Топливный элемент

Изобретение относится к топливному элементу, имеющему сепаратор. Согласно изобретению топливный элемент (100) содержит участок соединения, в котором первый проводящий сепаратор (1), усиливающая электролит подложка (3) и второй проводящий сепаратор (8) поочередно соединены с помощью твердых припоев (11) и (12). Усиливающая электролит подложка (3) сформирована таким образом, что она больше области соединения первого проводящего сепаратора (1) и области соединения второго проводящего сепаратора (8) на участке соединения. Усиливающая электролит подложка (3) имеет изолирующее свойство, по меньшей мере, в той области, где усиливающая электролит подложка (3) контактирует с твердыми припоями (11) и (12). Техническим результатом является предотвращение электрического замыкания. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Это изобретение, в общем, имеет отношение к топливному элементу, имеющему сепаратор.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В общем случае, топливный элемент является устройством, которое получает электроэнергию из топлива, водорода и кислорода. Топливные элементы широко распространены в качестве устройства обеспечения энергией, поскольку топливные элементы превосходны в экологическом отношении и могут достигать высокой эффективности использования энергии.

Топливный элемент имеет структуру, в которой множество генераторов электроэнергии уложены в стопку со вставленным между ними сепаратором, генератор электроэнергии имеет структуру, в которой анод и катод удерживают между собой электролит. В этой структуре эффективность генерации энергии ухудшается, когда сепараторы находятся в механическом контакте друг с другом и между ними имеется электрическая проводимость. Поэтому необходимо изолировать сепараторы друг от друга. Патентный документ 1 раскрывает способ, в котором между сепараторами обеспечивается керамический слой с помощью твердого припоя. С помощью этого метода возможно изолировать сепараторы друг от друга.

Патентный документ 1: опубликованная заявка на патент Японии № 2004-227848.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, КОТОРЫЕ ДОЛЖНЫ БЫТЬ РЕШЕНЫ С ПОМОЩЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Однако между сепараторами может существовать электрическая проводимость, когда твердый припой находится снаружи слоев, поскольку в методе, раскрытом в патентном документе 1, форма внешнего периметра сепаратора является такой же, как форма керамического слоя.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить топливный элемент, который предотвращает электрическое замыкание, обусловленное твердым припоем.

СРЕДСТВО РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

Топливный элемент в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что содержит участок соединения, в котором первый проводящий сепаратор, усиливающая электролит подложка и второй проводящий сепаратор соответствующим образом соединены с помощью твердого припоя. Усиливающая электролит подложка сформирована таким образом, что она больше области соединения первого проводящего сепаратора и области соединения второго проводящего сепаратора на участке соединения. Усиливающая электролит подложка имеет изолирующее свойство, по меньшей мере, в той области, где усиливающая электролит подложка контактирует с твердым припоем. Усиливающая электролит подложка имеет оконечную часть, выступающую наружу на заданное расстояние от края первого проводящего сепаратора и второго проводящего сепаратора.

У топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением предотвращен контакт между твердым припоем между усиливающей электролит подложкой и первым проводящим сепаратором и твердым припоем между усиливающей электролит подложкой и вторым проводящим сепаратором, поскольку усиливающая электролит подложка сформирована таким образом, что она больше области соединения первого проводящего сепаратора и области соединения второго проводящего сепаратора на участке соединения. Поэтому возможно предотвратить электрическое замыкание между первым проводящим сепаратором и вторым проводящим сепаратором. В соответствии с этим, в топливном элементе в соответствии с настоящим изобретением возможно предотвратить электрическое замыкание, обусловленное твердым припоем.

Усиливающая электролит подложка может иметь изолирующий слой в одной из областей соединения. Изолирующий слой может простираться на заданное расстояние от внешней торцевой поверхности и от внутренней торцевой поверхности изолирующего слоя первого проводящего сепаратора и второго проводящего сепаратора. В этом случае возможно предотвратить электрическое замыкание между первым проводящим сепаратором и вторым проводящим сепаратором.

Усиливающая электролит подложка может иметь изолирующий слой, сформированный на обеих ее поверхностях на участке соединения. В этом случае первый сепаратор изолирован от второго сепаратора с помощью изолирующих слоев на обеих поверхностях усиливающей электролит подложки. По меньшей мере, один из изолирующих слоев может состоять из электролита. В этом случае первый сепаратор изолирован от второго сепаратора с помощью электролита. И нет необходимости обеспечивать изолирующий слой, если в генерирующей энергию части топливного элемента используется электролит. Процесс изготовления топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением сокращается, и стоимость изготовления уменьшается.

Изолирующий слой может состоять из керамики. Топливный элемент может иметь грунтовочный слой между изолирующим слоем и усиливающей электролит подложкой. В этом случае адгезивность между грунтовочным слоем и усиливающей электролит подложкой и адгезивность между грунтовочным слоем и изолирующим слоем являются более высокими, чем адгезивность между изолирующим слоем и усиливающей электролит подложкой. Адгезивность между усиливающей электролит подложкой и изолирующим слоем увеличивается. Поэтому возможно предотвратить разъединение между каждым из слоев. В соответствии с этим, топливный элемент в соответствии с настоящим изобретением может устойчиво генерировать электроэнергию.

Топливный элемент отличается тем, что он содержит участок соединения, в котором первый проводящий сепаратор, усиливающая электролит подложка и второй проводящий сепаратор соответствующим образом соединены с помощью проводящего адгезивного агента. Усиливающая электролит подложка сформирована таким образом, что она больше области соединения первого проводящего сепаратора и области соединения второго проводящего сепаратора на участке соединения. И усиливающая электролит подложка имеет изолирующее свойство, по меньшей мере, в той области, где усиливающая электролит подложка контактирует с проводящим адгезивным агентом. Усиливающая электролит подложка имеет концевую часть, выступающую наружу на заданное расстояние от края первого проводящего сепаратора и второго проводящего сепаратора.

У топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением предотвращен контакт между проводящим адгезивным агентом между усиливающей электролит подложкой и первым проводящим сепаратором и проводящим адгезивным агентом между усиливающей электролит подложкой и вторым проводящим сепаратором, поскольку усиливающая электролит подложка сформирована таким образом, что она больше области соединения первого проводящего сепаратора и области соединения второго проводящего сепаратора на участке соединения. Поэтому возможно ограничить электрическое замыкание между первым проводящим сепаратором и вторым проводящим сепаратором. В соответствии с этим, в топливном элементе в соответствии с настоящим изобретением возможно предотвратить электрическое замыкание, обусловленное проводящим адгезивным агентом.

ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением возможно предотвратить электрическое замыкание, обусловленное твердым припоем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 иллюстрирует схематический вид в поперечном разрезе топливного элемента в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения;

Фиг.2 иллюстрирует увеличенный вид в поперечном разрезе уплотнительной части топливного элемента, показанного на фиг.1;

Фиг.ЗА-3D иллюстрируют способ изготовления уплотнительной части топливного элемента;

Фиг.4 иллюстрирует схематический вид в поперечном разрезе другого примера уплотнительной части;

Фиг.5A-5E иллюстрируют схему последовательности изготовления с учетом способа изготовления уплотнительной части;

Фиг.6 иллюстрирует схематический вид в поперечном разрезе топливного элемента в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения; и

Фиг.7 иллюстрирует увеличенный вид в поперечном разрезе уплотнительной части топливного элемента, показанного на фиг.6.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приведено описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

(Первый вариант)

Фиг.1 иллюстрирует схематический вид в поперечном разрезе топливного элемента 100 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления в качестве топливного элемента используется топливный элемент с проницаемой для водорода мембраной. В этом случае топливный элемент с проницаемой для водорода мембраной имеет проницаемую для водорода мембрану. Проницаемая для водорода мембрана состоит из металла, обладающего проницаемостью по отношению к водороду. Топливный элемент с проницаемой для водорода мембраной имеет структуру, в которой электролит, имеющий протонную проводимость, нанесен на проницаемую для водорода мембрану. Некоторое количество водорода, поданное к аноду, преобразуется в протоны с помощью реакции с катализатором. Протоны проводятся по электролиту, имеющему протонную проводимость, реагируют с кислородом, поданным к катоду, и преобразуются в воду. Таким образом, генерируется электроэнергия. Ниже приведено описание структуры топливного элемента 100.

Как показано на фиг.1, топливный элемент 100 имеет сепараторы 1 и 8, токоприемники 2 и 7, усиливающую электролит подложку 3, проницаемую для водорода мембрану 4, электролит 5 и катод 6. Сепаратор 1 состоит из проводящего материала, такого как нержавеющая сталь. В периферийной области на верхней поверхности сепаратора 1 сформирована выпуклая часть. Токоприемник 2, например, состоит из проводящего материала, такого как пористый материал из стали марки SUS430, пористый материал из никеля (Ni), пористый материал из оксида алюминия (Al₂O₃), покрытый платиной (Pt), или сетка из платины (Pt). Токоприемник 2 наслоен на центральную область сепаратора 1.

Усиливающая электролит подложка 3 состоит из проводящего материала, такого как нержавеющая сталь, и укрепляет проницаемую для водорода мембрану 4. Усиливающая электролит подложка 3 сформирована на сепараторе 1 через выпуклую часть сепаратора 1 и токоприемника 2. Усиливающая электролит подложка 3 соединена с сепаратором 1. В центральной области верхней поверхности усиливающей электролит подложки 3 сформировано углубление. Проницаемая для водорода мембрана 4 вставлена в углубление. Проницаемая для водорода мембрана 4 действует как анод, к которому подается топливный газ, и состоит из проницаемого для водорода металла. Металл, составляющий проницаемую для водорода мембрану 4, представляет собой, например, палладий, ванадий, титан, тантал и т.п.

Электролит 5 наслоен на проницаемую для водорода мембрану 4. Электролит 5, например, состоит из проводника протонов, такого как проводник протонов типа перовскита (ВаСеО₃ и т.п.), проводник протонов из твердой кислоты (CsHSO₄ и т.п.). Катод 6, например, состоит из проводящего материала, такого как кобальтит лантана, манганат лантана, серебро, платина или покрытый платиной углерод, и наслоен на электролит 5.

Токоприемник 7, например, состоит из проводящего материала, такого как пористый материал из стали марки SUS430, пористый материал из никеля (Ni), пористый материал из оксида алюминия (Al₂O₃), покрытый платиной (Pt), или сетка из платины (Pt). Токоприемник 7 наслоен на катод 6. Сепаратор 8 состоит из проводящего материала, такого как нержавеющая сталь, и наслоен на токоприемник 7. В периферийной области нижней поверхности сепаратора 8 сформирована выпуклая часть. Сепаратор 8 соединен с усиливающей электролит подложкой 3 через выпуклую часть сепаратора 8. В дальнейшем участок соединения между сепараторами 1 и 8 и усиливающей электролит подложкой 3 называется уплотнительной частью A. Усиливающая электролит подложка 3 имеет изолирующее свойство в уплотнительной части A. Подробности описаны далее.

Далее будет дано описание работы топливного элемента 100. Топливный газ, содержащий водород, подается к газовому каналу сепаратора 1. Этот топливный газ подается к проницаемой для водорода мембране 4 через токоприемник 2 и усиливающую электролит подложку 3. Некоторое количество водорода в топливном газе преобразовывается в протоны в проницаемой для водорода мембране 4. Протоны проводятся в проницаемой для водорода мембране 4 и электролите 5 и доходят до катода 6.

С другой стороны, газ-окислитель, содержащий кислород, подается к газовому каналу сепаратора 8. Этот газ-окислитель подается к катоду 6 через токоприемник 7. Протоны реагируют с кислородом в газе-окислителе, поданном к катоду 6. Таким образом, образуются вода и электроэнергия. Сгенерированная электроэнергия забирается через токоприемники 2 и 7 и сепараторы 1 и 8.

В варианте воплощения предотвращается ухудшение эффективности генерации энергии топливного элемента 100, поскольку усиливающая электролит подложка 3 имеет изолирующее свойство в уплотнительной части A. Будет дано описание подробностей.

Фиг.2 иллюстрирует увеличенный вид в поперечном разрезе уплотнительной части A топливного элемента 100, показанного на фиг.1. Как показано на фиг.2, усиливающая электролит подложка 3 прикреплена к сепаратору 1 через изолирующий слой 9 и твердый припой 11 и прикреплена к сепаратору 8 через изолирующий слой 10 и твердый припой 12. Концевая часть усиливающей электролит подложки 3 выступает наружу из топливного элемента 100 по отношению к краям сепараторов 1 и 8.

Изолирующие слои 9 и 10 состоят из изоляционного материала, такого как Al₂O₃. Внешний край изолирующих слоев 9 и 10 простирается от внешнего торца сепараторов 1 и 8 на несколько миллиметров. Внутренний край изолирующих слоев 9 и 10 простирается от внутреннего торца сепараторов 1 и 8 на несколько миллиметров. Изолирующие слои 9 и 10 сформированы так, что они больше области соединения между сепараторами 1 и 8 и усиливающей электролит подложкой 3. Толщина изолирующих слоев 9 и 10 составляет приблизительно несколько десятых долей микрометра. В варианте воплощения предотвращено электрическое замыкание между сепараторами 1 и 8 и усиливающей электролит подложкой 3, поскольку между сепараторами 1 и 8 и усиливающей электролит подложкой 3 обеспечиваются изолирующие слои 9 и 10.

Твердые припои 11 и 12, например, сделаны из твердого припоя на основе сплава Ag-Cu-Ti. Твердые припои 11 и 12 действуют как адгезивный агент, который прикрепляет сепараторы 1 и 8 к усиливающей электролит подложке 3. Толщина твердых припоев 11 и 12 составляет, например, несколько микрометров.

Контакт между твердым припоем 11 и твердым припоем 12 предотвращен, даже если твердые припои 11 и 12 вытекают из промежутков между сепараторами 1 и 8 и усиливающей электролит подложкой 3 вследствие давления сепараторов 1 и 8 на усиливающую электролит подложку 3, поскольку изолирующий слой 9 сформирован таким образом, что он больше области соединения между сепаратором 1 и усиливающей электролит подложкой 3, и изолирующий слой 10 сформирован таким образом, что он больше области соединения между сепаратором 8 и усиливающей электролит подложкой 3 в уплотнительной части A. Даже если твердые припои 11 и 12 размягчаются, когда увеличивается температура топливного элемента 100, контакт между размягченным твердым припоем 11 и размягченным твердым припоем 12 предотвращен. Поэтому возможно предотвратить электрическое замыкание, обусловленное твердым припоем, в топливном элементе 100 в соответствии с вариантом воплощения.

Далее будет дано описание способа изготовления уплотнительной части топливного элемента 100. Фиг.3А-3D иллюстрируют схему последовательности изготовления с учетом способа изготовления уплотнительной части топливного элемента 100. Как показано на фиг.3А, изолирующий слой 9 формируется в периферийной области на нижней поверхности усиливающей электролит подложки 3, и изолирующий слой 10 формируется в периферийной области на верхней поверхности усиливающей электролит подложки 3. Изолирующие слои 9 и 10 могут быть сформированы с помощью способа распыления, способа ионного осаждения и т.п.

Далее, как показано на фиг.3B, твердый припой 11 формируется под изолирующим слоем 9, и твердый припой 12 формируется на изолирующем слое 10. Затем, как показано на фиг.3C, изолирующий слой 9 контактирует с сепаратором 1 через твердый припой 11, и изолирующий слой 10 контактирует с сепаратором 8 через твердый припой 12. Затем изолирующий слой 9 соединяется с сепаратором 1, и изолирующий слой 10 соединяется с сепаратором 8, когда твердые припои 11 и 12 подвергаются тепловой обработке. С помощью этого процесса изготавливается скрепляющая часть A, как показано на фиг.3D.

Имеется случай, в котором твердые припои 11 и 12 вытекают из промежутков между сепараторами 1 и 8 и изолирующими слоями 9 и 10, когда сепараторы 1 и 8 приводятся в соприкосновение с изолирующими слоями 9 и 10. Однако контакт между вытекающим твердым припоем 11 и вытекающим твердым припоем 12 предотвращен, поскольку изолирующий слой 9 сформирован таким образом, что он больше области соединения между сепаратором 1 и усиливающей электролит подложкой 3, и изолирующий слой 10 сформирован таким образом, что он больше области соединения между сепаратором 8 и усиливающей электролит подложкой 3 в уплотнительной части A.

Фиг.4 иллюстрирует схематический вид в поперечном разрезе уплотнительной части A', являющейся другим примером уплотнительной части A. В уплотнительной части A' между усиливающей электролит подложкой 3 и изолирующим слоем 9 формируется грунтовочный слой 13, и между усиливающей электролит подложкой 3 и изолирующим слоем 10 формируется грунтовочный слой 14, что отличает ее от уплотнительной части A. Грунтовочные слои 13 и 14 состоят из активного металла, такого как сплав Ag-Cu-Ti или сплав Ag-Ti.

В этом случае адгезивность между активным металлом и металлом и адгезивность между активным металлом и керамикой в общем случае выше, чем между керамикой и металлом. Поэтому адгезивность между усиливающей электролит подложкой 3 и изолирующими слоями 9 и 10 увеличивается, поскольку в варианте воплощения между усиливающей электролит подложкой 3 и изолирующими слоями 9 и 10 сформированы грунтовочные слои 13 и 14. Поэтому возможно предотвратить разъединение между каждым из слоев в топливном элементе 100. В соответствии с этим, топливный элемент 100 в соответствии с вариантом воплощения может устойчиво генерировать электроэнергию.

Далее будет описан способ изготовления уплотнительной части A'. Фиг. 5A-5E иллюстрируют схему последовательности изготовления, учитывающую способ изготовления уплотнительной части A'. Как показано на фиг. 5A, грунтовочный слой 13 формируется в периферийной области на нижней поверхности усиливающей электролит подложки 3, и грунтовочный слой 14 формируется в периферийной области на верхней поверхности усиливающей электролит подложки 3. Грунтовочные слои 13 и 14 могут быть сформированы с помощью способа физического осаждения из паровой фазы и т.п.

Далее, как показано на фиг. 5B, изолирующий слой 9 формируется под грунтовочным слоем 13, и изолирующий слой 10 формируется над грунтовочным слоем 14. Затем, как показано на фиг.5C, твердый припой 11 формируется под изолирующим слоем 9, и твердый припой 12 формируется на изолирующем слое 10. Затем, как показано на фиг. 5D, изолирующий слой 9 контактирует с сепаратором 1 через твердый припой 11, и изолирующий слой 10 контактирует с сепаратором 8 через твердый припой 12. Затем изолирующий слой 9 соединяется с сепаратором 1, и изолирующий слой 10 соединяется с сепаратором 8, когда твердые припои 11 и 12 подвергаются тепловой обработке. С помощью этого процесса изготавливается скрепляющая часть A', как показано на фиг. 5E.

(Второй вариант)

Фиг.6 иллюстрирует схематический вид в поперечном разрезе топливного элемента 100a в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения. Топливный элемент 100a имеет электролит 5a вместо электролита 5, чем он отличается от топливного элемента 100 на фиг.1. Электролит 5a сформирован таким образом, чтобы покрывать верхнюю поверхность усиливающей электролит подложки 3. Электролит 5a состоит того же материала, что и электролит 5. В варианте воплощения усиливающая электролит подложка 3 изолирована от сепаратора 8 с помощью электролита 5a.

Фиг.7 иллюстрирует увеличенный вид в поперечном разрезе уплотнительной части В топливного элемента 100a, показанного на фиг.6. Скрепляющая часть В отличается от уплотнительной части A тем, что вместо изолирующего слоя 10 обеспечивается электролит 5a. Как показано на фиг.7, электролит 5a сформирован до края усиливающей электролит подложки 3. Электролит 5a изолирует усиливающую электролит подложку 3 от сепаратора 8, поскольку электролит 5a состоит из изолирующего материала.

Электролит 5a может быть нанесен на усиливающую электролит подложку 3 и на проницаемую для водорода мембрану 4 с помощью способа металлизации распылением или с помощью лазера. В этом варианте воплощения процесс изготовления короче, чем в случае, когда электролит 5 и изолирующий слой 10 формируются раздельно, поскольку электролит 5a используется в качестве изолирующего слоя. Поэтому стоимость изготовления топливного элемента 100a уменьшается.

В первом варианте воплощения и втором варианте воплощения сепаратор 1 соответствует первому проводящему сепаратору; сепаратор 8 соответствует второму проводящему сепаратору; скрепляющие части A и В соответствуют участкам соединения; и твердые припои 11 и 12 соответствуют проводящему адгезивному агенту.

Первый вариант осуществления изобретения и второй вариант осуществления изобретения могут быть объединены. Например, во втором варианте осуществления изобретения между электролитом 5a и усиливающей электролит подложкой 3 может быть сформирован грунтовочный слой. Настоящее изобретение может быть применено к топливному элементу другого типа, имеющему усиливающую электролит подложку, хотя настоящее изобретение применено к топливному элементу с проницаемой для водорода мембраной в первом варианте осуществления изобретения и втором варианте осуществления изобретения. Дано описание соединения в периферийной части усиливающей электролит подложки в первом варианте осуществления изобретения и втором варианте осуществления изобретения. Однако оно не ограничено положением соединения. Например, настоящее изобретение может быть применено к положению, в котором сепаратор в части множественного сочленения соединен с усиливающей электролит подложкой.

1. Топливный элемент, отличающийся тем, что он содержит
участок соединения, в котором первый проводящий сепаратор, усиливающая электролит подложка и второй проводящий сепаратор соответствующим образом соединены с помощью твердого припоя, причем:
усиливающая электролит подложка сформирована таким образом, что она больше области соединения первого проводящего сепаратора и области соединения второго проводящего сепаратора на участке соединения;
усиливающая электролит подложка имеет изолирующее свойство, по меньшей мере, в той области, в которой усиливающая электролит подложка контактирует с твердым припоем; и
усиливающая электролит подложка имеет концевую часть, выступающую наружу на заданное расстояние от края первого проводящего сепаратора и второго проводящего сепаратора.

2. Топливный элемент по п.1, отличающийся тем, что
усиливающая электролит подложка имеет изолирующий слой в одной из областей соединения и
изолирующий слой простирается на заданное расстояние от внешней торцевой поверхности и от внутренней торцевой поверхности изолирующего слоя первого проводящего сепаратора и второго проводящего сепаратора.

3. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что усиливающая электролит подложка имеет изолирующий слой, сформированный на ее обеих поверхностях на участке соединения.

4. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из изолирующих слоев состоит из электролита.

5. Топливный элемент по п.2, отличающийся тем, что
изолирующий слой состоит из керамики и
топливный элемент имеет грунтовочный слой между изолирующим слоем и усиливающей электролит подложкой.

6. Топливный элемент, отличающийся тем, что он содержит
участок соединения, в котором первый проводящий сепаратор, усиливающая электролит подложка и второй проводящий сепаратор соответствующим образом соединены с помощью проводящего адгезивного агента,
причем:
усиливающая электролит подложка сформирована таким образом, что она больше области соединения первого проводящего сепаратора и области соединения второго проводящего сепаратора на участке соединения;
усиливающая электролит подложка имеет изолирующее свойство, по меньшей мере, в той области, где усиливающая электролит подложка контактирует с проводящим адгезивным агентом; и усиливающая электролит подложка имеет концевую часть, выступающую наружу на заданное расстояние от края первого проводящего сепаратора и второго проводящего сепаратора.