии в диффузионном материале, осуществляемой в плоскости его расположения, как было обнаружено, является наиболее эффективным решением для транспортировки газообразного водорода к месту расположения катализатора в электроде. Здесь используются высокая величина коэффициента диффузии водорода и низкое перенапряжение реакции окисления водорода в местах размещения катализатора.
Для обеспечения эффективного подвода текучего топлива ко всей активной поверхности анода выгодно иметь относительно высокий коэффициент диффузии анодного газа через диффузионный лист 48 по сравнению с относительно низкой величиной коэффициента диффузии газа внутри анода 40 (и защитного слоя 12а на нем).
Конструкция анода лучше всего работает, когда между входным отверстием 44 и выходным отверстием 45 поддерживается значительный перепад давления с тем, чтобы происходил процесс вынужденной диффузии. Кроме того, как показано, это уменьшает время продувки.
Предпочтительно диффузионный материал имеет аксиально зависимую проницаемость. Другими словами, интенсивность транспортирования газа в одном направлении, лежащем в плоскости, может отличаться от интенсивности транспортирования газа в другом направлении, также лежащем в этой плоскости. В этом случае диффузионный лист может быть благоприятным образом ориентирован таким образом, что реализуются наибольшая эффективность и равномерность транспортирования газа между камерами или от входной камеры к центральной зоне диффузионного листа. Диффузионные материалы могут иметь такую ориентацию волокон (например, тканой основы), которая обеспечивает указанную аксиальную зависимость, при этом волокна предпочтительно могут быть ориентированы в направлении "поперек топливного элемента", чтобы способствовать транспортировке водорода к центру половины топливного элемента. Дополнительно равномерность транспортировки газа, подводимого к электроду, может быть улучшена, когда величина коэффициента диффузии в диффузионном материале в направлении его плоскости превышает величину коэффициента диффузии в направлении поперек плоскости.
Чтобы обеспечить оптимальную величину коэффициента диффузии в направлении поперек плоскости, не должно происходить значительного разрушения или сжатия материала во время сборки топливного элемента, т.е. когда все пластины сжимают вместе с образованием батареи топливных элементов. Предпочтительно с этой целью материал уплотнительной прокладки 41 выбирают таким, что он был более жестким (менее сжимаемым), чем материал диффузионного листа 48.
Подходящими материалами для использования в качестве диффузионного листа 48 являются марки бумаги TGP-H, изготавливаемой из углеродистого волокна (изготовитель - фирма Toray), через которую могут диффундировать газы.
В предпочтительных примерах осуществления уплотнительная прокладка 41 имеет толщину, составляющую от 100 до 400 мкм, а диффузионный лист 48 имеет толщину в пределах от 150 до 500 мкм. В одном из предпочтительных примеров осуществления уплотнительная прокладка 41 имеет толщину 225 мкм, а диффузионный лист 48 толщину 300 мкм.
Распределение анодного газа с помощью описанных выше периферийных камер и диффузионного материала, кроме того, может обеспечить преимущества в части регулирования количества воды, находящейся на электроде. Накопление воды вызывает обводнение электрода. В известных конструкциях пластин для распределения потока текучей среды, выполненных с каналами на пластине, во время обводнения вода образует лужи на краях активной области электрода, где она охлаждается. На краях активной зоны генерируется незначительный ток или он вообще не генерируется, поэтому теплота не выделяется, и вода остается в стационарном состоянии до тех пор, пока не осуществляют продувку.
В отличие от известных конструкций, в соответствии с настоящим изобретением вода образует лужи в направлении центральной области зоны активной зоны. Это поддерживает гидратацию МЭС, но, помимо того, в обводненных зонах производит эффект уменьшения электрического тока. В примыкающих активных зонах, где вода не скапливается, реализуются высокие величины токов, происходит более быстрое истощение водорода и, следовательно, образуется зона пониженного давления. Водород и вода предпочтительно перемещаются в эту зону пониженного давления под действием градиента давления, тем самым уменьшая локализованное обводнение.
В пределах приложенных пунктов формулы изобретения возможны другие примеры воплощения изобретения.
1. Топливный элемент, содержащий мембрано-электродную сборку, имеющую наружную анодную электродную поверхность, анодную пластину, примыкающую к указанной наружной анодной электродной поверхности мембрано-электродной сборки и присоединенную к ней с помощью уплотнительной прокладки; при этом уплотнительная прокладка, наружная поверхность электрода и анодная пластина вместе образуют замкнутый объем для заполнения текучей средой, предназначенный для подвода анодной текучей среды к наружной поверхности электрода; и, кроме того, топливный элемент содержит лист пористого диффузионного материала, расположенный в указанном объеме для заполнения текучей средой и имеющий, по меньшей мере, одну камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
2. Топливный элемент по п.1, в котором камера образована между всем одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
3. Топливный элемент по п.2, в котором камера образована между более чем одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
4. Топливный элемент по любому одному из пп.1-3, в котором камера дополнительно содержит прорезь, проходящую в тело листа диффузионного материала.
5. Топливный элемент по п.1, в котором камера представляет собой периферийную камеру, которая проходит вокруг всех боковых торцов листа диффузионного материала.
6. Топливный элемент по п.1, в котором камера представляет собой первую камеру, сообщающуюся с первым входным отверстием, расположенным на периферийном краю топливного элемента; и
кроме того, топливный элемент содержит вторую камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой, при этом вторая камера сообщается с выходным отверстием, расположенным на периферийном краю топливного элемента,
причем вторая камера отделена от первой камеры диффузионным материалом.
7. Топливный элемент по п.1, в котором анодная пластина имеет по существу гладкую поверхность, обращенную к наружной поверхности электрода.
8. Топливный элемент по п.1, в котором анодная пластина не содержит каналов для раздачи текучей среды, сформированных на ее поверхности, обращенной к наружной поверхности электрода.
9. Топливный элемент по п.1, в котором лист диффузионного материала включает основу из углеродных волокон.
10. Топливный элемент по п.1, в котором лист диффузионного материала имеет аксиально-зависимую проницаемость.
11. Топливный элемент по п.10, в котором диффузионный материал ориентирован так, чтобы направление наибольшей проницаемости способствовало максимальному транспортированию газа от камеры к центру диффузионного листа.
12. Топливный элемент по п.10, зависящему от п.6, в котором диффузионный материал ориентирован так, чтобы направление наибольшей проницаемости способствовало максимальному транспортированию газа от первой камеры ко второй камере.
13. Топливный элемент по п.1, выполненный в единой батарее, состоящей из множества топливных элементов, расположенных в одной плоскости, имеющих общую анодную пластину, но образующих множество независимых объемов для заполнения текучей средой, лежащих в одной плоскости, в каждом из которых размещен соответствующий лист диффузионного материала.
14. Топливный элемент по п.1, в котором лист пористого диффузионного материала имеет неправильную форму и выполнен с вырезами на внешней границе с образованием за счет такого выполнения, по меньшей мере, одной камеры.
15. Топливный элемент по п.1, в котором лист пористого диффузионного материала имеет прямоугольную форму, а уплотнительная прокладка имеет неправильную форму и имеет вырезы на ее внешней границе с образованием тем самым, по меньшей мере, одной камеры.
16. Топливный элемент по п.1, содержащий катодную пластину, примыкающую к наружной поверхности электрода катода мембрано-электродной сборки.
17. Топливный элемент по п.16, в котором катод выполнен по типу открытого катода.
18. Батарея топливных элементов, включающая в себя топливный элемент по п.16 или 17.
19. Топливный элемент, содержащий мембрано-электродную сборку, имеющую наружную поверхность электрода катода, катодную пластину, примыкающую к указанной наружной поверхности электрода мембрано-электродной сборки и присоединенную к ней с помощью уплотнительной прокладки;
при этом уплотнительная прокладка, наружная поверхностью электрода и катодная пластина вместе образуют объем для заполнения текучей средой, предназначенный для подвода катодной текучей среды к наружной поверхности электрода и/или отвода катодной текучей среды от наружной поверхности катода; и,
кроме того, топливный элемент содержит лист пористого диффузионного материала, расположенный в объеме для заполнения текучей средой и имеющий, по меньшей мере, одну камеру, образованную между, по меньшей мере, одним боковым торцом листа диффузионного материала и уплотнительной прокладкой.
